Концепция микромира

Концепция микромира

Исторический процесс изучения микромира



Следует отметить, что микромир нельзя рассматривать как некий уменьшенный масштаб макропроцессов, т.к. явления микромира подчиняются другим закономерностям и изменяются на основе иных принципов. Представления о строении материи являются одной из главных в научной картине мира. И уходят своими корнями в античную философию. Еще древние мыслители заметили, что окружающий их мир природы с одно стороны подвижен и изменчив, с другой стороны остается одним и тем же. Из этих соображений следовал вывод, что в основе всего окружающего мира лежит некая единая субстанция, из которой все окружающее человека и состоит. Далее каждый из мыслителей выдвигал свою основную субстанцию. Напр., по Фалесу основой основ являлась вода, Анаксимен - воздух, Гераклит - огонь, Оксенофан - земля. В 5 в. до н.э. Эпикуром и Демокритом стала развиваться мысль о том, что наша материя не является бесконечно делимой, что определенная степень деления материи приводит к первичным и далее неразделимым сущностям, которые в тоже время называли началами. Именно эти начала и составляют основу всего окружающего. Надо сказать, что такие рассуждения привели мыслителей к гениальной мысли, что эти сущности представляют собой мельчайшие частички, которые не видимы невооруженному человеческому глазу. Кроме этого, древние мыслители отметили, что существует простое пространство, и что эти мельчайшие частички находятся в движении. 



На основе этих трех положений древние мыслители создали гигантскую концепцию о строении окружающего мира. Эта концепция распространялась не только на предметы досягаемого мира, но также и на космос. Демокрит считал, что атомы имеют разнообразную форму, они различаются положением и порядком сочетания, а Эпикур, кроме того, наделил атомы свойством тяжести. Более того, они считали, что атомы движутся беспорядочно. При этом сталкиваются и отскакивают друг от друга, но при определенных условиях происходит их сцепление, при этом сцепление происходит в различных сочетаниях атома, в результате чего происходит образование различных вещей. Кроме того, считалось, что вещи гибнут, но атомы из которых состоят эти вещи - вечны. И после гибели вещи, происходит разъединение атомов, которые затем образовывали другие вещи. Примерно такая эволюция взглядов была присуща древним мыслителем. Идея что в основе вещей лежат простейшие микрочастицы, идея прерывности материи является одной из самых глубоких в естествознании. Эта концепция, по которой мир состоит из частичек, получила называние концепции атомизма. Эта идея, явившаяся поначалу гениальной догадкой, в средние века была предана забвению, это связано, прежде всего, с большим влиянием религиозного воззрения на научные идеи. Но в 17-ом веке идея получила новое развитие в Европе и использовалась в качестве гипотезы для объяснения разных физических и химических явлений. А уже в конце 19-го начале 20-го веков, после открытия молекул и атомов, получает практическое подтверждение. 



В 1860-м году Менделеев открыл зависимость свойств элементов от их атомного веса, тем самым концепция атомизма получила еще одно реальное подтверждение. Самому Менделееву не удалось до конца объяснить наблюдаемую периодичность, и в связи с этим он допустил наличие других возможных объяснений других закономерностей. И действительно позже было найдено электронное и нуклонное объяснение зависимостей. Ни молекулы, ни атомы не могут претендовать на роль первичных частиц. В конце 90-ых гг. 19-го века, при изучении распада радиоактивных веществ были получены данные свидетельствующие о делимости атомов, супруги Кюри и... А в 1897 г. английский физик Томсон открыл электрон, измерил заряд и массу. Далее Резерфорд (физик) и Содди (химик) представили радиоактивность как результат изменения внутренней структуры атомов и превращения одних химических элементов в другие. Проводя дальнейшие исследования, учёные вывели планетарную модель строения атомов. Согласно этой модели, атом состоит из ядра имеющего положительный заряд и вращающихся вокруг него по определенным орбитам отрицательно заряженных электронов. Надо сказать, что в те времена планетарная модель, предложенная Резерфордом, была подвергнута критике. С научной позиции тех времён, предложенная модель говорила о неизменность ядра, т.к. электроны при вращении забирали бы энергию ядра и в конце концов электрон бы упал на ядро. Это была главная сложность, и в начала 20-го века Нильс Бор воспользовался понятием кванта, т.е. мельчайшей порции энергии. Понятие квантов впервые ввел Макс Планк в 1900 г., он показал, что тела излучают свет не непрерывно, а определенными порциями - квантами. Воспользовавшись понятием кванта, Бор предположил, что из всех орбит допускаемый ньютоновской механикой для движения электронов осуществляются не все, а только те орбиты, величина энергии которых кратна постоянной Планка. Из этого следовало, что находясь на основных орбитах электрон не излучает свет, и стало быть не теряет энергии. Если электрон не теряет энергии, то атом существует устойчиво. Тогда как происходит излучение? Оно происходит тогда, когда электрон переходит с одного энергетического на другой, более низкий только в этом случае происходит излучение квантов света. Таким образом, используя понятие кванта, Бор существенно дополнил планетарную модель Резерфорда, с тех пор она стала называться моделью Резерфорда-Бора. Работы Бора и Планка фактически послужили основой для создания новой физической дисциплины - квантовой механики. Появление этой теории нарушило собственную логичность и целостность, так она использовала классическую механику, а с другой стороны использовались совершенно новые правила квантования. Эти правила и подходы долгое время считались искусственными, поэтому подвергались достаточно серьезной критике. После того как планетарная модель была построена, возник вопрос, можно ли объяснить строение не только водорода, но и остальных элементов. Оказалось, что эта модель имеет некоторые ограничения, поэтому модель Бора назвали полуклассчисеской. Но к 1927-му году трудами физика Дебройля, квантовая механика сформировалась как последовательная и стройная физическая теория, с ясными физическими основаниями и своим математическим аппаратом. Это позволило внести некоторые коррективы в существующие представления. Если в классической физике электрон представляется как мельчайшая частица вещества, имеющей четкую траекторию движения, то в квантовой механике электрон трактуется как частица и в тоже время как волна, а точнее как сгусток электромагнитного поля. Поэтому в атоме электроны предстают как размытое облачко, и когда мы говорили о динамических и вероятностных законах, здесь был явный переход от динамического к вероятностному, статистическому подходу к электрону. 



Элементарные частицы



Элементарными частицами называют такие частицы, которые не удается расщепить на составные части. В соответствии с этим определением атомы и молекулы не являются элементарными частицами. Термин "элементарные частицы" не следует воспринимать слишком буквально. Элементарными частицами следует считать электроны, протоны, нейтроны, фотоны и нейтрино. Нейтрино - это частица была предсказана в 1930 г. физиком Пауэлем. Она уникальна, подвержена действию только слабых сил, ее взаимодействие с веществом ничтожно, поэтому эта частичка может легко проходить сквозь землю. Античастицы отличаются от соответствующих им частиц только зарядом. Все остальные характеристики подобны им. Из этого следует, что в системе частиц и античастиц сумма зарядов равна нулю. Когда говорят о частицах, выделяют стабильные (указанные выше фотоны, нейтрино и т.п.) и нестабильные. В 1932 г. в составе космических лучей был открыт позитрон, имеющий такую же массу как электрон, но противоположный по знаку заряда. В 1936 г. были открыты частицы - мюоны, с положительным и отрицательным зарядом. По своим свойствам они похожи на электроны, но в 200 раз тяжелее. В 1947 г. в космических лучах обнаружены положительные и отрицательные частицы п-мезоны, они в 280 раз тяжелее электрона. С 1949-52 были открыты к-мезоны и гипероны - эти частицы получили название странных частиц, поскольку оказалось, что прямого отношения к образованию вещества эти частицы не имеют. 



С 1950-х гг. началась новая эра в изучении элементарных (субъядерных) частиц. Это было связано с тем, что удалось создать ускорители заряженных частиц, на которых было получено очень большое число так называемых неустойчивых частиц. Их еще назвали резонансами, т.к. у них очень малое время жизни. Открытие странных частиц внесло определенный вклад в понимание эволюции Вселенной в начальный период. Предполагается, что эти странные частицы существовали на самой ранней стадии эволюции Вселенной. 



Ускорители частиц. Они сейчас разнообразны и предназначены для разных целей. Обязательно наличие вакуума в ускорителях. Исследования на ускорителях стоят безумных денег, поэтому сначала предсказывают теоретически процессы, и только потом они проверяются на практике. Всем элементарным частицам присущи две основные черты: 

все частицы пока существуют остаются неизменными. Все частицы одного сорта остаются абсолютно одинаковыми, т.е. они неразличимы; 

все частицы могут рождаться и исчезать, эти процессы, как правило, происходят при взаимодействии частиц. При столкновении двух и более энергетических частиц могут рождаться множество новых. Теоретики при рассмотрении взаимодействия частиц исходят из закона сохранении энергии и закона сохранения импульса при прогнозировании процессов. 

Появившееся столь значительное количество элементарных частиц потребовало классификации, все частицы разбиты на 2 класса: 

Частицы, участвующие в сильных взаимодействиях, такие частицы назвали адронами. 

Частицы, не участвующие в сильных взаимодействиях - лептоны.

Количество адронов оказалось столь большим, что многие физики сделали предположение, что они имеют сложную структуру. На сегодняшний день можно предположить, что адроны состоят из кварков. Самое необычное свойство кварков заключается в том, что они существуют только внутри адронов и не наблюдаются как самостоятельно существующие частицы. Получается, что обычно частицы определяли путем взаимодействия, использования ускорительной техники, что бы можно было выделить из ядра ту или иную субъядерную составляющую, здесь процесс сложнее. Здесь теоретические модели оказались впереди теории, и теоретики поступили по-другому, они решили определить кварки по наличию самостоятельного заряда. Если нет частиц в протоне (адроне), то будет равномерное отклонение, так направили электрон на протон и электрон значительно отклонился, из этого следует, что заряд в протоне распределен неравномерно. Другой вывод сделали из закона сохранения энергии. Когда провели изменение импульса протона, движущегося с высокой скоростью, обнаружили что полный импульс кварков не равен импульса протона. Это привело к мысли о том, что помимо кварков в ядре есть еще частицы (суммарные количество энергии кварков около 50% от протона), которые не обладают зарядом. Эти частицы названы глюоны, посчитали, что именно они осуществляют взаимодействие между кварками. 



Между кварками существуют хромоэлектрические силы. Направление физики, которое их изучает, называется хромодинамикой. При удалении заряженных частиц где-то на 10 в минус 13 см. силовые линии между ними искажаются. Оказалось, что сила взаимодействия между кварками с увеличением расстояния между ними не уменьшается, а возрастает. И при расположении кварков на расстоянии порядка 1-го метра, эти хромоэлектрические силы преобразуются в тонкую так называемую глюон-нить (одна, единая связь). Если пойти дальше, то можно представить что эти частицы и нити формируют пространство, и можно предположить, что пространство многомерно. Подобные соображения легли в теорию суперструн. Понятие элементарных частиц неразрывно связано с понятием поля, следуя традициям сложившимся в физике, различают вещество и поле. Поле - это особая форма материи, которая наделена реальными физическими свойствами, такими как энергия. К наиболее известным относятся электромагнитное и гравитационное поля. В классической физике эти два вида материи - вещество и поле, противопоставляются друг другу. На том основании, что вещество это дискретное, а поле это непрерывная субстанция. В микромире полевые и корпускулярные аспекты объединяются и представляют собой различные проявления единой, принципиально новой в сущности микрочастиц. Иначе говоря, на микроуровне электромагнитное поле проявляет корпускулярные свойства и наоборот, частица, напр., электрон может проявлять волновые свойства. Макромир характеризуется, прежде всего, огромными массами и относительно малыми скоростями движения, в микромире малые массы, но высокие скорости движения. Для макромира характерны большие расстояния вплоть до бесконечности, а взаимодействие в микромире имеют размеры сопоставимые с размером ядер. Время, в макромире порядок времени, единицы измерения известны, но в микромире мы имеем дело с планковскоми временами, которые очень малы, коротки. Когда рассматривают здесь времена надо рассматривать с позиции квантовой механики. 



Фундаментальные взаимодействия



Гравитационные взаимодействия, в них участвуют все известные частицы, т.к. они обладают универсальным свойством, а именно массой, именно наличие массы позволяет изучать и фиксировать гравитационные взаимодействия. Большинство элементарных частиц имеют заряд, с которым связано электромагнитное взаимодействие, в природе существуют два типа заряда (положительный и отрицательный). Именно электромагнитные силы ответственны за стабильность атомов, они же определяют строение молекул и протекание химических реакций. Законы электромагнитизма позволили использовать их во многих изделиях, принесших пользу человечества. Для объяснения устойчивости ядер были введены так называемые ядерные силы. Эти силы обеспечивают притяжение между нуклонами. Ядерные силы гораздо более мощны, чем электромагнитные, поэтому их назвали сильными. Ядерные силы это короткодействующие силы в отличие от электромагнитных. При изучении некоторых процессов распада, для объяснения процесса превращения нуклонов ввели еще одну характеристику сил - слабые силы. Надо сказать что радиус, на которое распространяется действие сильных сил 10 в минус 13, а слабые 10 в минус 15 см. Таким образом, согласно современным представлениям, различают взаимодействия: гравитационное, электромагнитное, сильное, слабое. Поэтому все встречающиеся в природе взаимодействия являются либо проявлением одного из указанных вида взаимодействия либо их комбинацией. 



Взаимодействие частиц



Движение и взаимодействие это формы проявления свойств материи. Характерным свойством всех фундаментальных взаимодействий является то, что участвующие в них частицы могут находиться на значительных расстояниях друг от друга. В связи с этим возникает вопрос, а каким образом происходит взаимодействие частиц. Согласно современным представлениям взаимодействие передается через поле. Любая масса порождает свое поле. Электрический заряд порождает электромагнитное поле и т.д. Любая частица, которая попадает в действие поля, испытывает его воздействие. Результатом такого воздействия могут быть различные процессы. Это может быть изменение траектории частиц, изменение скорости движения, участие в образовании другой частицы. Сила воздействия на частицу является мерой интенсивности поля. Другим замечательным свойством частицы является возможность излучения. Когда говорят о поле, вводят понятие электромагнитных волн и т.д. Наиболее изученными являются гравитационные и магнитные поля, но в отличие от электромагнитных волн гравитационные волны только предсказаны теоретически, но экспериментально не обнаружены. Их не обнаружили, т.к. они слабо взаимодействуют с веществом и учёные полагают, что гравитационное поле может проявляться через квантовые свойства, т.е. длина их действия сопоставима с планковской длиной (около 10 в минус 33 см). Полагают, что время действия гравитационного поля тоже очень маленькое и составляет 10 в минус 43 секунды. Именно такие малые расстояния и короткие промежутки времени являются препятствием экспериментального подтверждения существования гравитационного поля. 



В отличие от гравитационного поля, квантовые свойства электромагнитного поля очень легко наблюдать. Поскольку хорошо известны носители этого взаимодействия, а именно фотоны. И сравнительно легко поставить эксперименты с ним. 



Гравитационное взаимодействие переносится гравитоном, полагают, что он безмассовая частица и что скорость ее движения может достигать скорости света. Слабое взаимодействие ответственно, прежде всего, за превращение одних элементарных частиц в другие, типичный пример слабого взаимодействия или превращения бета-распад нейтрона. Переносчиками слабого взаимодействия являются так называемые векторные бозоны. Есть интересный момент, масса бозонов большая (она соответствует примерно 100 массам протонов). В сильных взаимодействиях участвуют адроны, которые состоят из кварков. Переносчиками этого взаимодействия являются глюоны, без структурных частиц. Таким образом, процесс взаимодействия осуществляется путем неких частиц. 



Общепризнанной является теория электрослабого взаимодействия. Суть ее состоит в том, что в области низких энергий электромагнитное и слабое взаимодействие отделены друг от друга, а в области высоких энергий взаимодействия сливаются в одно - электрослабое. Ограниченность наших знаний в физике микромира связана с тем, что мы не может создать искусственно те условия, в которых проявились бы те или иные свойства материи, напр., создать условия для возникновения электрослабого взаимодействия.