Физический взгляд на мир 42
Скачать 1.73 Mb.
|
| КОНЦЕПЦИЯ АТОМИЗМА. ДИСКРЕТНОСТЬ И НЕПРЕРЫВНОСТЬ МАТЕРИИ С античных времен обсуждались две противоположные гипотезы строения материальных тел. Одну из них предложил древнегреческий мыслитель Аристотель (IV в. до н.э.). Она заключалась в том, что вещество делится на более мелкие частицы, и нет предела его делимости. По существу, эта гипотеза означает непрерывность вещества. Другая гипотеза выдвинута древнегреческим философом Левкиппом (V в. до н.э.), развита его учеником Демокритом, а затем его последователем философом-материалистом Эпикуром (341–270 до н.э.). В ней предполагалось, что вещество состоит из мельчайших частиц – атомов. Это и есть концепция атомизма – концепция дискретного квантового строения материи. До Демокриту, в природе существуют только атомы и пустота. Атомы – неделимые, вечные, неразрушимые элементы материи. Реальность существования атомов вплоть до конца XIX в. подвергалась сомнению. В то время объяснения многих результатов химических реакций не нуждались в понятии атома. Для них, как и для количественного описания движения молекул, вводилось другое понятие – молекула. Существование молекул экспериментально доказано французским физиком Жаном Перреном (1870-1942) при наблюдении броуновского движения. Молекула – наименьшая частица вещества, обладающая его основными химическими свойствами и состоящая из атомов, соединенных между собой химическими связями. Число атомов в молекуле – от двух (Н2, O2, KCl и др.) до сотен, тысяч и миллионов (витамины, гормоны, белки, нуклеиновые кислоты). Неделимость атома как составной части молекулы долгое время не вызывала сомнений. Однако к началу XX в. физические опыты показали, что атомы состоят из более мелких частиц. Так, в 1897 г. английский физик Д. Томсон (1856-1940) открыл электрон – составную часть атома. В следующем году он определил отношение его заряда к массе, а в 1903 г. предложил одну из первых моделей атома. Атомы химических элементов по сравнению с наблюдаемыми телами очень малы: их размер – от 10-10 до 10-9 м, а масса – 10-27 – 10-25 кг. Они имеют сложную структуру и состоят из ядер и электронов. В результате дальнейших исследований выяснилось, что ядра атомов состоят из протонов и нейтронов, т.е. имеют дискретное строение. Это означает, что концепция атомизма для ядер характеризует структуру материи на ее нуклонном уровне. В настоящее время принято считать, что не только вещество, но и другие виды материи – физическое поле и физический вакуум – имеют дискретную структуру. Даже пространство и время, согласно квантовой теории поля, в сверхмалых масштабах образуют хаотически меняющуюся пространственно-временную среду с ячейками размером 10-35 м и временем 10-43 с. Квантовые ячейки настолько малы, что их можно не учитывать при описании свойств атомов, нуклонов и т.п., считая пространство и время непрерывными. Основной вид материи – вещество, находящееся в твердом и жидком состояниях, - воспринимается обычно как непрерывная, сплошная среда. Для анализа и описания свойств такого вещества в большинстве случаев учитывается только его непрерывность. Однако то же вещество при объяснении тепловых явлений, химических связей, электромагнитного излучения и т.п. рассматривается как дискретная среда, состоящая из взаимодействующих между собой атомов и молекул. Дискретность и непрерывность присущи и для другого вида материи – физического поля. Гравитационное, электрическое, магнитное и другие поля при решении многих физических задач принято считать непрерывными. Однако в квантовой теории поля предполагается, что физические поля дискретны. Для одних и тех же видов материи характерна и непрерывность, и дискретность, Для классического описания природных явлений и свойств материальных объектов достаточно учитывать непрерывные свойства материи, а для характеристики различных микропроцессов – ее дискретные свойства. Непрерывность и дискретность – необъемлемые свойства материи. ФУНДАМЕНТАЛЬНЫЕ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ Виды фундаментальных взаимодействий Взаимодействие материальных объектов, т.е. их взаимное действие друг на друга – основная причина движения материи. Поэтому взаимодействие, как и движение, универсально, т.е. присуще всем материальным объектам вне зависимости от их природы происхождения и системной организации. Взаимодействующие объекты обмениваются энергией и импульсом – основными характеристиками их движения. В классической физике взаимодействие определяется силой, с которой один материальный объект действует на другой. Постоянно мы сталкиваемся с силой трения, упругости. Живем в поле силы тяжести, магнитном поле Земли, электромагнитных полях естественного и искусственного происхождения. Все эти и многие другие силы определяются тем или иным видом взаимодействий. И, несмотря на кажущееся множество сил в природе, до сих пор обнаружено лишь четыре вида фундаментальных взаимодействий. Фундаментальные взаимодействия связаны с разными источниками и существенны на разных расстояниях от источника (см. Таблицу). Радиус влияния дальнодействующих взаимодействий охватывает всю Вселенную, короткодействующие взаимодействия заметны лишь в пределах атомного ядра. Но и те, и другие определяют существование нашего мира. Долгое время считалось, что взаимодействие материальных объектов, находящихся даже на большом расстоянии друг от друга, осуществляется непосредственно через пустое пространство, не принимающее участие в передаче взаимодействия. При этом передача взаимодействия происходит мгновенно. Это предположение составляет сущность концепции дальнодействия, составлявшую основу классической физики до конца XIX в. К настоящему времени экспериментально подтверждена другая концепция – концепция близкодействия: взаимодействие передается посредством физических полей с конечной скоростью, не превышающей скорости света в вакууме. Эта, по существу, полевая концепция в квантовой теории поля дополняется утверждением: при любом взаимодействии происходит обмен особыми частицами – квантами поля. Как показали физические исследования, все взаимодействия можно свести лишь к четырем видам фундаментальных взаимодействий: гравитационному, электромагнитному, сильному и слабому, которые определяют структуру мира. Гравитационное взаимодействие проявляется во взаимном притяжении любых материальных объектов, имеющих массу. Оно передается посредством гравитационного поля и определяется фундаментальным законом природы – законом всемирного тяготения, сформулированным И. Ньютоном. Законом всемирного тяготения описываются падение материальных тел в поле Земли, движение планет Солнечной системы и т.п. В соответствии с квантовой теорией поля переносчиками гравитационного взаимодействия являются гравитоны – частицы с нулевой массой, кванты гравитационного поля. Электромагнитное взаимодействие обусловлено электрическими зарядами и передается посредством электрического и магнитного полей. Электрическое поле возникает при наличии электрических зарядов, а магнитное – при их движении. Изменяющееся магнитное поле порождает переменное электрическое поле, которое, в свою очередь, является источником переменного магнитного поля. Благодаря электромагнитному взаимодействию существуют атомы и молекулы, происходят химические превращения вещества. Различные агрегатные состояния вещества, трение, упругость и т.п. определяются силами межмолекулярного взаимодействия, электромагнитными по своей природе. Электромагнитное взаимодействие описывается фундаментальными законами электростатики и электродинамики: законом Кулона, законом Ампера и др., и в обобщенном виде – электромагнитной теорией Максвелла, связывающей электрическое и магнитное и поля. Согласно квантовой электродинамике, переносчиками электромагнитного взаимодействия являются фотоны – кванты электромагнитного поля с нулевой массой. Во многих случаях они регистрируются приборами в виде электромагнитной волны разной длины. Сильное взаимодействие обеспечивает связь нуклонов в ядре. Оно определяется ядерными силами, обладающими зарядовой независимостью, короткодействием, насыщением и другими свойствами. Сильное взаимодействие отвечает за стабильность атомных ядер. Чем сильнее взаимодействие нуклонов в ядре, тем стабильнее ядро, тем больше его удельная энергия связи. С увеличением числа нуклонов в ядре и, следовательно, размера ядра удельная энергия связи уменьшается, и ядро может распадаться, что и происходит с ядрами элементов, находящихся в конце таблицы Менделеева. Предполагается, что сильное взаимодействие передается глюонами – частицами, «склеивающими» кварки, входящие в состав протонов, нейтронов и других частиц. В слабом взаимодействии участвуют все элементарные частицы, кроме фотона. Оно обусловливает большинство распадов элементарных частиц, взаимодействие нейтрино с веществом и другие процессы. Слабое взаимодействие проявляется главным образом в процессах бета-распада атомных ядер многих изотопов, свободных нейтронов и т.д. Принято считать, что переносчиками слабого взаимодействия являются вионы – частицы с массой, примерно в 100 раз большей массы протонов и нейтронов. Вионы обнаружены в 1983 г. Для количественной характеристики фундаментальных взаимодействий обычно используют безразмерную константу взаимодействия, определяющую величину взаимодействия, и радиус действия. Таблица
Из таблицы видно, что гравитационное взаимодействие гораздо слабее других фундаментальных взаимодействий. Радиус действия его неограничен. Оно не играет существенной роли в микропроцессах и в то же время является доминирующим для материальных объектов с большими массами (планет, звезд, галактик и т.п.). Электромагнитное взаимодействие гораздо сильнее гравитационного, хотя его радиус действия также неограничен. Для этих взаимодействий характерно дальнодействие. Для сильного и слабого взаимодействия характерно короткодействие. Сильное взаимодействие проявляется только в пределах размеров ядра (10-15 м), а слабое – на гораздо меньшем расстоянии – 10-18 м. В результате экспериментальных исследований взаимодействий элементарных частиц в 1983 г. было обнаружено, что при больших энергиях столкновения протонов – около 100 ГэВ (1 ГэВ = 109 эВ) – слабое и электромагнитное взаимодействия не различаются – их можно рассматривать как единое слабое взаимодействие. Такое объединение фундаментальных взаимодействий – электромагнитного и слабого – было теоретически предсказано в 60–70-х годах ХХ в. американскими физиками С. Вайнбергом (1935–1996) и Ш. Глэшоу (р. 1932) и пакистанским физиком А. Саламом (р. 1926), удостоенными Нобелевской премии по физике 1979 г. Одна из главных задач современной физики – создать общую теорию поля и физических взаимоотношений. Единая теория фундаментальных взаимодействий обеспечит концептуальное обобщение знаний об окружающем мире. Но действительное развитие науки далеко не всегда совпадает с планируемым... Структурная организация материи. Важнейшее свойство материи – ее структурная и системная организация, которая выражает упорядоченность существования материи в виде огромного разнообразия материальных объектов различных масштабов и уровней, связанных между собой единой системой иерархии. Непосредственно наблюдаемые нами тела состоят из молекул, молекулы – из атомов, атомы – из ядер и электронов, атомные ядра – из нуклонов, нуклоны – из кварков. Сегодня принято считать, что электроны и гипотетические частицы кварки не содержат более мелких частиц. С биологической точки зрения самая крупная живая система – биосфера – состоит из биоценозов, содержащих множество популяций живых организмов различных видов, а популяции образуют отдельные особи, живой организм которых состоит из клеток со сложной структурой, включающих ядро, мембрану и другие составные части. В современном естествознании множество материальных систем принято условно делить на микромир, макромир и мегамир. К микромиру относятся молекулы, атомы и элементарные частицы. Материальные объекты, состоящие из огромного числа атомов и молекул, образуют макромир. Самую крупную систему материальных объектов составляет мегамир – мир планет, звезд, галактик и Вселенной. Материальные системы микро-, макро- и мегамира различаются между собой размерами, характером доминирующих процессов и законами, которым они подчиняются. Пространственные масштабы и размеры (в метрах с точностью до одного порядка чисел) некоторых материальных объектов представлены ниже: Радиус космологического горизонта или наблюдаемой Вселенной . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1026 Диаметр нашей Галактики . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1021 Расстояние от Земли до Солнца . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . 1011 Диаметр Солнца . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 109 Размеры человека . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 100 Длина волны видимого света . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10-6–10-7 Размер вирусов . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10-6–10-8 Диаметр атома водорода . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10-10 Диаметр атомного ядра . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10-15 Минимальное расстояние, доступное современным средствам измерений . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10-18 Отношение самого большого размера к самому малому, составляющее сегодня 44 порядка, возрастало, и будет возрастать по мере накопления естественнонаучных знаний об окружающем мире. |
Похожие:
 | I. физический взгляд на мир (продолжение) квантовые представления... Это мир предельно малых, непосредственно ненаблюдаемых микрообъектов, размеры которых составляют от 10-8 до 10-16 см, а время их... |  | Н. В. Голдобиной Школы, как и люди: у каждой своё лицо, свой взгляд... С первых минут жизни человек попадает в большой и удивительный мир, в котором предстоит разобраться, что-то познать и постичь. Школа... |
| Реферат по предмету Информатика на тему: цифровые матрицы в фотокамерах Например: от объектива, качества электроники, размера матрицы и т д. Но, на мой взгляд, самым важным фактором, который влияет на... | | Реферат по предмету Информатика на тему: цифровые матрицы в фотокамерах Например: от объектива, качества электроники, размера матрицы и т д. Но, на мой взгляд, самым важным фактором, который влияет на... |
| Каждая выставка – это взгляд на мир человека, подготовившего ее В ряду различных форм рекламы книги, популяризации книжного фонда, выставки занимают особое место | | Шаблон рабочей программы дисциплины Общий физический практикум Лекторы Общий Физический Практикум является неотъемлемой частью курса "Общая Физика". Основные разделы: механика; молекулярная физика; электродинамика;... |
| Конспект урока по теме: «Изображение Отечественной войны 1812 года... «Изображение Отечественной войны 1812 года в романе Л. Н. Толстого «Война и мир». Взгляд Толстого на историю» | | Программа по формированию навыков безопасного поведения на дорогах... Уметь анализировать язык разных видов искусства: литературы, живописи и музыки, обнаружить поэтический взгляд на мир в прозаическом... |
| Я улыбнулась и потянулась. Ммм, утро. Пора вставать. Интересно, а что это за шум? Дрожащей рукой я провела по украшениям и, не в силах что-либо сказать, подняла на родителей увлажнившийся взгляд взгляд не может... | | Программа по формированию навыков безопасного поведения на дорогах... Учитель географии. Наш мир устроен очень гармонично. Все в нем взаимосвязано. Сегодня мы попробуем объединить два таких разных, на... |
| План Введение. Как зарождалась культура Руси Письменность, грамотность, школы Летописи В понятие культуры входит, естественно, все, что создано умом, талантом, рукоделием народа, все, что выражает его духовную сущность,... | | Программа индивидуального развития ребёнка Счастливый человек оптимистично, открыто, уверенно смотрит на мир; принимает его с радостью. Он любит свою семью, и многое делает... |
| Темы Вашего учебного проекта На наш взгляд в настоящее время эти вопросы являются более актуальными не только для социологов, но и для общественности. Более точное... | | Программа окружающий мир плешаков «мир вокруг нас» Учебный курс «Окружающий мир» («Мир вокруг нас») преподается в 1—4 классах четырехлетней начальной школы |
| «Путешествие в мир природы и мир поэзии» Анализ темы Целью данного урока является формирование у учащихся средствами литературы способности понимать себя и окружающий мир | | Программа по формированию навыков безопасного поведения на дорогах... Необходимо вникнуть в душевный мир ребенка, понять его способ мышления, его взгляд на вещи. Этот процесс сложен и индивидуален. Здесь... |
