Предмет КСЕ. Основная терминология.

Предмет КСЕ. Основная терминология.

Задачи курса КСЕ:

1 – Выявить скрытые связи, которые создают органическое единство физических, химических и биологических явлений.

2 – Глубже и точнее понять сами эти явления, в известной степени, по-новому освоить физику, химию и биологию.

Цель курса КСЕ:

Формирование у студентов научного мировоззрения, повышение общего кругозора и культуры мышления.

Предмет естествознания:

- различные формы движения материи в природе;

- лестница последовательных уровней организации материи и их взаимосвязи;

- основные формы всякого бытия – пространство и время;

- закономерная связь явлений природы, как общего, так и специфического характера.

Цели естествознания:

- находить сущность явлений природы, их законы и на этой основе предвидеть или создавать новые явления;

- раскрывать возможности использования на практике познанных законов природы.

Можно сказать, что у естествознания есть ближайшая, или непосредственная, цель – это познание законов природы, а значит, и истины, и конечная цель – содействовать практическому использованию этих законов. Таким образом, цели естествознания совпадают с целями самой человеческой деятельности.

Основные понятия КСЕ

Естествознание — совокупность наук о природе.

Наука — сфера человеческой деятельности, функция которой состоит в выработке и систематизации объективных знаний о действительности.

Непосредственная цель науки — описание, объяснение и предсказание процессов и явлений действительности, составляющих предмет ее изучения на основе открываемых ею законов.

Концепция — определенный способ понимания, трактовка каких-либо явлений, основная точка зрения.

Парадигма (от греч. paradeigma — пример, образец) — строго научная теория, господствующая в течение определенного исторического периода в научном обществе. Это модель постановки проблем, методов их исследования и решения.

Мировоззрение — система обобщенных взглядов на объективный мир и место человека в нем, на отношение человека к окружающей действительности и самому себе.

Стадии развития естествознания

1. Синкретическая стадия.

На этой стадии сформировались общие, нерасчленённые, недетализированные представления об окружающем мире как о чём-то целом, появилась так называемая натурфилософия (философия Природы), превратившаяся во всеобщее вместилище идей и догадок, ставших к XIII-XV столетиям начатками естественных наук.

2. Аналитическая стадия.

Она последовала с XV-XVI веков – мысленное расчленение и выделение частностей, приведшее к возникновению и развитию физики, химии и биологии, а также целого ряда других, более частных, естественных наук (наряду с издавна существовавшей астрономией).

3. Синтетическая стадия.

Наступила позднее, уже ближе к нашему времени, когда постепенно стало происходить воссоздание целостной картины Природы на основе ранее познанных частностей.

4. Интегрально-дифференциальная стадия.

Наконец, в настоящее время пришла пора не только обосновать принципиальную целостность (интегральность) всего естествознания, но и ответить на вопрос: почему именно физика, химия и биология (а также психология) стали основными и как бы самостоятельными разделами науки о Природе, т.е. начинает осуществляться необходимая заключительная интегрально-дифференциальная стадия. Поэтому естествознание как действительно единая наука о Природе рождается фактически только теперь. Лишь на данной заключительной стадии можно на самом деле рассматривать Природу (Вселенную, Жизнь и Разум) как единый многогранный объект естествознания.

Однако все эти четыре стадии исследования Природы, по существу, представляют собой звенья одной цепи.

Характерные черты науки

Наука – сфера человеческой деятельности, функция которой состоит в выработке и систематизации объективных знаний о действительности.

Специфические черты науки:

1. Наука УНИВЕРСАЛЬНА — в том смысле, что она сообщает знания, истинные для всего универсума при тех условиях, при которых они добыты человеком.

2. Наука ФРАГМЕНТАРНА — в том смысле, что изучает не бытие в целом, а различные фрагменты реальности или ее параметры, а сама делится на отдельные дисциплины.

3. Наука ОБЩЕЗНАЧИМА — в том смысле, что получаемые ею знания пригодны для всех людей, и ее язык — однозначный, поскольку наука стремится как можно более четко фиксировать свои термины, что способствует объединению людей, живущих в самых разных уголках планеты.

4. Наука ОБЕЗЛИЧЕННА — в том смысле, что ни индивидуальные особенности ученого, ни его национальность или место проживания никак не представлены в конечных результатах научного

познания.

5. Наука СИСТЕМАТИЧНА — в том смысле, что она имеет определенную структуру, а не является бессвязным набором частей.

6. Наука НЕЗАВЕРШЁННА — в том смысле, что хотя научное знание безгранично растет, оно все-таки не может достичь абсолютной истины, после которой уже нечего будет исследовать.

7. Наука ПРЕЕМСТВЕННА — в том смысле, что новые знания

определенным образом и по определенным правилам соотносятся со старыми знаниями.

8. Наука КРИТИЧНА — в том смысле, что всегда готова поставить под сомнение и пересмотреть свои даже самые основополагающие результаты.

9. Наука ДОСТОВЕРНА — в том смысле, что ее выводы требуют, допускают и проходят проверку по определенным, сформулированным в ней правилам.

10. Наука ВНЕМОРАЛЬНА — в том смысле, что научные истины нейтральны в морально-этическом плане, а нравственные оценки могут относиться либо к деятельности по получению знания (этика ученого требует от него интеллектуальной честности и мужества в процессе поиска истины), либо к деятельности по его применению.

11. Наука РАЦИОНАЛЬНА — в том смысле, что получает знания на основе рациональных процедур и законов логики и доходит до формулирования теорий и их положений, выходящих за рамки эмпирического уровня.

12. Наука ЧУВСТВЕННА — в том смысле, что ее результаты требуют эмпирической проверки с использованием восприятия, и только после этого признаются достоверными.

Эти свойства науки образуют шесть диалектических пар, соотносящихся друг с другом: универсальность — фрагментарность, общезначимость — обезличенность, систематичность — незавершенность, преемственность — критичность, достоверность — внеморальность, рациональность — чувственность.

Методы научного познания

Метод - систематизированная совокупность шагов, действий, которые необходимо предпринять, чтобы решить определённую задачу или достичь определённой цели.

Классификация научных методов:

Эмипирические методы

Основой эмпирических методов являются чувственное познание (ощущение, восприятие, представление) и данные приборов. К числу этих методов относятся:

наблюдение — целенаправленное восприятие явлений без вмешательства в них;

эксперимент — изучение явлений в контролируемых и управляемых условиях;

измерение - определение отношения измеряемой величины к

эталону (например, метру);

сравнение — выявление сходства или различия объектов или их признаков.

Чистых эмпирических методов в научном познании не бывает, гак как даже для простого наблюдения необходимы предварительные теоретические основания — выбор объекта для наблюдения, формулирование гипотезы и т.д.

Теоретические методы

Собственно теоретические методы опираются на рациональное познание (понятие, суждение, умозаключение) и логические процедуры вывода. К числу этих методов относятся:

анализ — процесс мысленного или реального расчленения предмета, явления на части (признаки, свойства, отношения);

синтез - соединение выделенных в ходе анализа сторон предмета в единое целое;

классификация — объединение различных объектов в группы на основе общих признаков (классификация животных, растений и т.д.);

абстрагирование - отвлечение в процессе познания от некоторых свойств объекта с целью углубленного исследования одной определенной его стороны (результат абстрагирования — абстрактные понятия, такие, как цвет, кривизна, красота и т.д.);

формализация - отображение знания в знаковом, символическом виде (в математических формулах, химических символах и т.д.);

аналогия - умозаключение о сходстве объектов в определенном отношении на основе их сходства в ряде других отношений;

моделирование — создание и изучение заместителя (модели) объекта (например, компьютерное моделирование генома человека);

идеализация — создание понятий для объектов, не существующих в действительности, но имеющих прообраз в ней (геометрическая точка, шар, идеальный газ);

дедукция - движение от общего к частному;

индукция — движение от частного (фактов) к общему утверждению.

Теоретические методы требуют эмпирических фактов. Так, хотя индукция сама по себе — теоретическая логическая операция, она все же требует опытной проверки каждого частного факта, поэтому основывается на эмпирическом знании, а не на теоретическом. Таким образом, теоретические и эмпирические методы существуют в единстве, дополняя друг друга. Все перечисленные выше методы — это методы-приемы (конкретные правила, алгоритмы действия).

Более широкие методы-подходы указывают только на направление и общий способ решения задач. Методы-подходы могут включать в себя множество различных приемов. Таковы структурно-функциональный метод, герменевтический и др. Предельно общими методами-подходами являются философские методы:

метафизический — рассмотрение объекта в покос, статике, вне связи с другими объектами;

диалектический — раскрытие законов развития и изменения вещей в их взаимосвязи, внутренней противоречивости и единстве.

Донаучный период.

Знания древних цивилизаций.

От ранних цивилизаций, возникших на берегах Тигра, Евфрата и Нила (Вавилон, Ассирия, Египет), не осталось никаких свидетельств о достижениях в области физических знаний, за исключением знания овеществленного в архитектурных сооружениях и бытовых изделиях. Возводя различного рода сооружения, изготавливая предметы быта и оружие, люди использовали определенные результаты многочисленных физических наблюдений, технических опытов, их обобщений. Можно сказать, что существовали определенные эмпирические физические знания, но не было системы физических знаний.

Физические представления в Древнем Китае появились на основе различных форм технической деятельности, в процессе которых вырабатывались разнообразные технологические рецепты. Естественно, что, прежде всего, развивались механические знания. Так, китайцы имели представления о силе (то, что заставляет двигаться), противодействии (то, что останавливает движение), рычаге, блоке, сравнении весов (сопоставлении с эталоном). В области оптики китайцы имели представление об образовании обратного изображения в «camera obscura». Уже в VI веке до н. э. они знали явления магнетизма - притяжения железа магнитом, на основе чего был создан компас. В области акустики им были известны законы гармонии, явления резонанса. Но это были еще эмпирические представления, не имевшие теоретического объяснения.

В Древней Индии основу натурфилософских представлений составляло учение о пяти элементах - земле, воде, огне, воздухе и эфире. Существовала также догадка об атомном строении вещества. Были разработаны своеобразные представления о таких свойствах материи, как тяжесть, текучесть, вязкость, упругость, о движении и вызывающих его причинах. К VI в. до н. э. физические представления обнаруживают тенденцию перехода в своеобразные теоретические построения (в оптике, акустике). Главным фактором эволюции науки, как системы знаний, которые необходимо было сохранять, накапливать и передавать, явилось изобретение письменности. Пиктографическое (рисуночное) письмо шумеров появилось около 3200 лет до нашей эры. Около 3000 лет до нашей эры в Египте возникла система письменности, которую называют иероглифической. В ней для обозначения букв, звуков и слов используют символы. Около 2800 до нашей эры соседи шумеров вавилоняне, ассирийцы и персы преобразовали пиктографическое письмо в клинопись. И, наконец, около 1300 лет до нашей эры в Сирии был создан первый алфавит. Он состоял из 32 букв, каждая из которых соответствовала отдельному звуку. Древние греки заимствовали эту систему, и она стала предшественницей латинского алфавита.

В древнем мире недостаточность знаний приводила к обожествлению сил природы, и люди, изучающие их, становились одновременно жрецами богов. Египетские жрецы - астрономы считали небо огромными часами и по расположению луны и звезд узнавали время разлива Нила и сроки празднования тех или иных праздников. Первый календарь, состоящий из 365 дней, ввел египетский жрец по имени Имхотеп.

Шумеры (около 4000-3200 лет до н. э.) изобрели десятичную систему счета и были искусными математиками и астрономами.

Вавилоняне (1900 - 600 лет до н. э.) умели предсказывать движения планет и звезд, пользуясь таблицами с описаниями перемещений планет, составленных на основе многолетних наблюдений. Они хотели уточнить календарь и предсказать будущее. Вавилоняне давали созвездиям имена своих богов. Эти знания легли в основу древнегреческой астрологии.

Общепринято мнение, что первоистоки современной науки - из древнегреческой культуры, чему способствуют ссылки основоположников современной науки Н.Коперника, И.Кеплера, Г.Галилея на работы мыслителей Древней Греции. Древние греки, пытаясь глубоко понять и изучить окружающий мир, ставили много вопросов, проделывали различные вычисления, наблюдали и классифицировали окружающий мир. Они впервые поняли необходимость естественнонаучного, а не божественного, объяснения причин и следствий наблюдаемых явлений и предметов. Но самым главным достижением древних греков было не отрицание божественного происхождения мира, а создание учения об атомном строении веществ и первых академий и лицеев как учебных заведений. Идеи атомистики оказали существенное влияние на творчество Бойля, Ньютона, Ломоносова, Дальтона, Авогадро, Лавуазье, Менделеева и других выдающихся естествоиспытателей. Благодаря их усилиям, на базе идей атомистического учения, еще до экспериментального подтверждения существования атомов, была разработана физико-химическая теория строения вещества. На ее основе в XIX в. были достигнуты поразительные успехи в области химии.

Идеи греков стали известны Европе через арабов. Все нынешние произведения древних греков мы знаем в переводах с арабского на латынь. Арабские ученые сохранили и передали средневековой Европе идеи античности. Арабское средневековье не только впитало знания и философию древних греков, но и имело значительные научные достижения. В арабском мире, особенно в эпоху между 900 и 1200 гг., процветали науки и искусства. Арабские мыслители создали алгебру. У них даже поэты были вначале математиками и уже потом поэтами. Развитие крупных городов послужило источником развития медицины. Произведение Абу Али ибн Сины (Авиценны), выходца с территории нынешнего Узбекистана, "Канон медицины" практически до 17 века был каноном для всех врачей.

Арабские мыслители подарили науке не только методологические установки, но и множество терминов - аль хебри - алгебра, аль хемия - алхимия, аль хогол – алкоголь и др. В науке, как правило, многие явления обозначаются латинскими и греческими словами, и эти слова воспринимаются как термины. Они и являются терминами. Но арабские ученые создали именно сами термины, которые уже потом были переведены на латынь. Каждая наука имеет свой язык, выраженный совокупностью понятий и терминов. Многие слова греческого языка наряду с латынью используются в виде научных терминов. Однако сами термины были изобретены арабами.

Средневековая наука

Эпоха средних веков характеризовалась в Европе закатом классической греко-римской культуры и резким усилением влияния церкви на всю духовную жизнь общества. В эту эпоху философия тесно сближается с теологией (богословием), фактически становится ее «служанкой». Возникает непреодолимое противоречие между наукой, делающей свои выводы из результатов наблюдение опытов, включая и обобщение этих результатов, и схоластическим богословием, для которого истина заключается в религиозных догмах. Пока европейская христианская наука переживала длительный период упадка (вплоть до ХII-ХШ вв.), на Востоке, наоборот, наблюдался прогресс науки. Со второй половины VIII в. научное лидерство явно переместилось из Европы на Ближний Восток. В IX веке, наряду с главным трудом Птолемея («Альмагест»), на арабский язык были переведены «Начала» Евклида и сочинения Аристотеля. Таким образом, древнегреческая научная мысль получила известность в мусульманском мире, способствуя развитию астрономии и математики. В истории науки этого периода известны такие имена арабских ученых, как Мухаммед аль-Баттани(850—929 гг.), астроном, составивший новые астрономические таблицы, Ибн-Юнас (950-1009 гг.), достигший заметных успехов в тригонометрии и сделавший немало ценных наблюдений лунных и солнечных затмений, Ибн аль-Хайсам (965-1020 гг.), получивший известность своими работами в области оптики, Ибн-Рушд (1126-1198 гг.), виднейший философ и естествоиспытатель своего времени, считавший Аристотеля своим учителем. Средневековой арабской науке принадлежат и наибольшие успехи в химии. Опираясь на материалы александрийских алхимиков I века и некоторых персидских школ, арабские химики достигли значительного прогресса в своей области. В их работах алхимия постепенно превращалась в химию. А уже отсюда (благодаря, главным образом, испанским маврам) в позднее средневековье возникла европейская химия. В XI веке страны Европы пришли в соприкосновение с богатствами арабской цивилизации, а переводы арабских текстов стимулировали восприятие знаний Востока европейскими народами. Большую роль в подъеме западной христианской науки сыграли университеты (Парижский, Болонский, Оксфордский, Кембриджский и др.), которые стали образовываться, начиная с XII века. И хотя эти университеты первоначально предназначались для подготовки духовенства, но в них уже тогда начинали изучаться предметы математического и естественнонаучного направления, а само обучение носило, более чем когда-либо раньше, систематический характер. XIII век характерен для европейской науки началом эксперимента и дальнейшей разработкой статики Архимеда. Здесь наиболее существенный прогресс был достигнут группой ученых Парижского университета во главе с Иорданом Неморарием (вторая половина XIII в.). Они развили античное учение о равновесии простых механических устройств, решив задачу, с которой античная механика справиться не могла, — задачу о равновесии тела на наклонной плоскости. В XIV веке в полемике с античными учеными рождаются новые идеи, начинают использоваться математические методы, т. е. идет прогресс подготовки будущего точного естествознания. Лидерство переходит к группе ученых Оксфордского университета, среди которых наиболее значительная фигура — Томас Брадвардин (1290-1349 гг.). Ему принадлежит трактат «О пропорциях» (1328 г.), который в истории науки оценивается как первая попытка написать «Математические начала натуральной философии» (именно так почти триста шестьдесят лет спустя назовет свой знаменитый труд Исаак Ньютон). Научные знания эпохи средневековья ограничивались в основном познанием отдельных явлений и легко укладывались в умозрительные натурфилософские схемы мироздания, выдвинутые еще в период античности (главным образом в учении Аристотеля). В таких условиях наука еще не могла подняться до раскрытия объективных законов природы. Естествознание — в его нынешнем понимании — еще не сформировалось. Оно находилось в стадии своеобразной «преднауки».

ФИЗИЧЕСКАЯ КАРТИНА МИРА

ФИЗИЧЕСКОЕ ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ

1) Понятие взаимодействия и движения. Дальнодействие и близкодействие. Связь, взаимодействие и движение представляют, собой важнейшие атрибуты материи, без которых невозможно ее существование. Долгое время, выстраивая научную картину мира, физики отводили ведущую роль движению. Оно считалось важнейшей характеристикой материи. В широком смысле движение трактовалось как любое изменение, происходящее в природе. Но в физике движение понималось как механическое перемещение, изменение положения тела в пространстве с течением времени относительно выбранной точки отсчета. Взаимодействие в физическом смысле понимается как развертывающийся во времени и пространстве процесс воздействия одних объектов на другие путем обмена материей и движением. Таким образом, взаимодействие всегда выступает как движение материи, а любое движение включает в себя различные, виды взаимодействия. По существу, эти понятия совпадают, хотя часто употребляются в разных контекстах. То есть, не существует такого движения, в содержании которого не было бы взаимодействия элементов материи, в то же время всякое взаимодействие выступает как определенное изменение и движение.

Последовательное описание взаимодействия, раскрытие его механизма – одна из центральных задач всей физики. На протяжении столетий в науке сформировались два принципиально различных способа описания механизма физического взаимодействия (дальнодействие и близкодействие).

Дальнодействие (принцип): исторически первым был сформулирован принцип дальнодействия. Его автором стал И. Ньютон, который с его помощью пытался объяснить механизм действия гравитационных сил. Согласно принципу дальнодействия, взаимодействие между телами происходило мгновенно на любом расстоянии, без каких-либо материальных носителей (агентов взаимодействия).

Близкодействия (принцип): в XIX в. был сформулирован принцип близкодействия, который известен в двух вариантах. Первый вариант был предложен М. Фарадеем, который считал, что взаимодействие между телами переносится полем, от точки к точке, с конечной скоростью. В XX веке принцип близкодействия был уточнен, в его современном варианте утверждается, что каждое фундаментальное физическое взаимодействие переносится соответствующим полем, от точки к точке, со скоростью, не превышающей скорость света в вакууме.

2) Гравитационное взаимодействие. Гравитационное взаимодействие первым из всех известных сегодня фундаментальных взаимодействий стало предметом исследования ученых. Классическая (ньютоновская) теория тяготения была создана еще в XVII в. после открытия закона всемирного тяготения.

Гравитационное взаимодействие обладает специфическими свойствами, отличающими его от других фундаментальных взаимодействий. Во-первых, это самое слабое из всех известных взаимодействий, оно в 1040 раз слабее силы взаимодействия электрических зарядов. Тем не менее, эта очень слабая сила определяет строение всей Вселенной: образование всех космических систем, существование планет, звезд и галактик, концентрацию рассеянной в ходе эволюции звезд и галактик материи и включение ее в новые циклы развития. Такая огромная роль гравитационного взаимодействия определяется его второй особенностью – универсальностью. Ничто во Вселенной не может избежать этой силы. Все тела и частицы, не только имеющие массу, а также поля участвуют в гравитационном взаимодействии. Оно тем больше, чем больше массы взаимодействующих тел. Эта закономерность была выявлена еще Ньютоном и сформулирована им в законе всемирного тяготения, который описывает гравитационное взаимодействие. Поэтому в микромире гравитационная сила слаба, она теряется на фоне более могучих сил. Зато в макромире она господствует. Кроме того, гравитация – дальнодействующая сила. Разумеется, ее интенсивность убывает с расстоянием (об этом также говорит закон всемирного тяготения), но продолжает сказываться и на очень больших расстояниях.

3) Электромагнитное взаимодействие. Электромагнитное взаимодействие также обладает универсальным характером и существует между любыми телами. Благодаря электромагнитным связям возникают атомы, молекулы и макроскопические тела. Все химические реакции представляют собой проявление электромагнитных взаимодействий, являются результатами перераспределения связей между атомами в молекулах, перестройки электронных оболочек атомов и молекул, а также количества и состава атомов в молекулах разных веществ. К электромагнитному взаимодействию сводятся все обычные силы: силы упругости, трения, поверхностного натяжения, им определяются агрегатные состояния вещества, оптические явления и др.:

По своей величине электромагнитные силы намного превосходят гравитационные, занимая второе место на шкале взаимодействий, поэтому эти силы легко наблюдать даже между телами обычных размеров. Но, как и гравитационные силы, электромагнитное взаимодействие является дальнодействующим, его действие ощутимо на больших расстояниях от источника. Как и гравитация, оно подчиняется закону обратных квадратов, уменьшается с расстоянием, но не исчезает.

На заре развития науки об электричестве электрические и магнитные компоненты этого взаимодействия рассматривались как независимые, не связанные между собой родством. Максвелл доказал, что обе силы – это проявление одного и того же феномена. Так был создан прецедент в науке, показавший, что за внешним различием природных сил может скрываться их глубокая общность. Электродинамика Максвелла явилась законченной классической теорией электромагнетизма, сохраняющей свое значение и в наши дни.

Но современная физика создала более совершенную и точную теорию электромагнетизма, в которой учтены квантово-полевые аспекты явления. Эта теория названа квантовой электродинамикой. Теория начинается с утвеждения существования электрического заряда, который проявляется в двух разновидностях: 1) заряд, присущий электрону, назван отрицательным; 2) заряд, присущий протону и позитрону, назван положительным. В отличие от гравитационного взаимодействия, не все материальные частицы являются носителями? электрического заряда. Существуют электрически нейтральные частицы, например нейтрон.

Электрический заряд создает поле, квантом которого является безмассовый бозон – фотон со спином, равным 1. Взаимодействие зарядов обеспечивается обменом виртуальных фотонов. В случае разноименных зарядов обмен создает эффект притяжения, а в случае одноименных – отталкивания. В этом проявляется еще одно отличие от гравитационного взаимодействия, которое проявляется только как притяжение.

4) Слабое и сильное взаимодействие.

Слабое взаимодействие

Это третье фундаментальное взаимодействие, действующее только в микромире. Оно ответственно за превращение элементарных частиц друг в друга и играет очень важную роль не только в микромире, но и во многих явлениях космического масштаба. Благодаря слабому взаимодействию происходят термоядерные реакции, без которых погасло бы Солнце и большинство звезд.

Первая теория слабого взаимодействия (четырехфермионная теория) была создана еще в 1934 г. Э. Ферми. В ней утверждалось, что слабое взаимодействие между частицами происходит контактно, посредством, так называемых слабых токов, а не через обмен квантами поля. Благодаря этим токам нейтроны могли превращаться в протоны, кварки одного вида – в кварки другого вида.

Уже в конце 50-х годов стало ясно, что данная теория несовершенна, поскольку сфера ее применения ограничивается только малыми энергиями частиц, участвующих во взаимодействии. Кроме того, теория резко констрастировала с господствующей картиной мира и не отвечала требованиям единообразия в описании всех физических взаимодействий.

Поэтому в 60-х годах независимо друг от друга ^ С. Вайнберг и А. Солам решили, что трудности теории удастся преодолеть, если допустить, что слабое и электромагнитное взаимодействия – это разные проявления одного взаимодействия наподобие того, как электричество и магнетизм – два проявления единой сущности. Так появилась единая теория электрослабого взаимодействия, в рамках которой удалось построить модель слабого взаимодействия.

Теория электрослабого взаимодействия исходит из существования единого фундаментального заряда, отвечающего одновременно и за слабое, и за электромагнитное взаимодействия. При очень высоких температурах (энергиях), сравнимых с теми, которые существовали в первые мгновения существования Вселенной после Большого взрыва, структура вакуума нарушается, и она не может помешать проявлению такого заряда. Тогда слабое и электромагнитное взаимодействия сливаются воедино. При понижении температуры наступает критический момент, после которого вакуум переходит в иную, более упорядоченную форму. В результате заряд распадается на две части – электромагнитный и слабый заряд, а переносчик электрослабого взаимодействия – на четыре составляющих (фотон и три тяжелых векторных бозона).

Основанием для такого предположения стали экспериментальные данные, подтвеждающие, что с увеличением энергии частиц интенсивность слабого взаимодействия растет намного быстрее, чем интенсивность электромагнитного. Поэтому предположили, что при определенных условиях (огромном уровне энергии) эти интенсивности сравняются, тяжелые векторные бозоны не будут отличаться от фотонов, а взаимодействия сольются.

Кроме того, должно существовать еще одно постоянное поле, квантом которого является бозон Хиггса – очень массивная частица с нулевым спином. Считается, что именно взаимодействие с этим бозоном приводит к тому, что фотон остается безмассовым, а бозоны слабого взаимодействия получают массу. Правда, на опыте бозонов Хиггса пока не обнаружено. Но совершенной теоретической модели без хиггсовских бозонов создать не удается.

Объединение электромагнитного и слабого взаимодействия стало главным триумфом теоретической физики за последние три десятилетия XX века. Единая теория электрослабого взаимодействия успешно описывает все процессы, происходящие при энергиях от долей электронвольта до сотен гигаэлектрон-вольт. Вместе теория электрослабого взаимодействия и квантовая хромодинамика (теория сильного взаимодействия) получили название Стандартной модели. Ее основные положения согласуются с результатами большинства экспериментов.

Сильное взаимодействие

Сильное взаимодействие занимает первое место по силе и является источником огромной энергии. Основная функция сильного взаимодействия – соединять кварки и антикварки в адроны. Теория сильного взаимодействия является типичной полевой теорией и называется квантовой хромодинамикой.

Исходным положением теории является постулат о существовании трех типов цветовых зарядов (красного, синего, желтого). Они присущи кваркам и Выражают способность вещества к сильному взаимодействию. Цвет кварков подобен электрическому заряду. Как и электрические заряды, одноименные цвета отталкиваются, разноименные притягиваются. Когда три кварка или кварк и антикварк объединяются в адрон, суммарная комбинация цветовых зарядов в нем такова, что адрон в целом обладает цветовой нейтральностью.

Цветовые заряды создают поля с присущими им квантами – бозонами. Переносчики сильного взаимодействия названы глюонами (от англ, glue – клей). Они, подобно фотонам, имеют спин, равный единице, и массу, равную нулю. Но электромагнитное взаимодействие является дальнодействующим, а сильное взаимодействие имеет очень ограниченный радиус действия – до 10-13 см (порядка атомного ядра).

Как было отмечено ранее, все фундаментальные взаимодействия зависят от расстояния между зарядами: с уменьшением расстояния между ними сила взаимодействия возрастает (обратно пропорциональная зависимость). Сильное взаимодействие тоже зависит от расстояния между цветовыми зарядами, но прямо пропорционально. Из-за особых свойств глюонного поля цветовое взаимодействие между кварками тем меньше, чем они ближе друг к другу. На малых расстояниях кварки перестают влиять друг на друга и ведут себя как свободные частицы. Такое свойство кварков получило название асимптотической свободы. Но как только расстояние между кварками начинает увеличиваться, сила взаимодействия нарастает. Для разделения двух частиц с цветовыми зарядами понадобилась бы бесконечно большая энергия. Лишь в первые моменты после Большого взрыва существовавшие тогда огромные температуры позволяли свободное существование кварков. Но сейчас попытка разорвать связь между кварками приведет к тому, что глюонные струны между ними будут натягиваться все сильнее, в результате возникнут новые кварки и антикварки, которые соединятся с первичными частицами и образуют новые адроны. Именно это и наблюдается в опытах на ускорителях.

До открытия кварков и цветового взаимодействия фундаментальным считалось ядерное взаимодействие, объединяющее протоны и нейтроны в ядрах атомов. Но с открытием кваркового уровня вещества под сильным взаимодействием стали понимать цветовые взаимодействия между кварками, объединяющимися в адроны. Ядерные силы перестали считаться фундаментальными, они должны как-то выражаться через цветовые силы.

Теория предполагает, что при сближении барионов (протонов и нейтронов) на расстояние меньшее, чем 10-13 см, они теряют свои индивидуальные особенности, глюонный обмен между кварками, удерживающий их в адронах, принимает коллективный характер. В результате такого взаимодействия кварки всех барионов связываются в единую систему – атомное ядро.

Таким образом, ядерные силы – это только отголоски цветовых сил, слабое подобие настоящего сильного взаимодействия. Не случайно для того, чтобы расколоть атомное ядро, нужна совсем небольшая энергия. Расколоть же протон или нейтрон невозможно.

Принципы современной физики

Принцип соответствия. Утверждает преемственность физических теорий. Этот принцип был в явной форме сформулирован Н. Бором в 1923 г.: идея состояла в том, что поскольку законы классической механики подтверждаются с большой точностью в широкой области явлений, то следует считать, что и новая, более точная теория в применении к этим явлениям должна давать те же результаты, что и механика Ньютона. Никакая новая теория не может быть справедливой, если она не содержит в качестве предельного случая старую теорию, относящуюся к тем же явлениям, поскольку старая теория уже оправдала себя в своей области.

В общей форме этот принцип формулируется так: теории, справедливость которых была экспериментально установлена для определенной группы явлений, с построением новой теории не отбрасываются, но сохраняют свое значение для прежней области явлений как предельное выражение законов новых теорий. Выводы новых теорий в области, где справедлива старая теория, переходят в выводы этих старых теорий.

Принцип соответствия представляет собой конкретное выражение в физике диалектики соотношения абсолютной и относительной истин. Каждая физическая теория - ступенька познания - является относительной истиной. Смена физических теорий - это процесс приближения к абсолютной истине, процесс, который не будет никогда полностью завершен из-за бесконечной сложности, бесконечного разнообразия окружающего нас мира.

Принцип дополнительности и соотношение неопределенностей. Еще один физический принцип - принцип дополнительности - возник из попыток осознать причину появления противоречивых наглядных образов, которые приходится связывать с объектами микромира. В ряде экспериментов электрон и другие элементарные частицы обнаруживают корпускулярные свойства, то есть свойства частиц. С другой стороны, при движении все микрочастицы обнаруживают типичные волновые свойства. Таким образом, всем микрообъектам присущ ко