линейность. Нелинейные математические уравнения являются более адекватными реальным системам.
Ключевые термины
| - | Синергетика | - | Точка термодинамического равновесия |
| - | Флуктуации | - | Нелинейная термодинамика |
| - | Порядок | - | Принцип образования порядка |
| - | Самоорганизация | - | Нелинейные уравнения |
| - | Обратная связь | - | Положительная обратная связь |
10. Концепция атомизма.
Объяснения, при которых свойства сложных веществ или тел пы- таются свести к свойствам более простых элементов или составных час- тей, называют редукционистскими.
Атомизмом принято считать подход к объяснению процессов,
происходящих во Вселенной, связанный с поиском мельчайших недели-
мых частиц, определяющих состав, свойства и структуру всего сущего.
Долгое время такой частицей считался атом ( в переводе с грече-
ского неделимый ), однако в начале ХХ века английские физики
Э.Резерфорд и Ф.Содди, исследуя радиоактивные превращения химиче-
ских элементов, доказали, что атом не является неделимым.
Поиск первичных фундаментальных частиц, названных впоследст-
вии элементарными, привел к открытию электрона (1897), протона (1919), фотона (1900 ), нейтрона (1932), позитрона (1932 ), нейтрино (1932 ), антипротона
(1955 ), антинейтрона (1956), промежуточных бозонов (1983). В
1970-80г.г. речь идет уже о семействах «странных», «очарованных»,
«красивых» элементарных частиц.
Общие сведения об элементарных частицах.
Ядерная физика изучает структуру и свойства атомных ядер. Она исследует также взаимопревращения атомных ядер происходящие в ре- зультате как радиоактивных распадов, так и различных ядерных реак-
ций. К ядерной физике тесно примыкают физика элементарных частиц,
физика и техника ускорителей заряженных частиц, ядерная энергетика.
Ядерно-физические исследования имеют огромное чисто научное значение, позволяя продвигаться в понимании строения материи, и в то
же время чрезвычайно важны в практическом отношении (в энергетике,
медицине и т. д.).
Элементарные частицы - первичные, неразложимые частицы, из которых, по предположению, состоит вся материя. В современной физи-
ке этот термин обычно употребляется не в своём точном значении, а в
менее строгом - для наименования большой группы мельчайших частиц материи, подчинённых условию, что они не являются атомами или атомными ядрами, за исключением протона. К элементарным частицам относятся: протоны, нейтроны, электроны, фотоны, пи-мезоны, мюоны, тяжёлые лептоны, нейтрино трёх типов, странные частицы (К-мезоны), гипероны), разнообразные резонансы, мезоны со скрытым очарованием,
«очарованные» частицы, промежуточные векторные бозоны и т. п. - все-
го более 350 частиц, в основном нестабильных. Их число продолжает расти по мере расширения наших знаний. Большинство перечисленных частиц не удовлетворяет строгому определению элементарности, по- скольку являются составными системами. Общее свойство всех этих частиц заключается в том, что они представляют собой специфические формы существования материи, не ассоциированной в ядра и атомы.
Массы большинства элементарных частиц имеют порядок величи-
ны массы протона, равной ~1,7*10 -24 г. Размеры протона, нейтрона, пи- мезона, и других адронов - порядка 10 -13 см, а электрона и мюона не определены, но меньше ~10 -16 см. Микроскопические массы и размеры
элементарных частиц обуславливают квантовую специфику их поведе- ния. Наиболее важное квантовое свойство всех элементарных частиц - способность испускаться и поглощаться при взаимодействии с другими частицами.
Характеристики элементарных частиц. В зависимости от време-
ни жизни частицы делятся на стабильные (электрон, протон, фотон и нейтрино), квазистабильные (распадающиеся при электромагнитном и слабом взаимодействиях, время их жизни больше 10 -29 с) и резонансы (частицы, распадающиеся за счёт сильного взаимодействия, типичное время жизни ~10 -22-10 –24 с).
Общими для всех элементарных частиц характеристиками явля-
ются масса, время жизни, электрический заряд, спин и др.
Элементарные частицы - характеризуются моментом импульса. Согласно квантовой механике, момент импульса системы может прини- мать не любые, а дискретные значения, его скачки равняются постоян- ной Планка, поэтому его измеряют в единицах этой постоянной (дис- кретность возможных значений момента совершенно незаметна в обыч- ной жизни, поскольку постоянная Планка очень мала). Момент, изме- ренный в таких единицах, называется спином. Спин может принимать целые или полуцелые значения. В соответствии опять же с квантовой механикой проекция момента на какую-либо ось тоже имеет дискретные значения. Разумеется такая дискретность находится далеко за пределами измерительных возможностей обычной механики. Иное дело -объекты микромира, для них дискретность значений вектора момента и его про- екций играет существенную роль.
Характеристики элементарных частиц, принимающие дискретные значения, принято называть квантовыми числами. Различают спиновое,
орбитальное, магнитное и другие квантовые числа.
Помимо указанных величин, элементарные частицы дополнитель-
но характеризуются ещё рядом квантовых чисел, которые называются внутренними. Это барионный и лептонный заряды, чётность, а также кварковые ароматы - характеристики, определяющие тип кварка, такие как изоспин, странность, «очарование», «красота», цвет. Внутренние квантовые числа вводятся для того, чтобы формализовать закономерно- сти, экспериментально наблюдаемы в процессах, происходящих в мик- ромире.
Истинно элементарные частицы. На сегодняшний день с теоре- тической точки зрения известны следующие истинно элементарные час- тицы (на данном этапе развития науки считающиеся неразложимыми)_ частицы: кварки и лептоны (эти разновидности относятся к частицам
вещества), кванты полей (фотоны, векторные бозоны, глюоны), а также частицы Хиггса.
Каждая из пар лептонов объединяется с соответствующей парой кварков в четвёрку, которая называется поколением. Свойства частиц повторяются из поколения в поколение, отличаются лишь массы: второе
тяжелее первого, третье тяжелее второго. Предполагается, что в природе встречаются в основном частицы первого поколения, а остальные можно создать искусственно на
ускорителях заряженных частиц или при взаимодействии космических
лучей в атмосфере.
Кроме имеющих половинный спин частиц вещества, к истинно элементарным частицам относятся частицы со спином 1. Это кванты по-
лей, создаваемых частицами вещества. Массивные W-бозоны являются переносчиками слабых взаимодействий между кварками и лептонами. Глюоны - переносчики сильных взаимодействий между кварками. Как и
сами кварки, глюоны не обнаружены в свободном виде, но проявляются
на промежуточных стадиях некоторых реакций. Теория кварков и глюо-
нов называется квантовой хромодинамикой.
Частица с предполагаемым спином 2 - это гравитон, его существо- вание предсказано теоретически, но обнаружить его будет чрезвычайно трудно, так как он очень слабо взаимодействует с веществом.
Наконец, к истинно элементарным частицам относятся частицы
Хиггса, или Н-мезоны, и гравитино, они не обнаружены нба опыте, но
их существование предполагается во многих современных теоретиче-
ских моделях.
Антивещество. У многих частиц существуют двойники в виде ан-
тичастиц, с теми же массой, временем жизни, спином, но отличающиеся
знаками всех зарядов: электрического, барионного, лептонного и т. д. (электрон-позитрон, протон-антипротон и др.). Существование античас-
тиц было впервые предсказано
в 1928 г. английским физиком-
теоретиком П. Дираком. Из уравнения Дирака для релятивистского дви-
жения электрона следовало второе решение для его двойника, имеющего
ту же массу, но положительный электрический заряд.
Характерная особенность поведения частиц и античастиц - их ан-
нигиляция при столкновении. Типичный пример -взаимоуничтожение электрона и позитрона с выделением энергии при рождении двух фото- нов.
В сильных и электромагнитных взаимодействиях имеется полная симметрия между частицами и античастицами - все процессы, проте- кающие с первыми, возможны и аналогично для вторых. Подобно про- тонам и нейтронам их античастицы могут образовывать антиядра. В принципе можно представить себе и антиатомы, и даже большие скоп- ления антивещества.
Классификация условно элементарных частиц. В соответствии с четырьмя видами фундаментальных взаимодействий различают соответ-
ственно четыре вида элементарных частиц: адроны, участвующие во всех взаимодействиях, лептоны, не участвующие только в сильном (а нейтрино в электромагнитном), фотон, участвующий только в электромагнитном взаи- модействии, и гипотетический гравитон - переносчик гравитационного взаи- модействия.
Адроны - общее название для частиц, наиболее активно участвую- щих в сильных взаимодействиях. Название происходит от греческого слова «сильный, крупный». Все адроны делятся на две большие группы - барионы и мезоны.
Барионы - это адроны с полуцелым спином. Самые известные их них - протон и нейтрон. Одним из свойств барионов, отличающим их от других частиц, можно считать наличие у них сохраняющегося барион- ного разряда, введённого для описания опытного факты постоянства во всех известных процессах разности между числом барионов и антиба- рионов.
Мезоны - адроны с целым спином. Их барионный заряд равен ну- лю. Адронов насчитывается около 350. Большинство их них крайне не- стабильны и распадаются за время порядка 10 -23 с. Столь короткоживу- щие частицы не могут оставить следов в детекторах. Обычно их рожде- ние обнаруживают по косвенным признакам. Например, изучают реак- цию ааннигиляции электронов и позитронов с последующим рождением адронов. Изменяя энергию столкновения, обнаруживают, что при каком-