введение

Человек- с момента егопоявления какбиологическоговида на протяжениивсего своегосуществованияпытается осмыслитьокружающий мир, разобратьсяв его устройствеи определитьсебя в нём.

Естественно,что с развитиемсамого человекаего взглядына мир менялись:от языческихбогов до теориибелковой жизни.В процессепознаваниямира человекоткрывал длясебя всё новыеи новые явленияприроды, которыене могли существоватьпо отдельности друг от друга.Начался процессобъединенияи познания миракак единоецелое. В последствииобразоваласьнаука философия,из которойвытекли всеизвестныенауки.

В философии,или в одном изеё направлениеестествознание,с XVII в. начинаютиграть существеннуюроль философско-методологическиепринципы, позволяющиена определенномэтапе развитиязнаний начатьстроить сравнительноцельные научныекартины мироздания;закладыватьосновы идеибесконечногоприближенияк объективнойистине на основемеханическогообъясненияприроды. В первуюочередь, этосвязано с такимиименами какКоперник, Кеплери Галилей. Галилейпровозгласилглавенствующуюроль причинногообъясненияприроды, включаяподчинениепринципу причинностисамой науки,и утверждалабсолютнуюобъективностьнаучной истины.Он подошел канализу природныхявлений какнаблюдатель,отбросившийтрадиционныевоззрения, чтопослужилоформированиюопределенногостиля научногомышления. Галилейпоказал, какможно конкретизироватьфилософскиеидеи в их методологическомкачествеприменительнок физическомупознанию. Принципотносительности,сформулированныйГалилеем, вэтом отношенииявляется однимиз реализованныхметодологическихидеалов, положенныхв дальнейшемв основаниепервой научнойфизическойкартины мира– механистической.По праву егоможно назватьоснователемсобственнонаучной методологииконкретногоуровня.

Вслед заМ.В.Мостепаненко,мы будем пониматьпод физическойкартиной мира“идеальнуюмодель природы,включающуюв себя наиболееобщие понятия,принципы игипотезы физикии характеризующуюопределенныйисторическийэтап ее развития”.Данная формулировкапредполагаетопределенныйсинтез физическихзнаний, не претендуяпри этом нареализациюидеала единойфизическойтеории, сформулированнойв рамках этоймодели. Объяснение(толкование)явлений, предсказанныхи описанныхфизическойтеорией, проводится,как правило,в рамках существующеймодели реальности

Революционнаяситуация, сложившаясяв естествознаниив начале XXв.,связана с появлениемдвух новыхтеоретическихконцепций –квантовоймеханики испециальнойтеории относительности.Как это частобывает, в начальныйпериод формированияпринципиальноновой теоретическойконцепции,первыми носителямиметодологииявляются самисоздатели.

1.1Создание специальнойтеории относительности

В начале XXв. на сменуклассическоймеханике пришлановая фундаментальнаятеория — специальнаятеория относительности(СТО) созданнаяусилиями рядаученых, преждевсего А. Эйнштейном,она позволиланепротиворечивообъяснитьмногие физическиеявления, которые не укладывалисьв рамки классическихпредставлений.В первую очередьэто касалосьзакономерностейэлектромагнитныхявлений в движущихсятелах.

Создание теорииэлектромагнитногополя и экспериментальноедоказательствоего реальностипоставили передфизиками задачувыяснить,распространяетсяли принципотносительностидвижения,справедливыйдля механическихявлений, наявления, присущиеэлектромагнитномуполю. Во всехинерциальныхсистемах (т.е.движущихсяпрямолинейнои равномернодруг по отношениюк другу) применимыодни и те жезаконы механики.Но справедливли принцип длянемеханическихявлений, особеннотех, которыепредставленыполевой формойматерии в частностиэлектромагнитныхявлений?

Вместе с темряд опытов,которые былипоставленыеще в 19в. показал,что скоростьсвета всегдаодинакова вовсех системахкоординатнезависимоот того, движетсяли излучающийего источникили нет, и независимоот того, как ондвижется.

Все эти противоречияпривели к тому,что на рубежуХIХ—XXвв. развитиефизики привелок осознаниюпротиворечийи несовместимоститрех принципиальныхположенийклассическоймеханики:

1.)скорость светав пустом пространствевсегда постоянна,независимоот движенияисточника илиприемникасвета;

2.)в двух системахкоординат,движущихсяпрямолинейнои равномернодруг относительнодруга, все законыприроды строгоодинаковы, инет никакогосредства обнаружитьабсолютноепрямолинейноеи равномерноедвижение (принципотносительности);

3.)координатыи скоростипреобразовываютсяиз одной инерциальнойсистемы в другуюсогласно классическимпреобразованиямГалилея.

Было ясно, чтоэти три положенияне могут бытьобъединены,поскольку онинесовместимы.Долгое времяусилия физиковбыли направленына то, чтобыпопытатьсякаким-либообразом изменитьпервые дваположения,оставив неизменнымтретье как самособой разумеющееся.

Внутреннейлогикой своегоразвития физикаподводиласьк необходимостинайти нестандартныйпуть в разрешенииэтого фундаментальногопротиворечия.

В сентябре 1905г. в немецкомжурнале появиласьработа А. Эйнштейна«К электродинамикедвижущихсятел». Эйнштейнсформулировалосновные положенияСТО, котораяобъясняла иотрицательныйрезультат опытаМайкельсона,и смысл преобразованийЛоренца и, крометого, содержалановый взглядна пространствои время.

Эйнштейн нашелеще один путьпреодоленияпротиворечийв принципиальныхосновах классическоймеханики. Онпришел к убеждению,что необходимосохранить двапервых утверждения,отказатьсяот преобразованийГалилея. И делоне просто втом, чтобы чистоформальнозаменить ихдругим преобразованием.Эйнштейн увидел,что за преобразованиямиГалилея кроетсяопределенноепредставлениео пространственно-временныхсоотношениях,которое несоответствуетфизическомуопыту, реальнымсвойствампространстваи времени. Слабымзвеном принципиальныхоснованийклассическоймеханики оказалосьпредставлениеоб абсолютнойодновременностисобытий. Классическаямеханика пользоваласьим, не сознаваяего сложнойприроды.

До выхода всвет статьи«К электродинамикедвижущихсятел», в которойвпервые былиизложены основытеории относительности,Эйнштейн около10 лет размышлялнад проблемойвлияния движениятел на электромагнитныеявления. Онпришел к твердомуубеждению овсеобщностипринципаотносительности,т.е. к выводу,что и в отношенииэлектромагнитныхявлений, а нетолько механических,все инерциальныесистемы координатсовершенноравноправны.Кроме того,Эйнштейн былубежден винвариантностискорости светаво всех инерциальныхсистемах отсчета.В своих воспоминанияхон пишет, чтоеще в 1896 г. у него« возник вопрос:если бы можнобыло погнатьсяза световойволной со скоростьюсвета, то имелибы мы передсобой не зависящееот времениволновое поле?Такое все-такикажется невозможным!».Таким образом,Эйнштейн, по-видимомуеще в молодостипришел к принципу,согласно которомускоростьраспространениясветовой волныодинакова вовсех инерциальныхсистемах.

Одновременноедействие этихдвух принциповкажется невозможным.Налицо теоретическийпарадокс. Изданного парадоксаЭйнштейн находитвыход, анализируяпонятие одновременности.Анализ подводитего к выводуоб относительномхарактере этогопонятия. В осознанииотносительностиодновременностизаключаетсясуть всей теорииотносительности,выводы которой,в очередь, приводятк необходимостипересмотрапонятий пространстваи времени —основополагающихпонятий всегоестествознания.

В классическойфизике полагали,что можно запростоговорить обабсолютнойодновременностисобытий сразуво всех точкахпространства.Эйнштейн убедительнопоказал неверностьтакого представления.Он начинаетс анализа вопроса,каким образомможно установитьодновременностьдвух событий,происходящихв разных точкахпространства.Для этого, делаетон вывод, нужноиметь в этихточках часы,причем эти часыдолжны бытьодинаково настроены иидти синхронно.Но как узнать,что двое часов,помещенныхв различныхместах пространства,идут синхронно;или, то же самое,как узнать, чтодва событияв различныхточках пространства,скажем на Землеи на Луне, происходятодновременно.Для достижениясинхронности,можно воспользоватьсясветовымисигналами.

Из нового пониманияодновременности,осознания егоотносительностиследуют совершеннореволюционныевыводы о закономерностяхпространственно-временныхотношенийвещей. Преждекто необходимостьпризнанияотносительностиразмеров тел.Чтобы измеритьдлину тела,нужно отметитьего границына масштабеодновременно.Однако то, чтоодновременнодля неподвижногои в наблюдателя,уже не одновременнодля движущегося,поэтому и длинатела, измереннаяразными наблюдателями,которые движутсяотносительнодруг друга сразличнымискоростями,должна бытьразлична.

На следующемэтапе становленияспециальнойтеории относительностиэтим общимидейным рассуждениямЭйнштейн придаетматематическуюформу и, в частности,выводит формулыпреобразованиякоординат ивремени —преобразованияЛоренца. Но уЭйнштейна этипреобразованияимеют инойсмысл: одно ито же тело имеетразличнуюдлину, если онодвижется сразличнойскоростью ,относительносистемы, в которойэта длина измерялась.То же самоеотносится ико времени.Промежутоквремени, в течениекоторого длитсякакой-либопроцесс, различен,если измерятьего движущимсяс различнойскоростьючасами. В специальнойтеории относительностиразмеры тели промежуткивремени теряютабсолютныйхарактер, какойим приписывалсяклассическойфизикой, иприобретаютстатус относительныхвеличин, зависящихот выбора системыотсчёта, с помощьюкоторой проводилосьих измерение.Они приобретаюттакой же смысл,какой имеютуже известныеотносительныевеличины, например,скорость, траекторияи т.н. Таким образом,Эйнштейн делаетвывод о необходимостиизмененияпространственно-временныхпредставлений,выработанныхклассическойфизикой.

Кроме формулпреобразованийкоординат ивремени, Эйнштейнполучает такжерелятивистскуюформулу сложенияскоростей,показывает,что масса телатакже являетсяотносительнойвеличинойзависящей отскорости, амежду массойтела и его полнойэнергией существуетопределенноесоотношение.Он формулируетследующийзакон: «массатела есть мерасодержащейсяв нем энергии»в соотношенииЕ = тс².

Создание СТОбыло качественноновым шагомв развитиифизическогопознания. Отклассическоймеханики СТОотличаетсятем, что в физическоеописаниерелятивистскихявлений органическивходит наблюдательсо средстваминаблюдения.Описание физическихпроцессов вСТО существенносвязано с выборомсистемы координат.Физическаятеория описываетне физическийпроцесс сампо себе, а результатвзаимодействияфизическогопроцесса сосредствамиисследования.Обращая на этовнимание, Эйнштейнв уже упомянутойстатье «Кэлектродинамикедвижущихсятел» пишет: «Суждения всякойтеории касаютсясоотношениймежду твердымителами (координатнымисистемами),часами и электромагнитнымипроцессами».В СТО черезосознание того,что нельзя датьописание физическогопроцесса самогопо себе, можнотолько датьего описаниепо отношениюк определеннойсистеме отсчета,впервые в историифизики непосредственнопроявилсядиалектическийхарактер процессапознания, активностьсубъекта познания,неотрывноевзаимодействиесубъекта иобъекта познания.

1.2 Созданиеи развитиеобщей теорииотносительности

Классическаямеханика и СТОформулируютзакономерностифизическихявлений толькодля некоторогодостаточноузкого классаинерциальныхсистем отсчета,не предлагаясредств дляреальноговыделения такихсистем. Вполнезакономерновозникла проблема,как распространитьзаконы физикии на неинерциальныесистемы.

После созданияСТО Эйнштейнстал задумыватьсянад этой проблемой применительнок принципуотносительности:«Можем ли мысформулироватьфизическиезаконы такимобразом, чтобыони были справедливымидля всех системкоординат, нетолько длясистем, движущихсясовершеннопроизвольнопо отношениюдруг к другу?Если это можносделать, то...тогда мы будемв состоянииприменятьзаконы природыв любой системекоординат».

Возможностьреализацииэтой идеи Эйнштейнувидел на путиобобщенияпринципаотносительностидвижения —распространенияпринципаотносительностине только наскорость, нои на ускорениедвижущихсясистем. Еслине приписыватьабсолютныйхарактер нетолько скорости,но и ускорению,то в таком случаевыделенностькласса инерциальныхсистем потеряетсвой смысл иможно таксформулироватьфизическиезаконы, чтобыих формулировкаимела смыслв отношениилюбой системыкоординат. Этои есть содержаниеобщего принципаотносительности.

Но тогда возникалвопрос, а чтоже такое массатела в системе?Существуетдва различныхи независимыхспособа определенияМассы тела: 1)через ускорение,которое вызываетлюбая действующийна тело сила(инертная масса);2) через притяжениев поле тяготения(гравитационнаямасса — вестела). Независимостьинертной игравитационноймасс и их эквивалентностьбыла известнав классическоймеханике ивыражаласьчерез законпропорциональностивеса и массыР/m = g. В 1890 г.венгерскийфизик Л. Этвешподтвердилфакт эквивалентностиинертной игравитационноймасс с высокойточностью (до10-9, сейчас этаточность повышенадо 10-12). После открытиязависимостиинертной массыот скорости(релятивистскиеэффекты) вопросо независимостигравитационноймассы от любыхсвойств телаи состояний,в которых онинаходятся,предстал вновом свете.Нужно былоразобратьсяв вопросе, изменяютсяли гравитационныесвойства тел,если их инерционныесвойства зависятот состояниядвижения.

Эквивалентность,существующуюмежду ускорениеми однороднымполем тяготения,которая справедливадля механики,Эйнштейн считаетвозможнымраспространитьна оптическиеи вообще любыефизическиеявления. Этотрасширенныйпринцип эквивалентностии был положеним в основуобщей теорииотносительности.ПостроениеОТО он завершилв 1916 г. При этомон использовалпонятия иматематическийаппарат неевклидовыхгеометрий.

Мысленныеэкспериментыубедительнопоказывали,что релятивистскаяфизика не можетосновыватьсяна евклидовойгеометрии иА. Эйнштейнвводит представлениео том, что метрикапространства-времениобусловленагравитационнымполем, котороев свою очередьсоздано вещественнымиобразованиями:«Наш мир неевклидов.Геометрическаяприрода егообразованамассами и ихскоростями».Гравитационныеуравнения ОТОстремятсяраскрытьгеометрическиесвойства нашегомира». Эйнштейнисходил изтого, чтопространственно-временнойконтинуум носитриманов характер.А мановым (вузком смысле)называетсяпространствопостояннойположительнойкривизны. Егонаглядный образ— поверхностьобычной сферы.Это значит, чтодвижение частицыв гравитационномполе определяетсякратчайшеймировой линией,которая неявляется прямой,но тем не менееявляется кратчайшей.

С точки зренияОТО пространствоне обладаетпостоянной(нулевой) кривизной.Кривизна егоменяется отточки к точкеи определяетсяполем тяготения.Можно сказатьбольше: полетяготенияявляется нечем иным, какотклонениемсвойств реальногопространстваот свойствидеальногоевклидовапространства.Величина пространстватяготения вкаждой точкеопределяетсязначениемкривизны пространствав этой точке.Таким образом,движение материальнойточки в полетяготения можнорассматриватькак свободное«инерциальное»движение, нопроисходящеене в евклидовом,а в пространствес изменяющейсякривизной. Врезультатедвижение точкиуже не являетсяпрямолинейными равномерным,а происходитпо геодезическойлинии искривленногопространства.Отсюда следует,что уравнениедвижения материальнойточки, а такжеи луча светадолжно бытьзаписано в видеуравнениягеодезическойлинии искривленногопространства.

В последниедесятилетиясвоей жизниЭйнштейн усиленнозанималсяпоисками «единойтеории поля»,которая быобъединилатеорию тяготенияи теорию электромагнитногополя. С точкизрения Эйнштейна,реализацияэтой задачипозволила бысвойства веществавывести изпредставленийо свойствахполя, рассматриватьвещество кактакие областив пространстве,где поле чрезвычайносильно, и объяснитьсуществованиеэлементарныхчастиц. Однаконесмотря навсе остроумиеего методови колоссальноеупорство, емуне удалосьэтого достигнуть.К середине XXв. стало ясно,что работа вэтом направлениидолжна осуществлятьсяс учетом существованияне двух (гравитационноеи электромагнитное),а четырех типовфундаментальныхвзаимодействий.

1.3 Экспериментальнаяпроверка общейтеории относительности

Теория, котораяне верна напрактике, ставитсебя под большоесомнение! Поэтомуи новая теорияобщей теорииотносительностидолжна была100% подтвердитьсебя на практике.Первый успехОТО, котораястала фундаментомдля выявленияновых и объясненияизвестных общихсвойств изакономерностейВселенной,заключалсяв объясненииоткрытой ещев 1859 г. (и непонятнойс точки зренияклассическойтеории) дополнительнойскорости движенияперигелияМеркурия (около43" в столетие)под влияниемгравитационногополя Солнца.Прецессияорбиты Меркурияобусловленаискривлениемпространства,вызваннымгравитационнымвоздействиемСолнца.

Большоезначение дляширокого признанияОТО имели опытыпо измерениюотклонениялучей света,проходящихоколо Солнца.Перваянемецкая экспедицияпо проверкеданного эффектабыла направленауже в 1914 г. на территориюРоссии, но всвязи с началомПервоймировой войны была интернирована. Затмение 29 мая1919 г. представлялособой особенноблагоприятныйслучай, когдав не наблюденийоказывалосьбольшое числоярких звезд,и потому вВеликобританиипод руководством А. Эддингтонабыли сформированыдве экспедиции:одна направиласьв Бразилию(Собрал), а другая— на одиниз островов,расположенныхвозле африканскогоматерика(Принсипи). Какотмечалосьв отчете, «результатыэкспедицийв Собрали на Принсипиоставляют малосомнения в том,что луч светаотклоняетсявблизи Солнцаи что отклонение,если приписатьего действиюгравитационногополя Солнца,по величинесоответствуеттребованиямобщей теорииотносительностиЭйнштейна».Проведенныев 1922 г. новые измерениятакже подтвердилисуществованиеэффекта, предсказанноготеорией Эйнштейна.

Другойрезультат,полученныйв теории Эйнштейна,— наличие красногосмещения вспектрах небесныхтел — был подтвержденрядомопытов 1923—1926 гг.при наблюденииспектров Солнцаи обладающегочрезвычайнобольшим полемтяготенияспутника Сириуса..

Долгоевремя экспериментальныхподтвержденийОТО было мало:измененияорбиты Меркурия,красное смещениев спектрахзвёзд,искривлениелучей светавблизи Солнца,обусловленноекривизной,пространства.Согласие теориис опытом достаточнохорошее, ночистота экспериментовнарушаетсяразличнымисложными побочнымивлияниями.Однако влияниеискривленияпространства-времениможно обнаружитьдаже в умеренныхгравитационныхполях.Очень чувствительныечасы, например,могут обнаружитьзамедлениевремени наповерхностиЗемли. Чтобырасширитьэкспериментальнуюбазу ОТО, вовторой половинеXXв. были поставленыновыеэксперименты:проверяласьэквивалентностьинертной игравитационноймасс (в том числеи путем лазернойлокации Луны);с помощьюрадиолокацииуточнялосьдвижение перигелияМеркурия; измерялосьгравитационноеотклонениерадиоволнСолнцем, проводиласьрадиолокацияпланет Солнечнойсистемы; оценивалосьвлияниегравитационногополя Солнцана радиосвязьс космическимикораблями,которые отправлялиськ дальним планетамСолнечнойсистемы,и т.д. Все они,так или иначе,подтвердилипредсказания,полученныена основе ОТО.

1.4 Современноесостояниетеории гравитациии её роль в физике

В физике XXв. ОТО сыгралаособую и своеобразнуюроль.

Во-первых, онапредставляетсобой новуютеорию тяготенияхотя, возможно,и не вполнезавершена ине лишена некоторых недостатков.Трудностьсостоит в том,что гравитация— это вид энергиипоэтому онасама являетсясобственнымисточникомэнергии; гравитация как физическое поле сама обладает (как, напримери электромагнетизм)энергией иимпульсом, азначит, и массой.следовательно,уравнениятеории нелинейны,т.е. нельзя простосложить известныерешения дляпростых систем,чтобы получилосьполное решениедля сложнойсистемы. С этимсвязаны, например,трудности винтерпретациисодержаниятензора энергии— импульса.Математическийаппарат теориинастолькосложен, чтопочти все задачикроме самыхпростейших,оказываютсянеразрешимыми.Из-за та кихтрудностей (возможно, они скорее технического характера, номожет быть ипринципиального)ученые до сихпор — спустя80 лет после того,как ОТО быласформулирована,— все еще пытаютсяразобратьсяв ее смысле.

Во - вторых, наоснове ОТО былиразвиты двафундаментальных

направлениясовременнойфизики: геометризированныеединые теорииполя; релятивистскаякосмология.

Успешнаягеометризациягравитациизаставиламногих физиковзадуматьсянад вопросомо сущностифизики в ееотношении сгеометрией.Здесь сложилисьдве противоположныеточки зрения:

I) поля ичастицы непосредственноне определяютхарактерпространственно-временногоконтинуума.Он сам служитлишь аренойпроявления.Поля и частицычужды геометриимира и их надодобавить кгеометрии,чтобы вообщеможно былоговорить окакой либофизике;

2) в мире нет ничего,кроме пустогоискривленногопространства.Материя, заряд,электромагнетизми другие поляявляются лишьпроявлениемискривленногопространства.Физика естьгеометрия.

ОТО оказаласьпереходнойтеорией междупервым и вторымподходами. ВОТО представленсмешанный типописания реальности:гравитацияв ней геометризирована,а частицы иполя, отличныеот гравитации,добавляютсяк геометрии.

Многие ученые(в том числе исам Эйнштейн)предпринималипопытки объединитьэлектромагнитноеи гравитационноеполя в рамкахдостаточнообщего геометрическогоформализмана базе ОТО. Соткрытиемразнообразныхэлементарныхчастиц и соответствующихим полей естественновстала проблемавключения иих в рамки подобнойединой теории.Это положилоначало длительномупроцессу поисковгеометризированнойединой теорииполя, которая,по замыслу,должна реализоватьвторой подход— сведениефизики к геометрии,созданиегеометродинамики.

Анализ показывает,что там, гдепроявляютсяизменениятопологическойструктуры мира,топологиипространственно-временногоконтинуума,там фиксируетсякажущеесяизменениефундаментальныхзаконов природы.Так, происходиткажущеесянарушениепричинности,когда при падениив «черную дыру»исчезают элементарныечастицы. Поэтомуизучение пространстваи поиск единойтеории поляимеет глобальноезначение.

2.1 Возникновениеи развитиеквантовойфизики

Истоки квантовойфизики можнонайти в исследованияхпроцессовизлучения тел.Еще в 1809 г. П. Превосделал вывод,что каждое телоизлучает независимоот окружающейсреды. Развитиеспектроскопиив XIX в. привелок тому, что приизучении спектровизлученияначинают обращатьвнимание и наспектры поглощения.При выясняется,что между излучениеми поглощениемтела существуетпростая связь:в спектрахпоглощенияотсутствуютили ослабляютсяте участкиспектра, которыеиспускаютсяданным телом.Этот законполучил объяснениетолько в квантовойтеории.

Г. Кирхгоф в1860 г. сформулировалновый закон,который гласитчто для излученияодной и той жедлины волныпри одной и тойже температуреотношениеиспускательнойи поглощательнойспособностейдля всех телодинаково.Другими словами,если E_λTи A_λT– соответственноиспускательнаяи поглощательнаяспособноститела, зависящиеот длины волныλ и температурыT, то

где φ(λ,T) –некотораяуниверсальнаяфункция λи T, одинаковаядля всех тел.

Кирхгоф ввелпонятие абсолютночерного телакак тела, поглощающеговсе падающиена него лучи.При определениивида универсальнойфункции естественнобыло предположить,что можновоспользоватьсятеоретическимисоображениями,прежде всегоосновнымизаконамитермодинамики.Л. Больцманпоказал, чтополная энергияизлученияабсолютночерного телапропорциональначетвертойстепени еготемпературы,однако задачаконкретногоопределениявида функцииКирхгофа оказаласьвесьма трудной,и исследованияв этом направлении,основанныена термодинамикеи оптике, непривели к успеху.Опыт давалкартину, необъяснимуюс точки зренияклассическихпредставлений:при термодинамическомравновесиимежду колеблющимисяатомами веществаи электромагнитнымизлучениемпочти энергиясосредоточенав колеблющихсяатомах и лишьничтожная частьее приходитсяна долю излучения,тогда как согласноклассическойтеории практическився энергиядолжна былабы перейти кэлектромагнитномуполю.

1900 г. на заседанииБерлинскогофизическогообщества М.Планк предложилновую формулудля распределенияэнергии в спектречерного тела.Эта формуладавала полноесоответствиес опытом, но еёфизическийсмысл был невполне понятен.Дополнительныйанализ показал,что она имеетсмысл тольков том случае,если допустить,что излучениеэнергии происходитне непрерывно,а определеннымипорциями —квантами (е).Это вело к признаниюнаравне с атомизмомвещества атомизмаэнергии илидействия,дискретного,квантовогохарактераизлучения, чтоне укладывалосьв рамки представленийклассическойфизики.

Формулировкагипотезы квантовэнергии быланачалом новойэры в развитиитеоретическойфизики. Сбольшим успехомэту гипотезуначали применятьдля объяснениядругих явлений,которые неподдавалисьописанию наоснове представленийклассическойфизики.

Существенноновым шагомв развитииквантовойгипотезы быловведение понятияквантов света.Эта идея быларазработанав 1905 г. Эйнштейном и использована им для объяснения фотоэффекта.В целом рядеисследованийбыли полученыподтвержденияистинностиэтой идеи. В1909 г. Эйнштейн,продолжаяисследованиязаконов излучения,показывает,что свет обладаетодновременнои волновымии корпускулярнымисвойствами.Становилосьвсе более очевидно,что корпускулярно-волновойдуализм световогоизлучениянельзя объяснитьс позицийклассическойфизики. В 1912 г.А.Пуанкареокончательнодоказал несовместимостьформулы Планкаи классическоймеханики. Требовалисьновые понятия,новые представленияи новый научныйязык, для тогочтобы физикимогли осмыслитьэти необычныеявления. Всеэто появилосьпозже — вместес созданиеми развитиемквантовоймеханики.

2.2 Созданиенерелятивсткойквантовоймеханики

Такие новые,представленияи принципы былисозданы плеядойвыдающихсяфизиков XXв. в 1925—1927 гг. В. Гейзенбергустановилосновы такназываемойматричноймеханики; Л. деБройль, а заним Э. Шредингерразработаливолновую механику.Вскоре выяснилось,что и матричнаямеханика, иволновая механика— различныеформы единойтеории, получившейназвание квантовоймеханики.

В 1926 г. Гейзенбергвпервые высказалосновные положенияквантовоймеханики вматричнойформе. Теорияатомных явлений,по Гейзенбергу,должна ограничиватьсяустановлениемсоотношениймежду величинами,которые непосредственноизмеряютсяв экспериментальныхисследованиях(«наблюдаемыми»величинами,в терминологииГейзенберга)— частотойизлученияспектральныхлиний, их интенсивностью,поляризациейи т.п. «Ненаблюдаемые»величины, такие,как координатыэлектрона, егоскорость, траектория,по которой ондвижется, ит.д., не следуетиспользоватьв теории атома.

Однако в согласиис принципомсоответствияновая теориядолжна определеннымобразом соответствоватьклассическимтеориям, соотношениявеличин новойтеории должныбыть аналогичнымиотношениямклассическихвеличин. Приэтом каждойклассическойвеличине нужнонайти соответствующуюей квантовуювеличину ипользуяськлассическимисоотношениями,составитьсоответствующиеим соотношениямежду найденнымиквантовымивеличинами.Такие соответствиямогут бытьполучены толькоиз операцийизмерения.

Анализируязакономерностиизмерениявеличин в квантовойметке, Гейзенбергприходит кважному принципиальномурезультатуо невозможностиодновременноготочного измерениядвух каноническисопряженныхвеличин иустанавливаеттак называемоесоотношениенеопределенностей.Этот принципявляется основойфизическойинтерпретацииквантовоймеханики.

Второе направлениев созданииквантовоймеханики сначаларазвивалосьв работах Л. деБройля. Он высказалидею о волновойприроде материальныхчастиц. На основанииуже установленногофакта одновременнои корпускулярной,и волновойприроды света,а также оптико-механическойаналогии деБройль пришелк идее о существованииволновых свойствлюбых частицматерии. Напервые работыде Бройля, вкоторых высказываласьидея волн, связанныхс материальнымичастицами, необратили серьезноговнимания. ДеБройль впоследствииписал, чтовысказанныеим идеи былиприняты с«удивлением,к которому,несомненно,примешиватькакая-то доляскептицизма».Но не все скептическиотнеслись кидеям де Бройля.Особенно сильноевлияние идеиде Бройля оказалина Э. Шрёдингера,который увиделв них основудля созданияновой теорииквантовыхпроцессов. В1926 г. Шрёдингер,развивая идеиБройля, построилтак называемуюволновую механику.

В квантовоймеханике разницамежду полеми системойчастиц исчезает.Так, например,электрон, вращающийся вокруг ядра,можно представитькак волну, длинакоторой зависитот скорости.Там, где укладываетсяцелое числодлин волн электрона,волны складываютсяи образуютборовскиеразрешенныеорбиты. А там,где целое числодлин волн неукладывается,гребни волнкомпенсируютвпадины, таморбиты не будутразрешены.

Волновая механикаполучила прямоеэкспериментальноеподтверждениев 1927 г., когда К.Дж.Дэвиссон и П.Джермер обнаружилиявление дифракцииэлектронов.Кроме того,выяснилось,что правильно и количественноесоотношениедля длин волнде Бройля. Квантоваямеханика —теоретическаяоснова современнойхимии. С помощьюквантовойтеории удалосьпостроить такжесовершенныетеории твердоготела, электрическойпроводимоститермоэлектрическихявлений и т.д.Она дала основаниядля построениятеории радиоактивногораспада, а вдальнейшемстала базойдля ядернойфизики.

2.3 Проблемаинтерпретацииквантовоймеханики. Принципдополнительности

Созданныйгруппой физиковв 1925—1927 гг. формальныйматематическийаппарат квантовоймеханики убедительнопродемонстрировалсвои широкиевозможностипо количественномуохвату значительногоэмпирическогоматериала. Неоставалосьсомнений, чтоквантоваямеханика пригоднадля описанияопределенногокруга явлений.Вместе с темисключительнаяабстрактностьквантово-механическихформализмов,значительныеотличия отклассическоймеханики, заменакинематическихи динамическихпеременныхабстрактнымисимволаминекоммутативнойалгебры, отсутствиепонятия электронной орбиты, необходимость интерпретацииформализмови др., рождалиощущениенезавершенности,неполноты новойтеории. В результатевозникло мнениео необходимостиее завершения.

Возникла дискуссияо том, какимпутем это нужноделать. А. Эйнштейни ряд физиковсчитали, чтоквантово-механическоеописание физическойреальностисущественнонеполно. Иначеговоря, созданнаятеория не являетсяфундаментальнойтеорией, а лишьпромежуточнойступенью поотношению кней, поэтомуее необходимодополнитьпринципиальноновыми постулатамии понятиями,т.е. дорабатыватьту часть основанийновой теории,которая связанас ее принципами.

Разработкаметодологическихустановокквантовоймеханики, являвшаясяважнейшимзвеном в интерпретацииэтой теории,продолжаласьвплоть до конца40-х гг. Завершениевыработки этойинтерпретацииозначало изавершениенаучной революциив физике, начавшейсяв конце XIXв.

Основнойотличительнойособенностьюэкспериментальныхисследованийв области квантовоймеханики являетсяфундаментальнаяроль взаимодействиямежду физическимобъектом иизмеряемымустройством.Это связанос корпускулярно-волновымдуализмом. Исвет, и частицыпроявляют вразличныхусловияхпротиворечивыесвойства, всвязи с чем оних возникаютпротиворечивыепредставления.В одном типеизмерительныхприборов(дифракционнаярешетка) онипредставляютсяв виде непрерывногополя, распределённогов пространстве,будь то световоеполе или поле,которое описываетсяволновой функцией.В другом типеприборов (пузырьковаякамера) эти жемикроявлениявыступают какчастицы, какматериальныеточки. Причинакорпускулярно-волновогодуализма, поБору в том, чтосам микрообъектне являетсяни волной, ничастицей обычномпонимании.

Невозможностьпровести резкуюграницу междуобъектом иприбором вквантовойфизике выдвигаетдве задачи:1)каким образомможно отличитьзнания об объектеот знаний оприборе; 2) какимобразом, различивих, связать вединую картину,теорию объекта.

Первая задачаразрешаетсявведениемтребованияописыватьповедениеприбора наязыке классическойфизики, а принципиальностатистическоеповедениемикрочастиц— на языкеквантово-механическихформализмов.Вторая задачаразрешаетсяс помощью принципадополнительности:волновое икорпускулярноеописаниямикропроцессов не исключаюти не заменяютдруг друга, авзаимно дополняютдруг друга.При одномпредставлениимикрообъектаиспользуетсяпричинноеописаниесоответствующихпроцессов, вдругом случае— пространственно-временное.Единая картинаобъекта синтезируетэти два описания.

2.4 Методологическиеустановкинеклассическойфизики

Созданиерелятивистской,а затем и квантовойфизики привелок необходимостипересмотраметодологическихустановокклассическойфизики. Представимв систематическомвиде методологическиеустановкинеклассическойфизики:

Признаниеобъективногосуществованияфизическогомира, т.е. егосуществованиядо и независимоот человекаи его сознания.В отличие отклассическойфизики, котораярассматриваламир физическихэлементов каккачественнооднородноеобразование,современнаяфизика приходитк выводу о наличиитрех качественноразличающихсяструктурныхуровней мирафизическихэлементов:микро-, макро-и мегауровней.
Явления микромира,микропроцессыобладают чертамицелостности,необратимостии неделимости,которые приводятк качественномуизменениюпредставленийо характеревзаимосвязиобъекта иэкспериментальныхсредств исследования.
Причинностькак один изэлементоввсеобщей связии взаимообусловленностивещей, явлений, событий материальногомира присущаи микропроцессам.Но характерпричиннойсвязи в микромиреотличен отмеханистическогодетерминизма.В областимикроявленийпричинностьреализуетсячерез многообразиеслучайностей,поэтому микропроцессамсвойственныне динамические,а статистическиезакономерности.
Микроявленияпринципиальнопознаваемы.Получениеполного инепротиворечивогоописания поведениямикрочастицтребует выработкинового способапознания иновых методологическихустановокпознания.
Основа познания— эксперимент,непосредственноематериальноевзаимодействиемежду средствамиисследованиясубъекта иобъектом. Также, как и в классическойфизике, исследовательсвободен ввыборе условийэксперимента.
Кардинальныеизменения вметодологиинеклассическойфизики по сравнениюс классическойсвязаны сзависимостьюописания поведенияфизическихобъектов отусловий познания.В релятивистскойфизике — этоучет состояниядвижения системотсчета припризнаниипостоянстваскорости светав вакууме. Вквантовойфизике — фундаментальнаяроль взаимодействиямежду микрообъектоми измерительнымустройством,прибором.Неклассическаяфизика характеризуется,по сути, изменениемпознавательногоотношениясубъекта иобъекта. Вквантовойфизике онофиксируетсяпринципомдополнительности.
Если в классическойфизике всесвойства объектамогут определитьсяодновременно,то уже в квантовойфизике существуютпринципиальныеограничения,выражаемыепринципом
неопределенности.
Неклассическиеспособы описанияпозволяютполучать объективноеописание природы.Необъективностьзнания не должнаотождествлятьсяс наглядностью.Созданиемеханическойнаглядноймодели вовсене синонимадекватногофизическогообъясненияисследуемогоявления.
Физическаятеория должнасодержать всебе не толькосредства дляописания поведенияпознаваемыхобъектов, нои средства дляописания условийпознания, включаяпроцедурыисследования.
В неклассическойфизике, как ив классической,игнорируетсяатомная структураэкспериментальныхустройств.
Структурапроцесса познанияне являетсянеизменной.Качественному многообразию природы должно соответствоватьмногообразиеспособов еепознания. Наоснове неклассическихспособов познания(релятивистскогои квантового)со временемдолжны сформироватьсядругие новыеспособы познания.

Во второй половинеXX в. основноевнимание физиковобращено насоздание теорий,раскрывающихс позицийквантово-релятивистскихпредставленийсущность иоснованияединства четырехфундаментальных взаимодействий — электромагнитного, «сильного»- «слабого» игравитационного.Эта задачаодновременноявляется задачейсоздания единойтеории элементарныхчастиц (теорииструктурыматерии). В последниедесятилетиясозданы и получилиэмпирическоеобоснованиеквантоваяэлектродинамика,теория электрослабоговзаимодействия,квантоваяхромодинамика(теория сильноговзаимодействия),есть перспективына созданиеединой теорииэлектромагнитного,«слабого» и«сильного»взаимодействий.Физики ожидают,что в отдаленнойперспективек ним должнобыть присоединенои гравитационноевзаимодействие.Таким образом,естествознаниев настоящеевремя находитсяна пути к реализациивеликой цели— созданиюединой теорииструктурыматерии.

3. Фундаментальныефизическиевзаимодействия

В своей повседневнойжизни человексталкиваетсяс множествомс множествомсил действующихна тела: силаветра или потокаводы, давлениевоздуха, мускульнаясила человека,вес предметов,давление квантовсвета, притяжениеи отталкиваниеэлектрическихзарядов, сейсмическиеволны, вызывающиеподчас катастрофическиеразрушенияи т.д.. Одни силыдействуютнепосредственнопри контактес телом, другие,например гравитация,действуют нарасстоянии,через пространство.Но, как выяснилосьв результатеразвитияестествознания,несмотря настоль большоеразнообразие,все действующиев природе силыможно свестик четыремфундаментальнымвзаимодействиям. Именно этивзаимодействияв конечномсчете отвечаютза все измененияв мире, именноони являютсяисточникомвсех материальныхпреобразованийтел, процессов.Каждое из четырехфундаментальныхвзаимодействийимеет сходствос тремя остальнымии в то же времясвои отличия.Изучение свойствфундаментальныхвзаимодействийсоставляетглавную задачусовременнойфизики.

3.1 Гравитация

Гравитацияпервым из четырехфундаментальныхвзаимодействийстала предметомнаучногоисследования.Созданная вXVII в. Ньютоновскаятеория гравитации(закон всемирноготяготения)позволилавпервые осознатьистинную рольгравитациикак силы природы.

Гравитацияобладает рядомособенностей,отличающихее от другихфундаментальныхвзаимодействий.Наиболее удивительнойособенностьюгравитацииявляется еемалая интенсивность.Гравитационноевзаимодействиев 10³⁹ раз меньшесилы взаимодействияэлектрическихзарядов. Какможет такоеслабое взаимодействиеоказатьсягосподствующейсилой во Вселенной?

Все дело вовторой удивительнойчерте гравитации— в ее универсальности.Ничто во Вселеннойне может избежатьгравитации.Каждая частицаиспытываетна себе действиегравитациии сама являетсяисточникомгравитации,вызываетгравитационноепритяжение.Гравитациявозрастаетпо мере образованиявсе большихскопленийвещества. Ихотя притяжениеодного атомапренебрежимомало, но результирующаясила притяжениясо стороны всехатомов можетбыть значительной.Это проявляетсяи в повседневнойжизни: мы ощущаемгравитациюпотому, что всеатомы Землисообща притягиваютнас. Зато в микромирероль гравитацииничтожна. Никакиеквантовыеэффекты в гравитациипока не доступнынаблюдению.

Кроме того,гравитация— далъподействующаясила природы.Это означает,что, хотя интенсивностьгравитационноговзаимодействияубывает срасстоянием,оно распространяетсяв пространствеи может сказыватьсяна весьма удаленныхот источникателах. В астрономическоммасштабегравитационноевзаимодействие,как правило,играет главнуюроль. БлагодарядальнодействиюгравитацияпозволяетВселеннойразвалитьсяна части: онаудерживаетпланеты наорбитах, звездыв галактиках,галактики вскоплениях,скопления вМетагалактике.

Сила гравитации,действующаямежду частицами,всегда составляетсобой силупритяжения:она стремитсясблизить частицы.Гравитационноеотталкиваниееще никогдане наблюдалось.

Пока еще нетоднозначногоответа на вопрос,чем являетсягравитация— неким полем,искривлениемпространства-времениили тем и другимвместе. На этотсчет существуютразные мненияи концепции.Поэтому нети завершеннойтеории квантово-гравитационноговзаимодействия.

3.2 Электромагнетизм

По величинеэлектрическиесилы намногопревосходятгравитационные,поэтому в отличиеот слабогогравитационноговзаимодействияэлектрическиесилы, действующиемежду теламиобычных размеров,можно легконаблюдать.Электромагнетизмизвестен людямс незапамятныхвремен (полярныесияния, вспышкимолнии и др.).

Не все материалычастицы являютсяносителямиэлектрическогозаряда. Электрическинейтральны,например, фотони нейтрино. Вэтом электричествоотличаетсяот гравитации.Все материальныечастицы создаютгравитационноеполе, тогда какс электромагнитным-полем связанытолько, заряженныечастицы.

Долгое времязагадкой былаи природа магнетизма.Как и электрическиезаряды, одноименныемагнитныеполюсы отталкиваются,а разноименные— притягиваются.В отличие отэлектрическихзарядов магнитныеполюсы встречаютсяне по отдельности,а только парами— северныйполюс и южный.Хорошо известно,что в обычноммагнитномстержне одинконец действуеткак северныйполюс, а другой— как южный.

Электрическаяи магнитнаясилы (как игравитация)являютсянедействующими,их действиеощутимо набольших расстоянияхот источника.Электромагнитноевзаимодействиепроявляетсяна всех уровняхматерии — вмегамире, макромиреи микромире.Как и гравитация,оно подчиняетсязакону обратныхквадратов.Электромагнитноеполе Землипростираетсядалеко в космическоепространство,мощное полеСолнца заполняетвсю Солнечнуюсистему; существуют и галактические электромагнитные поля, электромагнитноевзаимодействиеопределяеттакже структуруатомов и отвечаетза подавляющеебольшинствофизическихи химическихявлений и процессов(за исключениемядерных). К немусводятся обычныесилы: силы упругости,трения, поверхностногонатяжения, имопределяютсяагрегатныесостояниявещества, оптическиеявления и др.

3.3 Слабоевзаимодействие

К выявлениюсуществованияслабого взаимодействияфизика продвигаласьмедленно. Слабоевзаимодействиеответственноза распадычастиц; и поэтомук его проявлениемстолкнулисьс открытиемрадиоактивностии исследованиембета-распада.У бета-распадаобнаружиласьв высшей степенистранная особенность.Исследованияприводили квыводу, что вэтом распадекак будто нарушаетсяодин из фундаментальныхзаконов физики— закон сохраненияэнергии. Казалось,что часть энергиикуда-то исчезала.Чтобы «спасти»закон сохраненияэнергии, В. Паулипредположил,что при бета-распадевместе с электрономвылетает, уносяс собой недостающуюэнергию, ещеодна частица.Она — нейтральнаяи обладаетнеобычайновысокой проникающейспособностью,вследствиечего ее не удавалосьнаблюдать. Э.Ферми назвалчастицу-невидимку«нейтрино».

Но предсказаниенейтрино — этотолько началопроблемы, еёпостановка.Нужно былообъяснитьприроду нейтрино,но здесь оставалосьмного загадочного.Дело в том, чтоэлектроны инейтрино испускалисьнестабильнымиядрами. Но былонеопровержимо,доказано, чтовнутри ядернет таких частиц.Как же они возникали?Было высказанопредположение,что электроныи нейтрино несуществуютв ядре в «готовомвиде», а каким-тообразом образуютсяиз энергиирадиоактивногоядра. Дальнейшиеисследованияпоказали, чтовходящие всостав ядранейтроны,предоставленныесамим себе,несколько минутраспадаютсяна протон, электрони нейтрино,т.е. вместо однойчастицы появляетсятри новые. Анализприводит квыводу, чтоизвестные силыне могут вызватьтакой распад.Он, может, порождалсякакой-то иной,неизвестнойсилой. Исследованияпоказали, чтоэтой силесоответствуетнекотороеслабое взаимодействие.

Слабое взаимодействиепо величинезначительноменьше всехвзаимодействий,кроме гравитационного,и в системах,где оно существует,его эффектыоказываютсяв тени электромагнитногосильноговзаимодействий.Кроме того,слабое взаимодействиераспространяетсяна очень незначительныхрасстояниях.Радиус слабоговзаимодействияочень мал. Слабоевзаимодействиепрекращаетсяна расстоянии,большем 10¹⁶ смот источника,и потому ононе может влиятьна макроскопическиеобъекты, аограничиваетсямикромиром,субатомнымичастицами.Когда началосьлавинообразноеоткрытие множестванестабильныхсубъядерныхчастиц, тообнаружилось,что большинствоиз них участвуютв слабом взаимодействии.

Теория слабоговзаимодействиябыла созданав конце 60-х гг.С момента построенияМаксвелломтеории электромагнитногополя созданиеэтой теорииявилось самымкрупным шагомна пути к единствуфизики.

3.4 Сильноевзаимодействие

Последнее вряду фундаментальныхвзаимодействий— сильноевзаимодействие,которое являетсяисточникомогромной энергии,более характерныйпример энергии,высвобождаемойсильным взаимодействием,— Солнце. В недрахСолнца и звезднепрерывно:протекаюттермоядерныереакции, вызываемыесильным взаимодействием.Но и человекнаучился высвобождатьсильное взаимодействие:создана водороднаябомба, сконструированыи совершенствуютсятехнологииуправляемойтермоядернойреакции. Кпредставлениюо существованиисильноговзаимодействияфизика шла входе изученияструктурыатомного ядра.Какая-то силадолжна удерживатьположительнозаряженныепротоны в ядре,не позволяяим разлетатьсяпод действиемэлектростатическогоотталкивания.Гравитацияслишком слабаи не может этообеспечить;очевидно, необходимокакое-то взаимодействие,причем, болеесильное, чемэлектромагнитное.Впоследствиионо было обнаружено.Выяснилось,что хотя посвоей величинесильное взаимодействиесущественнопревосходитвсе остальныефундаментальныевзаимодействия,но за пределамиядра оно неощущается. Каки в случае слабоговзаимодействия,радиус действияновой силыоказался оченьмалым: сильноевзаимодействиепроявляетсяна расстоянии,определяемомразмерами ядра,т.е. примерно10¹³ см. Крометого, выяснилось,что сильноевзаимодействиеиспытываютне все частицы.Так, его испытываютпротоны и нейтроны,но электроны,нейтрино ифотоны не подвластныему. В сильномвзаимодействииучаствуютобычно толькотяжелые частицы.Оно ответственноза образованиеядер и многиевзаимодействияэлементарныхчастиц.

Таким образом,в фундаментальныхфизическихвзаимодействияхчётко прослеживаетсяразличие силдальнодействующихи близкодействующих.С одной стороны,взаимодействиянеограниченногорадиуса действия(гравитация,электромагнетизм),а с другой —малого радиуса(сильное и слабое).Мир физическихпроцессовразвертываетсяв границах этихдвух полярностейи являетсявоплощениемединства предельномалого и предельнобольшого —близкодействияв микромиреи дальнодействияво всей Вселенной.

4.1 Элементарныечастицы

Элементарныечастицы играюогромную рольв общем пониманиифизическойкартины мира.Представленияоб элементарныхчастицах задаётматерию.

Историческипервыми экспериментальнообнаруженнымиэлементарнымичастицами былиэлектрон, протон,а затем нейтрон.При таком подходевещество строилосьиз протонов,нейтронов иэлектронов,а фотоны осуществляливзаимодействиемежду ними.Однако скоровыяснилось,что мир устроенгораздо сложнее.Было установлено,что каждойчастице соответствуетсвоя античастица,отличающаясяот неё лишьзнаком заряда.Для частиц снулевым зарядомантичастицасовпадает счастицей(напримерфотон). По мереразвитияэкспериментальнойядерной физикик этим частицамдобавилосьещё свыше 300 частиц!

Характеристикамисубатомныхчастиц являютсямасса, электрическийзаряд, спин,время жизни,магнитныймомент, пространственнаячётность, лептонныйзаряд, барионныйзаряд и т.д..

Лептоны

Хотя лептонымогут иметьэлектрическийзаряд, а могути не иметь, спину всех у нихравен Ѕ. Средилептонов наиболееизвестен электрон.

Другой хорошоизвестныйлептон-нейтрино.Нейтрино являютсянаиболеераспространённымичастицами воВселенной.Вселенную можнопредставитьбезбрежнымнейтриннымморем, в которомизредка встречаютсяострова в видеатомов. Но, несмотряна такую распространённостьнейтрино, изучатьих очень сложно.Как мы уже отмечали,нейтрино почтине уловимы. Неучаствуя нив сильном, нив электромагнитномвзаимодействиях,они проникаютчерез вещества,как будто еговообще нет.Нейтрино – этонекие “призраки”физическогомира.

Адроны

Разновидностейадронов околосотни. Тот факт,что адроновсуществуетсотни, наводитна мысль, чтоадроны-неэлементарныечастицы, а построеныиз более мелкихчастиц. Всеадроны встречаютсяв двух разновидностях-электрическизаряженныеи нейтральные.Наиболее известныеи широко распространённыетакие адроныкак нейтрони протон.

Существованиеи свойствабольшинстваизвестныхадронов былиустановленыв опытах наускорителях.Открытие множестваразнообразныхадронов поставилофизиков в тупик,но со временем их удалоськлассифицироватьпо спину, зарядуи массе.

4.2 Теорииэлементарныхчастиц

Квантоваямеханика позволяетописыватьдвижение элементарныхчастиц, но неих порождениеили уничтожение,т.е. применяетсялишь для описаниясистем с неизменнымчислом частиц.Обобщениеквантовоймеханики являетсяквантоваятеория ноля— это квантоваятеория системс бесконечнымчислом степенейсвободы (физическихполей), учитывающаятребованияи квантовоймеханики, итеории относительности.Потребностьв такой теориипорождаетсяквантово-волновымдуализмом,существованиемволновых свойстввсех частиц.В квантовойтеории полявзаимодействиепредставляюткак результатобмена квантамиполя, а полевыевеличины объявляютсяоператорами,которые связываютс актами рожденияи уничтоженияквантов поля,т.е. частиц.

В середине XXв. была созданатеория электромагнитноговзаимодействия— квантоваяэлектродинамика(КЭД). Это продуманнамельчайшихдеталей и оснащеннаясовершеннымматематическимаппаратомтеория взаимодействиямежду собойзаряженныхэлементарныхчастиц (преждевсего, электроновили позитронов)посредствомобмена фотонами.В КЭД для описанияэлектромагнитвзаимодействияиспользованопонятие виртуальногофотона, теорияудовлетворяетосновным принципамкак квантовойтеории так итеории относительности.

В центре теориианализ актовиспусканияили поглощенияодного фотонаодной заряженнойчастицей, атакже аннигиляцииэлектроннойпозитроннойпары в фотонили порождениефотонами такойпары.

Если в классическомописании электроныпредставляютсяв виде твердоготочечногошарика, то вКЭД окружающееэлектронаэлектромагнитноеполе рассматриваетсякак облаковиртуальныхфотонов, котороенеотступноследует заэлектроном,окружая его квантами энергии.Фотоны возникаюти исчезаюточень быстро,а электроныдвижутся впространствене по вполнеопределеннымтраекториям.Еще можно темили иным способомопределитьначальнуюконечную точкипути — до и послерассеяния, носам путь в промежуткемежду началоми концом движенияостаетсянеопределенным.

Описаниевзаимодействияс помощьючастицы-переносчикав КЭД привелок расширениюпонятия фотона.Вводятся понятияреального(кванта видимогонами света) ивиртуального(призрачного)фотона, который«видят» толькозаряженныечастицы претерпевающиерассеяние. Засоздание КЭДС. Томанага, Р.Фейнман и Дж.Швин-были удостоеныНобелевскойпремии за 1965 г.Большой вкладв становлениеКЭД был внесени нашим выдающимсяфизиком-теоретикомЛ.Д. Ландау. Послеподобноготриумфа КЭДбыла принятакак модель дляквантовогоописания трехдругих фундаментальныхвзаимодействий.Разумеется,полям, связаннымс другимивзаимодействиями,должны соответствоватьиные частицы-переносчики.

4.3 Теориякварков

Теория кварков— это теориястроения адронов.Основная идеяэтой теорииочень проста:все адроныпостроены изболее мелкихчастиц —кварков.Кварки несутдробный электрическийзаряд, которыйдоставляетлибо -1/3, либо +2/3заряда электрона.Комбинацияиз двух и трехкварков можетиметь суммарныйзаряд, равныйнулю или единице.Все кваркиимеют спин -,следовательно,относятся кфермионам.Основоположникитеории кварковГелл-Манн иЦвейг, чтобыучесть всеизвестные в60-е гг. адроныввели три сортакварков: u(от слова up),d (от down-нижний),s (от strange-странный).

Кварки могутсоединятьсядруг с другомодним из двухвозможныхспособов: либотройками, либопарами кварк– антикварк.Из трёх кварковсостоят сравнительнотяжёлые частицы– барионы; наиболееизвестныебарионы – нейтрони протон. Болеелёгкие парыкварк – антикваркобразуют частицы,получившиеназвание мезоны.Например, протонсостоит из двух“u” и одного“d” кварка(uud), а нейтрон– из двух “d”и одного “u”кварков. Чтобыэто “трио”кварков нераспадалось,необходимаудерживающаяих сила, некий“клей”.

Кварки скрепляютсямежду собойсильным взаимодействием.Переносчикисильноговзаимодействия– глюоны (цветовыезаряды). Областьфизики элементарныхчастиц, изучающаявзаимодействиекварков и глюонов,носит названиеквантовойхромодинамики.С созданиемквантовойхромодинамикипоявиласьнадежда напостроениеединой теориивсех (или хотябы трех из четырех)фундаментальныхвзаимодействий.Модели, единымобразом описывающиекак бы три изчетырех фундаментальныхвзаимодействий,называютсямоделями Великогообъединения.Теоретическиесхемы, в рамкахкоторых объединяютсявсе известныетипы взаимодействий(сильное, слабое,электромагнитноеи гравитационное)называютсямоделямисупергравитации.

В настоящеевремя большинствофизиков считаеткварки подлинноэлементарнымичастицами –точечными,неделимымии не обладающимивнутреннейструктурой.В этом отношенииони напоминаютлептоны, носходными посвоей структуресемействамидолжна существоватьглубокая взаимосвязь.Таким образом,наиболее вероятноечисло истинноэлементарныхчастиц на конецXX в. равно48. Из них: лептонов(6*2)=12 плюскварков (6*3)*2=36.

4.4 Теорияэлектрослабоговзаимодействия

В 70-е годы XXвека в естествознаниипроизошловыдающеесясобытие: двафундаментальныхвзаимодействияиз четырёхфизики объединилив одно. Картинафундаментальныхвзаимодействийнесколькоупростилась.Электромагнитноеи слабое взаимодействия,казалось бы,весьма разныепо своей природе,предстали какразновидностиединого электрослабоговзаимодействия.Теория электрослабоговзаимодействияв окончательнойформе быласоздана двумянезависимоработавшимифизиками -С.Вайнбергоми А.Саламом.Теория электрослабоговзаимодействиярешающим образомповлияла надальнейшееразвитие физикиэлементарныхчастиц в концеXX в..

Главная идеяв построенииэтой теориисостояла вописании слабоговзаимодействияна языке концепциикалибровочногополя, в соответствиис которой ключомк пониманиюприроды взаимодействийслужит симметрия.Одна из фундаментальныхидей в физикевторой половиныXX века – этоубеждение, чтовсе взаимодействиясуществуютлишь для того,чтобы поддерживатьв природе некийнабор абстрактныхсимметрий.Какое отношениеимеет симметрияк фундаментальнымвзаимодействиям?Ведь, на первыйвзгляд, утверждениео существованииподобной взаимосвязикажется весьмапарадоксальным.

Существуютразные типысимметрий:геометрические,зеркальные,негеометрические.Среди негеометрическихесть так называемыекалибровочныесимметрии.Калибровочныесимметрии носятабстрактныйхарактер иорганами чувствнепосредственноне фиксируются.Они связаныс изменениемотсчёта уровня,масштаба илизначения некоторойфизическойвеличины. Системаобладаеткалибровочнойсимметрией,если её природаостаётся неизменнойпри такого родапреобразовании.Так, например,в физике работазависит отразности высот,а не от абсолютнойвысоты; напряжение– от разностипотенциалов,а не от их абсолютныхвеличин. Симметрии,на которыхоснован пересмотрпониманияфундаментальныхвзаимодействий,именно такогорода.

Для представленияполя слабоговзаимодействиякак калибровочногопрежде всегонеобходимоустановитьточную формусоответствующейкалибровочнойсимметрии. Делов том, что симметрияслабого взаимодействиягораздо сложнее,чем электромагнитного.Ведь и сам механизмслабого взаимодействияоказываетсяболее сложным.Во-первых, прираспаде нейтрона,например, вслабом взаимодействииучаствуютчастицы покрайне меречетырёх различныхтипов (нейтрон,протон, электрон,нейтрино). Во-вторых,действие слабыхсил приводитк изменениюприроды (превращениеодних частицв другие засчёт слабоговзаимодействия).Напротив,электромагнитноевзаимодействиене изменяетприроды участвующихв нём частиц.

Почему жеэлектромагнитноеи слабое взаимодействияобладают стольнепохожимисвойствами?Теория Вайнберга– Салама объясняетэти различиянарушениемсимметрии. Еслибы симметрияне нарушалась,то оба взаимодействиябыли бы сравнимыпо величине.Нарушениесимметриивлечёт за собойрезкое уменьшениеслабого взаимодействия.

Наиболее убедительнаяэкспериментальнаяпроверка новойтеории заключаласьв подтверждениисуществованиягипотетическихW-частици Z-частиц.Их открытиев 1983г. стало возможнымтолько с созданиемочень мощныхускорителейновейшего типаи означалоторжествотеории Вайнберга– Салама. Былоокончательнодоказано, чтоэлектромагнитноеи слабое взаимодействияв действительностибыли простодвумя компонентамиединого электрослабоговзаимодействия.В 1979г. ВайнбергуС., Саламу А., ГлэшоуС. была присужденаНобелевскаяпремия за созданиетеории электрослабоговзаимодействия.

Заключение

Физики всегдастремилисьобъединитьзнания различныхявлений и свестивсе явления,взаимодействияприроды к одному.В 70—90-е гг. былоразработанонесколькоконкурирующихмежду собойтеорий Великогообъединения.Все они основанына одной и тойже идее. Еслиэлектрослабоеи сильноевзаимодействияв действительностипредставляютсобой лишь двестороны Великогоединого взаимодействия,то последнемутакже должносоответствоватькалибровочноеполе с некоторойсложной симметрией.Она должна бытьдостаточнообщей, способнойохватить всекалибровочныесимметрии,содержащиесяи в квантовойхромодинамике,и в теорииэлектрослабого взаимодействия. Отысканиетакой симметрии— _главная задачана пути созданияединой теориисильного иэлектрослабоговзаимодействия.Существуютразные подходы,порождающиеконкурирующиеварианты теорийВеликого объединения.

Тем не менее,все эти гипотетическиеварианты Великогообъединенияимеют ряд общихособенностей.Во-первых, вовсех гипотезахкварки и лептоны— носителисильного иэлектрослабоговзаимодействий— включаютсяв единую теоретическуюсхему. До сихпор они рассматривалиськак совершенноразличныеобъекты. Во-вторых,привлечениеабстрактныхкалибровочныхсимметрииприводит коткрытию новыхтипов полей,обладающихновыми свойствами,например способностьюпревращатькварки в лептоны.

В простейшемварианте теорииВеликого объединениядля превращениякварков в лептонытребуетсядвадцать четыреполя. Двенадцатьиз квантов этихполей уже известны:фотон, две W-частицы,Z-частицаи восемь глюонов.Остальныедвенадцатьквантов — новысверхтяжелыепромежуточныебозоны, объединенныеобщим названиемХ и У-частицы(обладающиецветом и электрическимзарядом). Этикванты соответствуютполям, поддерживающимболее широкуюкалибровочнуюсимметрию иперемешивающимкварки с лептонами.Следовательно,Х- и У-частицымогут превращатькварки в лептоны(и наоборот).

На основе теорийВеликого объединенияпредсказаны,по крайнеймере, две важныезакономерности,которые могутбыть провереныэкспериментально:нестабильностьпротона исуществованиямагнитныхмонополей.Экспериментальноеобнаружениераспада протонаи магнитныхмонополей моглобы стать вескимдоводом в пользутеорий Великогообъединения.На проверкуэтих предсказанийнаправленыусилия экспериментаторов.Обнаружениераспада протонабыло бы самымвеликим экспериментомXX в.! Но покаеще твердоустановленныхэкспериментальныхданных на этотсчет нет.

А о прямомэкспериментальномобнаруженииХ- и У-бозоновпока и вовсене идет. Делов том, что теорииВеликого объединенияимеют дело сэнергией частицвыше 10¹⁴ ГэВ.Это очень высокаяэнергия. Трудносказать, когдаудастся получитьчастицы стольвысоких энергийв ускорителях.Современныеускорителис трудом достигаютэнергии 100 ГэВ.И потому основнойобластью примененияпроверки теорийВеликого объединенияявляется космология,этих теорийневозможноописать раннююстадию эволюции Вселенной,когда температурапервичнойплазмы достигала10²⁷К. в такихусловиях моглирождаться ианнигилироватьсверхтяжелые бозоны Х и У.

Но объединениетрех из четырехфундаментальныхвзаимодействий— это еще неединая теорияв подлинномсмысле слова,остается ещегравитация.Теоретическиемодели, в которыхобъединяютсявсе четыревзаимодействия,называютсясупергравитацией.

лектричество

Магнетизм

Слабоевзаимодействие

Сильноевзаимодействие

Гравитация

рис.1

На рисунке №1изображенасхема процессаобъединенияфундаментальныхвзаимодействий.Идея объединенияначалась ссинтеза электричестваи магнетизмав рамках теорииМаксвелла вXIX в. Объединениеслабого иэлектромагнитноговзаимодействийполучило надежноеподтверждениев 1983г. благодаряоткрытию Wи Z-частиц.Данных, подтверждающихВеликое объединение,пока нет, но ихожидают. Числотеоретическихпредпосылокдля созданияединой теориивсех фундаментальныхвзаимодействийбыстро растет.Возможно, чтоуже в началеXXI в. величайшаязадача всейистории познанияматерии будетрешена. В определенномсмысле этоозначает конецфизическойнауки как наукио фундаментальныхоснованияхматерии.

Но не исключеныи другие вариантыразвития физикиXXI в. — срытиеновых фундаментальныхвзаимодействий,новых субкварковыхчастиц, появлениеиных трактовокединства материии др. Особеннозначимы на этомпути те необычныепредставления,которые сейчасскладываютсятам, где микромироказываетсясвязанным смегамиром,ультрамалоес ультрабольшим,физика с астрономиейи космологией.

Библиография

“Концепциисовременногоестествознания”

автор НайдышВ.М. 2000г.

2. “Концепциясовременногоестествознания”

автор РузалинГ.И. 1997г.

”Концепциисовременногоестествознания”

автор Лавриненко,Ратников. 1996г.

МинистерствообразованияРФ

ГОУ ВПО – Уральскийгосударственныйтехническийвуз

Нижнетагильскийтехнологическийинститут

Кафедраобщей физики

Реферат

тема:“Современнаяфизическаякартина мира”

Студент:Шишкин Н.И.

Группа:230-ОТСП

Проверил:Ходырев А.А

Дата:06.05.2004

Планреферата

номер страницы

Введение……………………………………………………………………………..……1

Созданиеспециальнойтеорииотносительности……………………………2-4
Созданиеи развитиеобщей теорииотносительности………………………4-5
Экспериментальнаяпроверка общейтеории относительности…………..5-6
Современноесостояниетеории гравитациии её роль вфизике………….6-7

2.1 Возникновениеи развитиеквантовойфизики……………………………....7-8

2.2 Созданиенерелятивсткойквантовоймеханики…………………………….8-9

2.3 Проблемаинтерпретацииквантовоймеханики.

Принципдополнительности…………………………….9-10

2.4 Методологическиеустановкинеклассическойфизики…………………...10-11

3.Фундаментальныефизическиевзаимодействия……………………………12

3.1 Гравитация……………………………………………………………………….....12

3.2 Электромагнетизм…………………………………………………………………13

3.3 Слабоевзаимодействие………………………………………………………….13-14

3.4 Сильноевзаимодействие…………………………………………………………14

4.1 Элементарныечастицы…………………………………………………………..15

4.2 Теории элементарныхчастиц…………………………………………………..15-16

4.3 Теориякварков…………………………………………………………………...16-17

4.4 Теорияэлектрослабоговзаимодействия………………………………………17-18

Заключение……………………………………………………………………………….18-19

Библиография………………………………………………………………………………20

Современная физическая картина мира