Концепции современного естествознания Гусейханов Раджабов (стр. 18 из 104)
2. Чтобы объяснить особенности распространения света в инерциальных системах отсчета, Эйнштейн предложил свою теорию относительности. В специальной теории относительности
92
пространство и время объединены в четырехмерный континуум, т. е. событие задается четырьмя числами — тремя координатами и моментом времени. В рамках специальной теории относительности пространство и время имеют относительный характер. При скоростях инерциальной системы, близкой к скорости света, темп времени замедляется, а размеры укорачиваются.
3. На основе евклидовой геометрии была построена теория тяготения Ньютона, а неевклидовой — общая теория относительности. Общая теория относительности утверждает, что свойства пространства определяются параметрами тел, заполняющих его. Отклонение пространства от евклидовости сказывается вблизи тяготеющих масс.
4. В специальной теории относительности показана взаимосвязь пространства и времени, т. е. утверждается, что нет времени вне пространства. В общей теории относительности показана взаимосвязь пространства-времени с материей. В сильных полях тяготения не только происходит искривление пространства, но и замедляется ход времени.
Вопросы для контроля знаний
1. Что понимается под пространством и временем?
2. Приведите формулировку принципа относительности для законов механики.
3. Что нового вносит специальная теория относительности в прежний принцип относительности классической механики?
4. Почему специальная теория относительности постулирует постоянство скорости света?
5. Как изменяется характер времени в движущейся и покоящейся инерциалъных системах отсчета? Объясните, исходя из этого, парадокс близнецов.
6. Чем отличается поле тяготения от других физических полей?
7. В чем заключается единство и различие между специальной и общей теориями относительности?
8. Как была проверена правильность общей теории относительности?
9. Почему луч света искривляется вблизи тяготеющих масс?
10. Объясните, что представляет собой кривизна пространства.
11. К каким новым философским выводам приводит теория
относительности?
93
Глава 5. СТРОЕНИЕ МАТЕРИАЛЬНОГО МИРА
Границ научного познания и предсказания предвидеть невозможно.
Д. И. Менделеев
5.1. Структурное строение материального мира
В окружающем нас пространстве материя существует в форме вещества и поля. Вещество в природе находится в виде различных структур, которые определяют строение и свойства окружающего нас материального мира. Слово "строение" в данном случае отражает лестницу объектов, качественно отличающихся или характеризующихся степенью сложности.
Окружающий нас мир современная наука разделяет на три области: микромир, макромир и мегамир (рис. 5.1). Это стало возможным в результате многовекового изучения природы человеком. Микромир — это область природы, доступная человеку через посредство приборов (микроскопы, рентгеноанализ и др.). Закономерности здесь для нас непонятны, и мы экстраполируем сюда наши понятия. Макромир — это область природы, доступная нам, т. е. область наших закономерностей. Мегамир нам труднодоступен; это область крупных объектов, больших размеров и расстояний между ними. Эти закономерности мы изучаем опосредованно. В этих областях имеется следующая иерархия объектов: микромир — это вакуум, элементарные частицы, ядра, атомы, молекулы, клетки; макромир — это макротела (твердые тела, жидкости, газы, плазма), индивид, вид, популяция, сообщество, биосфера; мегамир — это планеты, звезды, галактики, Метагалактика, Вселенная.
94
5.2. Краткая характеристика микромира
На случаи наталкиваются именно те ученые, которые делают все, чтобы на них натолкнуться.
К. Тимирязев
Вакуум. По представлениям современной науки, вакуум — это отнюдь не пустота или "отсутствие всякого присутствия". Вакуум представляет собой физический объект, в котором непрерывно происходит рождение и уничтожение виртуальных частиц (материализованные порции энергии). Вакуум является динамической системой, обладающей какой-то энергией, которая все время перераспределяется между виртуальными (воображаемыми) частицами. Однако воспользоваться энергией вакуума мы не можем, так как это есть наинизшее энергетическое состояние полей. При наличии внешнего источника энергии можно реализовать возбужденные состояния полей — тогда будут наблюдаться обычные (не виртуальные) частицы. Вакуум способен порождать не только частицы, но и миры. Самопроизвольные флуктуации вакуума рождают вселенные с разным набором
95
фундаментальных постоянных. В одной из таких областей, видимо случайно, получился набор, годный для появления разумных существ. В ней мы и живем. О других вселенных мы пока ничего не знаем и можем лишь догадываться об их существовании.
Элементарные частицы. По современным представлениям, все элементарные частицы являются наименьшими "кирпичиками", из которых создан окружающий мир. Однако это не означает, что их свойства просты. Для описания поведения элементарных частиц используют наиболее сложные физические теории, представляющие синтез теории относительности и квантовой теории.
Все известные элементарные частицы подразделяются на две группы: адроны и лептоны. Предполагается, что адроны имеют составное строение: состоят из истинно элементарных частиц-кварков. И причем допускается существование шести типов кварков.
Стабильными, т. е. живущими в свободном состоянии неограниченно долго, частицами являются протон, электрон, фотон и, по-видимому, нейтрино всех типов. Время жизни протона составляет 1031 лет. Самыми короткоживущими образованиями являются резонансы — их время жизни порядка 10-23 с. В самой природе короткоживущие элементарные образования могут играть роль при самых экстремальных условиях существования вещества и поля, например: в "начальных" стадиях эволюции Вселенной, при образовании таких астрофизических объектов, как "черные дыры", в формировании сердцевины нейтронных звезд.
Объединение релятивистских и квантовых представлений, осуществленное в значительной степени еще в 30-е годы, привело к одному из наиболее выдающихся предсказаний в физике — открытию мира античастиц. Частица и соответствующая ей античастица имеют одинаковые времена жизни, одинаковые массы, их электрические заряды равны, но противоположны по знаку. Самым характерным свойством пары частица-античастица является способность аннигилировать (самоуничтожаться) при встрече с превращением в частицы другого рода. Античастицы
96
могут собираться в антивещество. Несмотря на микроскопическую симметрию между частицами и античастицами, во Вселенной не обнаружены области со сколько-нибудь заметным содержанием антивещества. Частицы и их античастицы одинаково взаимодействуют с полем тяготения, что указывает на отсутствие "антигравитации".
Ядра. Атомные ядра — это связанные системы протонов и нейтронов. Массы ядер всегда несколько меньше суммы масс свободных протонов и нейтронов, составляющих ядро. Это релятивистский эффект, определяющий энергию связи ядра. Известны ядра с зарядом, равным от одного заряда протона до 109 зарядов протона и с числом протонов и нейтронов (т. е. нуклонов) от 1 до примерно 260. Особенно устойчивыми ядрами, т. е. обладающими наибольшей энергией связи, являются ядра с числами протонов и нейтронов 2,8,20,28,50,82,126, называемых магическими. Плотность числа частиц в многонуклонных ядрах порядка 1044 нуклонов/м3, а плотность массы 1017 кг/м3. "Радиусы" ядер изменяются от2х10-15м (ядро гелия) до 7 х 10-15 м (ядро урана). Ядра имеют форму вытянутого или сплюснутого эллипсоида (или еще более сложную).
Ядро как квантовая система может находиться в различных дискретных возбужденных состояниях. В основном состояния ядра могут быть стабильными (устойчивыми) и нестабильными (радиоактивными). Время, за которое из любого макроскопического количества нестабильных ядер распадается половина, называют периодом полураспада. Периоды полураспада известных нам элементов изменяются в пределах примерно от 1018 лет до 10-10 с.
Атомы. Они состоят из плотного ядра и электронных орбит. Ядра имеют положительный электрический заряд и окружены роем отрицательно заряженных электронов. В целом атом электронейтрален. Атом есть наименьшая структурная единица химических элементов. В отличие от "плотной упаковки" ядерных частиц атомные электроны образуют весьма рыхлые и ажурные оболочки. Существуют жесткие правила "заселенности" электронами орбит вокруг ядра. Электроны, находя-
97
щиеся на самых верхних этажах "атомного дома", определяют реакционную способность атомов, т. е. их способность вступать в соединение с другими атомами. Здесь мы вступаем в область химии, и условность границ раздела между физикой и химией в данном случае очевидна. У большинства элементов атомы химически нестабильны. Атом стабилен, если его внешняя оболочка заполнена определенным числом электронов (2,8 и др.). Атомы с незаполненными внешними оболочками вступают в химические реакции, образуя связи с другими атомами.
Молекулы. Не всякие атомы способны соединяться друг с другом. Связь возможна в том случае, если совместная орбита целиком заполнена электронами. Такое образование называют молекулой. Молекула есть наименьшая структурная единица сложного химического соединения. Число возможных комбинаций атомов, определяющих число химических соединений, составляет миллионы. Качественно молекула — это определенное вещество, состоящее из одного или нескольких химических элементов, атомы которых за счет обменного химического взаимодействия объединены в частицы. Поскольку электроны в молекулах обобществлены, атомы теряют свою индивидуальность. При затрате определенной энергии устойчивая молекула может быть разложена на атомы.