<<< Титульный

<<< Назад

Далее >>>

1. ЭЛЕМЕНТАРНЫЕ (ФУНДАМЕНТАЛЬНЫЕ) ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ.

     Как известно, все известные в природе силы современная физика сводит к четырем элементарным (многие ученые придерживаются термина – фундаментальным) взаимодействиям: гравитационному, электромагнитному, сильному (или ядерному) и слабому. В той или иной степени (или с той или иной интенсивностью) они проявляются, как в нашем обычном земном мире, так и в макро- и микромире. Есть гипотезы о существовании и других типов взаимодействий. Например, можно предполагать наличие «сверхсильного» взаимодействия, связывающего кварки внутри обычных сильновзаимодействующих частиц, или наоборот «сверхслабого» взаимодействия, природу которого еще предстоит открыть.

     ГРАВИТАЦИОННОЕ ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ (или силы всемирного тяготения) играют исключительно важную роль в космических явлениях для объектов с большой массой, находящихся на больших расстояниях друг от друга. В атомных и ядерных явлениях гравитационным взаимодействием обычно пренебрегают ввиду его малости по сравнению с другими типами взаимодействий (в атоме водорода, например, гравитационное взаимодействие между электроном и протоном в 10⁴⁰ раз слабее электромагнитного!

     ЭЛЕКТРОМАГНИТНОЕ ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ обусловливает практически все известные процессы в атомной физике. Ими определяются стабильность атомов, силы сцепления, трения и т.д., а электрический заряд – вообще одна из основных характеристик элементарных частиц. До сих пор никогда не наблюдались частицы, имеющие дробное значение заряда (в единицах заряда электрона).Этого не объясняет и квантовая электродинамика – одна из наиболее совершенных теорий, созданных человеком.  Причина такого «квантования» заряда до сих пор неизвестна, и выяснение ее стало бы крупнейшим открытием. Другое важное свойство электромагнитных взаимодействий – сохранение электрического заряда. Ведь электрический заряд частиц определяет «силу» электромагнитного взаимодействия. Теория электромагнитных процессов в настоящее время уже достаточно хорошо развита, однако при высоких и сверхвысоких энергиях наблюдаются неприятные отклонения от этой теории.

     СИЛЬНОЕ ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ, проявляется, прежде всего, в  силах, связывающих протоны и нейтроны в атомных ядрах. Именно эти силы обусловливают устойчивое существование атомных ядер. Однако область явлений, в которых проявляется сильное взаимодействие, значительно шире. При столкновениях частиц высокой энергии благодаря сильному взаимодействию наблюдается «рождение» различных нестабильных частиц, распадающихся за короткое время.

     Сейчас открыто уже более 300 частиц, участвующих в сильных взаимодействиях (или, как их еще называют, адронов). Адроны в свою очередь физиками были разделены на две, отличающиеся по своим свойствам группы частиц: барионы и мезоны. 

     Сильные взаимодействия проявляются только на очень малых расстояниях (порядка 10^-13 см), и безразмерная характеристика их «силы» порядка единицы. Это означает, что при столкновениях частиц высоких энергий весьма вероятно «рождение» или испускание большого числа других адронов. При этом в сильных взаимодействиях нельзя пренебречь процессами с участием большого числа частиц, и это чрезвычайно усложняет расчеты и отчасти объясняет, почему до настоящего времени не существует удовлетворительной теории сильных взаимодействий.

     СЛАБОЕ ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ. Его величина совершенно ничтожна по сравнению с сильным и электромагнитным взаимодействием. Она составляет около 10^-14 от величины сильного, хотя и значительно больше гравитационного.

     Характерным процессом, вызываемым слабым взаимодействием, является b-распад ядра, известный еще со времени открытия радиоактивности. Впоследствии было установлено, что слабое взаимодействие универсально: в нем могут участвовать все известные частицы, и именно слабые взаимодействия вызывают распад многих нестабильных частиц. Также было обнаружено, что ряд частиц участвует только в слабых и электромагнитных процессах и не испытывает сильных взаимодействий (эти частицы были названы лептонами). Слабое взаимодействие лептонов изучено при сравнительно малых энергиях. При этом установлено, что «сила» слабого взаимодействия растет с увеличением энергии. В теории слабых взаимодействий имеются две основные нерешенные до сих пор проблемы. Во-первых, естественно думать, что должна была бы существовать частица, играющая такую же роль в слабых взаимодействиях, какую играет фотон в электромагнитном, а мезон в сильном взаимодействиях. Однако такая частица пока не обнаружена. Вторая проблема связана  с отношением m-мезона к электрону. За исключением различия в массах эти две частицы идентичны, и кажется удивительным, что они существуют как две разные элементарные частицы. Вопрос еще и в том, может ли слабое взаимодействие стать сильным при высоких энергиях, - один из фундаментальных в современной физике.

     Развитие знаний об окружающем нас мире и происходящих в нем процессах наверняка приведет к открытию новых, неизвестных пока нам, взаимодействий и новых частиц материи, возможно даже удастся обнаружить связь между различными типами взаимодействий (с точки зрения современных представлений  перечисленные выше типы элементарных взаимодействий имеют совершенно различную природу) или доказать что такой связи нет. Однако уже сейчас перед учеными накопился целый ряд вопросов, не ответив на которые двигаться дальше становится все труднее. Судя по событиям последних лет, дальнейшие исследования приведут ученых и к совершенно новым типам сил, о которых мы сейчас и не подозреваем, и к новым представлениям о пространстве и времени, и к новому глубокому пониманию человека во Вселенной.

2. ПОСТРОЕНИЕ «ФУНДАМЕНТА» КОНУСА ОТНОСИТЕЛЬНОСТИ

     ЭЙНШЕЙНОВСКАЯ ИНТЕРПРИТАЦИЯ ФИЗИКИ. Хорошо известная нам из вузовской (университетской) программы классическая физика, безусловно, достигла больших успехов в объяснении огромного количества механических, электрических, оптических и др. явлений окружающего нас мира. Тем не менее, эти объяснения оставили в стороне множество нерешенных проблем и привели к возникновению новых проблем, когда человек серьезно и планомерно занялся изучением макро- и микромира. В 1900г. еще можно было надеяться, что нерешенные проблемы смогут найти объяснение в рамках все той же классической физики, если ее как-то модернизировать и «подлатать». Ведь существовали же законы Ньютона 200-ти с лишним лет, и ничего, всех устраивали!

     Однако, к 1905г. никому еще не известный физик А.Эйнштейн нанес этим надеждам смертельный удар.

     В своей так называемой специальной теории он показал ошибочность наших интуитивных представлений о том, что пространство и время – это понятия разные и непохожие. Далее Эйнштейн показал, что какой-либо среды, подобной ньютоновскому эфиру, скорее всего не существует и, пожалуй, еще хуже, если бы эфир все же существовал, то обнаружить его было бы невозможно. Еще одно следствие специальной теории относительности Эйнштейна гласит, что отклонение заряженной частицы, движущейся в магнитном поле, - это естественное следствие закона, описывающего силы, действующие за заряженную частицу в электрическом поле. Продолжая громить классическую физику, он утверждал, что всегда можно измерить скорость движения одного тела относительно другого, но нельзя установить, какое из двух тел «истинно» покоится относительно пустого пространства. Исходя из этого фундаментального постулата, Эйнштейн сделал вывод о существовании магнитных сил просто из самого факта существования электрических сил.

     Это достижение лишний раз подчеркивает силу и красоту теории гения. Наконец, из специальной теории относительности следует, что масса и энергия взаимосвязаны. В массах покоя материальных тел сконцентрирована энергия, величина которой определяется знаменитой уже на весь мир формулой Эйнштейна, что Е=mс². Когда атом излучает свет, он теряет энергию и одновременно обязательно теряет некоторую часть своей массы. Тем самым  были поставлены под сомнение законы раздельного сохранения массы и энергии, установленные классической химией. Возник единый закон сохранения массы и энергии! Теперь уже можно было говорить либо о сохранении массы, либо о сохранении энергии, считая энергию формой массы, а массу формой энергии.

      Действительно, формула Эйнштейна показывает, что несохранение массы в обычных химических реакциях (занимающихся межмолекулярными процессами) настолько мало, что практически бывает неизмеримо. Поэтому в классической химии можно было и дальше считать, что масса и энергия сохраняются по отдельности. Однако в ядерных реакциях этого сделать уже было нельзя, т.к. здесь возможно значительное несохранение массы покоя и, как следствие этого, чрезвычайно большое несохранение кинетической энергии. Открытие Эйнштейна возвестило миру о начале эры ядерной энергии и атомных бомб.

     ИСТОКИ КВАНТОВОЙ ТЕОРИИ. В 1905г. Эйнштейн нанес еще один сильнейший удар по классической физике. В своей работе по фотоэффекту он показал, что свет, который классическая физика считает электромагнитными волнами, в действительности обладает некоторыми свойствами частиц. Так родился знакомый нам фотоэффект, обусловленный тем, что металлическая пластинка, на которую падает свет, начинает испускать электроны. Эйнштейн и другие ученые показали, что фотоэффект и связанные с ним явления можно объяснить, если допустить, что энергия и импульс света сконцентрированы в отдельных порциях – квантах, или  фотонах (как больше нравиться?).

     Говоря, что свет обладает некоторыми свойствами частиц, или корпускулярными свойствами, мы имели в виду, что при взаимодействии света с электронами, последние отскакивают в точности так, как будто он столкнулся с «частицей» света с энергией Е=h¦ и импульсом р= h¦/с= h/l (где h-постоянная Планка, ¦ и l -частота, и длина волны света). Вообще говоря, в теории, которая приписывает свету корпускулярные свойства, нет ничего особенно плохого. Главная трудность возникает из-за того, что один и тот же объект – свет, в одних условиях ведет себя как волна, а в других – как поток частиц. По этому поводу основоположник квантовой физики Эрвин Шредингер в 1935г. описал интересный «мысленный» эксперимент (объясняя сущность явления). Допустим, - говорил Шредингер, - в закрытом ящике находится кошка. Там же есть счетчик Гейгера, подсоединенный у нему баллончик с ядовитым газом и радиоактивная частица. Если частица проявит себя как корпускула, счетчик радиоактивности сработает, включит баллончик с газом, и кошка погибнет.

     Если же частица поведет себя как волна, счетчик не среагирует, и животное останется в живых. Законы квантовой физики, как ни странно, диктуют, что кошка и жива, и мертва одновременно с вероятностью 1:1 !!! Иными словами, независимо от того, можно ли в принципе наглядно описать  сложные корпускулярно-волновые явления теми средствами, которые имеются в нашем распоряжении, т.е. в терминах макроскопических понятий, доступных нашему восприятию, у нас есть в настоящее время математически последовательная теория, названная КВАНТОВОЙ ЭЛЕКТРОДИНАМИКОЙ, которая правильно предсказывает, что в одних опытах свет проявляет волновые, а в других – корпускулярные свойства.

     Эта теория, подобно специальной теории относительности Эйнштейна, содержит фундаментальный пересмотр классической точки зрения на такие понятия, как размер частицы, энергия, импульс и т.д. Этот пересмотр сродни той ревизии классических взглядов, которая была произведена в несколько более простой с точки зрения общих принципов (но все же совершенно непонятной с классической точки зрения) современной теории движения частиц, известной под названием КВАНТОВОЙ МЕХАНИКИ. И последнее, что бы здесь хотелось еще отметить. В рамках чисто корпускулярной модели света интерференция, естественно, немыслима. Но, необходимость вывести такие свойства фотона, как энергия и импульс, из его волновых характеристик (частоты и длины волны), делает двойственную, корпускулярно-волновую интерпретацию света еще более загадочной.

     ИСТОКИ ВОЛНОВОЙ (КВАНТОВОЙ) МЕХАНИКИ. Последний удар по классической физике был нанесен в 1924г., когда экспериментально подтверждена гипотеза де Бройля, согласно которой пучки частиц (электронов, протонов или атомов водорода) обладают волновыми свойствами. В частности, интерференцию пучков этих частиц удалось продемонстрировать столь же недвусмысленно, сколь это делалось в классической физике с пучками света 100 с лишним лет назад.

Аналогия между светом и частицами оказалась почти полной. Длина волны, отвечающая частице, определяется формулой де Бройля l=h/р (где р - импульс частицы). Эта формула внешне полностью совпадает с формулой для импульса фотона. Аналогично, частота, сопоставляемая частице, определяется формулой Планка ¦=Е/h, где Е – полная энергия частицы, т.е. энергия, определяемая специальной теорией относительности и включающая как энергию покоя (связанную с массой покоя), так и кинетическую энергию частицы. В данном случае частота ¦ не имеет прямого физического смысла и ее нельзя измерить. В то же время длина волны l имеет вполне определенный смысл и может быть измерена, если ее величина не слишком мала. Оказалось, что если в предложенной Бором  модели атома водорода электрон представить себе в виде волны, а не частицы, то можно точно вычислить радиусы боровских орбит, постулировав, что длины окружности этих орбит должны быть точно равны целому числу электронных длин волн.

   В действительности вся современная квантовая механика базируется на уравнении Шредингера (впервые написанного в 1926г.) и следствиях из него. Использование этого уравнения позволяет без каких-либо дополнительных постулатов, подобных упомянутому выше и приводящему к абсолютно правильным значениям радиусов боровских орбит, определить (не только качественно, но и количественно) практически все свойства микромира. Успехи квантовой механики сегодня столь велики, что ее справедливость серьезными учеными уже давно не подвергается никакому сомнению. Один пример, квантовая механика предсказывает правильные значения частот в спектрах излучения атомов (для классической физики это было совершенно неразрешимой задачей) с точностью, лучшей, чем до одной миллионной. Однако, это не значит, что квантовая механика, как и теория относительности не должны развиваться и какие-то понятия не могут быть со временем пересмотрены. 

2.      КОНУС ОТНОСИТЕЛЬНОСТИ.

     Подведем итоги всего вышесказанного. Классическая физика объяснила (во многих случаях блестяще!) обширную область наблюдаемых нами явлений, оставив при этом много нерешенных проблем (просто ее инструментами эти вопросы не решаются). Современная, как мы сейчас говорим, физика, зародившаяся в 1900 году, нашла выход из многих проблем, служивших камнем преткновения классической физики. Однако при этом она также оставила огромную часть задач нерешенными. Современная физика отнюдь не опровергает классической физики, а лишь показывает, что последняя справедлива в своей, строго ограниченной области и только для определенного круга (масштаба) явлений.

     Естественно, что она начинает давать сбои, вне области своей применимости.

     Для скоростей, с которыми мы обычно сталкиваемся на Земле, классическая механика Ньютона предельно точна.

     Не можем же мы так взять и огульно отказаться от классической термодинамики и молекулярной физики, гидроаэромеханики, теории электричества, магнетизма и волновых процессов, т.е. от тех многолетне проверенных инструментов познания мира, которыми мы до сих пор пользовались (и, причем успешно!). А как же быть с физической химией и химической физикой, да и с химией вообще? С другими отраслями знаний, где без этих инструментов не обойтись?

     Здесь может быть принято только одно «соломоново» решение: четко определить область применимости на сегодня классической физики  и перестать ее терроризировать и наносить по ней непродуманные удары. Пусть это будет с учетом быстро развивающейся науки в современном мире уже небольшая и ограниченная область (А). Здесь только нельзя забывать, что это область является базовой для всего будущего развития науки познания мира (никогда нельзя забывать об «основании» на котором мы стоим!).

     Продолжая мысль, можно отметить, что при скоростях, приближающихся к скорости света, т.е.  предельной скорости, с которой, согласно Эйнштейну, может двигаться тело или распространяться сигнал, следует пользоваться предложенной Эйнштейном модификацией классической механики. И у нее, естественно, тоже должна быть определена область применимости, причем открытая для дополнений, уточнений, и даже надстройки более общей – «новейшей механики» или «новейшей физики макромира» вообще. Обозначим эта область как (В). Согласитесь, что если скорости тел малы в сравнении с 3х10¹⁰ см/с, то нет и смысла «залезать» в эту область.

     Аналогично можно сказать, что квантовая механика нужна для описания частиц атомных размеров (около 10^-8 см) и масс (около 10^-24 г), т.е. она нужна для атомной и ядерной физики. И это уже неоспоримый факт. Между тем, для тел привычных размеров и масс (область А) величины, входящие, например, в принцип неопределенности Гейзенберга, не играют абсолютно никакой роли. Иначе говоря, многие принципы и положения, которые можно игнорировать в области (А), приобретают важнейшую роль в атомной и ядерной физике и наоборот. Значит и для квантовой механики должна быть определена область применимости, естественно с учетом трансформации ее в «новейшую квантовую механику» или «новейшую физику микромира». Обозначим эту область как (С).

Теперь, видимо, все это можно попытаться изобразить графически. 

     Естественно, что все три области А,В и С со временем должны породить «новейшую физику». И ничего нет в том страшного, если она будет состоять их трех взаимосвязанных, но самостоятельных частей. Мы постоянно говорим, что мир един и поэтому должен подчиняться каким-то еще неоткрытым единым законам. А, почему бы, не предположить, с той же вероятностью претензий на истинность, что мир естественно един, но вот описывается–то он разными законами исходя из масштабности явлений. Но тут скептики могут возразить, что разве не используется теория относительности как в макромире, так и в микромире? Или не квантовой ли теорией мы описываем многие процессы физики звезд? Но ведь это и хорошо на самом деле, т.к. еще раз подтверждает общность нарождающейся «новейшей физики» и наличие, у обоих направлений единого «основания» - классической физики. По этой причине и названа была эта схема «КОНУСОМ ОТНОСИТЕЛЬНОСТИ». На самом деле, то, что может быть с успехом использовано как в области В, так и в области С (а, с учетом колоссальных темпов развития современной мировой науки это должно быть абсолютно закономерно) базовая зона А должна постоянно надстраиваться (и так до бесконечности!).

3.      НЕРЕШЕННЫЕ ПРОБЛЕМЫ.

     Нерешенные проблемы современной физики, перенесенные учеными на начало ХХI века, подобно проблемам 1900г. (и, весьма вероятно, подобно таким же проблемам будущего), можно отнести к двум группам:

-         Существует ряд фактов, к которым современная физика кажется применимой, но, тем не менее, она дает неверные количественные предсказания. Физики шутят, что факты «штука» очень упрямая и зачастую никак не желающая подчиняться специально для нее разработанной красивейшей теории.

-         Существуют другие факты, по поводу которых современная физика вообще не дает никаких предсказаний, поскольку она кажется к ним неприменимой.

     Однако существует не только две группы нерешенных проблем, но и двоякое отношение физиков к не решенным в данный момент вопросам. Некоторые физики (и их не всегда бывает большинство) считают, что на все вопросы, кажущиеся разумными, в конце концов, будут найдены ответы. Другие полагают, что некоторые факты не имеют иного объяснения, кроме прихоти всемогущего Творца. Так, совсем в недалеком прошлом, многие физики, и особенно Эддингтон, были убеждены, что они могут, исходя из чисто математических соображений, предсказать точное число электронов во Вселенной. Значение этого числа, согласно Эддингтону, равно 136х2²⁵⁶. («Я считаю, - писал Эддингтон, - что во Вселенной существует 15 747 724 136 275 002 577 605 653  961 181 555 468 044 717 914 527 116 709 366 231 425 076 185 631 031 296 протонов и столько же электронов»). Однако в данный момент практически все физики полагают, что полную массу Вселенной предсказать нельзя (со всеми вытекающими отсюда последствиями!), т.е. она вообще представляет собой каприз Создателя.  Или еще три фундаментальных для современной физики вопроса:  

·        Существуют ли гравитационные волны, подобные электромагнитным       волнам? Этого никто не знает, хотя такие волны были теоретически   предсказаны.

·        Могут ли гравитационные эффекты распространяться со скоростью, большей скорости света? Теория Эйнштейна утверждает, что этого не может быть, но ни одного доказательства невозможности распространения  гравитационных эффектов с бесконечными скоростями пока не имеется.

·        А это порождает, естественно, третий вопрос о природе самой скорости света.

     На эти, и еще на тысячи других вопросов надо будет отвечать. Однако в этом и состоит прелесть «новейшей физики» (которая, видимо, должна будет быть одновременно и физикой высоких энергий), что она опишет неведомый нам пока мир, лежащий за пределами обычных представлений о физических, химических и биологических процессах во Вселенной. 

<<< Титульный

<<< Назад

Далее >>>