Историки об Елизавете Петровне: Елизавета попала между двумя встречными культурными течениями, воспитывалась среди новых европейских веяний и преданий...
Археология об основании Рима: Новые раскопки проясняют и такой острый дискуссионный вопрос, как дата самого возникновения Рима...
Топ:
Особенности труда и отдыха в условиях низких температур: К работам при низких температурах на открытом воздухе и в не отапливаемых помещениях допускаются лица не моложе 18 лет, прошедшие...
Устройство и оснащение процедурного кабинета: Решающая роль в обеспечении правильного лечения пациентов отводится процедурной медсестре...
Оценка эффективности инструментов коммуникационной политики: Внешние коммуникации - обмен информацией между организацией и её внешней средой...
Интересное:
Влияние предпринимательской среды на эффективное функционирование предприятия: Предпринимательская среда – это совокупность внешних и внутренних факторов, оказывающих влияние на функционирование фирмы...
Аура как энергетическое поле: многослойную ауру человека можно представить себе подобным...
Искусственное повышение поверхности территории: Варианты искусственного повышения поверхности территории необходимо выбирать на основе анализа следующих характеристик защищаемой территории...
Дисциплины:
2017-09-10 | 212 |
5.00
из
|
Заказать работу |
Если движение, как было сказано в разделе 1.5 – это способ сущест-вования материи, то взаимодействие – это основная причина данного дви-жения, т.е. условие существования материи. Взаимодействие присуще всем материальным объектам независимо от их происхождения и системной орга-низации, и представляет собой активность и направленность действия од-ного элемента системы на другой. Необходимой стороной и результатом взаимодействия является связь – такое отношение между элементами, при котором изменение свойств одного вызывает изменение соответствующих свойств другого. Особенности различных взаимодействий и обусловленных ими связей определяют условия существования и специфику свойств матери-альных объектов в целом, поэтому известные к настоящему моменту времени (см. ниже) виды взаимодействий называют ещё фундаментальными взаимо-действиями в природе, обеспечивающими целостность и устойчивость об-разующих её материальных систем.
Исторически первым предметом исследования ученых стало гравита-ционное взаимодействие. Оно проявляется во взаимном притяжении любых материальных объектов, имеющих массу, подчиняется принципу дальнодей-ствия (см. раздел 1.3) и определяется законом всемирного тяготения Нью-тона. Согласно данному закону гравитация отвечает за динамическую устой-чивость планетных и звездных систем космоса. Ньютон это доказал строго математически, рассчитав ускорения двух противоположных по направле-нию своего действия сил – центростремительной, с которой Луна притяги-вается к Земле, и центробежной, с которой, благодаря своему «разгону» по околоземной орбите, она пытается «преодолеть» земную гравитацию. Расче-ты показали совпадение противоположных по направлению, но одинаковых по величине ускорений с высокой точностью (0,0027 м/с2). Сейчас эти выкла-дки Ньютона в виде задачи по небесной механике приводятся в школьном учебнике физики за 9 класс, но когда он их впервые изложил на заседании Лондонского королевского научного общества, этот день, 28 апреля 1686 го-да, в истории науки получил название «триумфа теории всемирного тяготе-ния». Получила объяснение загадка тысячелетий – миллионы лет тела менее тяжелые свободно падают, не чувствуя, благодаря своему движению по кру-говым орбитам, веса, в поле тяготения тел более массивных, как центров этого тяготения, обеспечивая стабильность существования основных материальных систем космоса – галактик. Но только более чем через сто лет после этого английский физик и химик Г. Кавендиш осуществил лабораторную, т.е. в земных условиях, демонстрацию и измерение силы гравитационного притяжения тел.
После обнаружения полевой формы материи было открыто сначала электростатическое взаимодействие, проявляющееся во взаимном притяжении разноименных и во взаимном отталкивании одноименных постоянных электрических зарядов. Неподвижные электрические заряды создают именно такое, постоянное по напряженности электростатическое поле, но когда данные заряды движутся, возникают уже переменные по своей напря-женности два других поля – электрическое и магнитное. Их синхронное на-ложение друг на друга создает непрерывное, подчиняющееся другому принципу передачи энергии – принципу близкодействия (см. раздел 1.3) – электромагнитное поле – переносчик одноименного взаимодействия. Благодаря ему возникают молекулы и происходят химические реакции. Электромагнитным взаимодействием определяются изменения агрегатного состояния вещества, величины сил трения, упругости, поверхностного натяжения и других, оно отвечает за прочность межмолекулярных связей, а, следовательно, ответственно за устойчивость структуры состоящего из молекул вещества (тел). Электромагнитное взаимодействие является основным в химии и биологии.
Развитие представлений о взаимодействии на этапе неклассического ес-тествознания было связано, прежде всего, с проникновением науки в глуби-ны атома (см. раздел 1.4). Сначала выяснилось, что устойчивость его струк-туры обеспечивается тем же электромагнитным взаимодействием между по-ложительно заряженным ядром атома и его отрицательно заряженной элек-тронной оболочкой. Далее оказалось, что внутри атомных ядер проявля-ются два новых фундаментальных взаимодействия – сильное и слабое. Пер-вое отвечает за стабильность ядер атомов, обеспечивая связь протонов и нейтронов между собой, имеет радиус действия, ограниченный размерами атомного ядра (10-15 м), и подчиняется принципу близкодействия (см. выше). В стабильном веществе, находящемся, например, в земных условиях, силь-ное взаимодействие себя не проявляет, оно просто обеспечивает высокую устойчивость ядер атомов. Но если происходит столкновение ядер или их частей – нуклонов (см. выше), обладающих высокой энергией, как это имеет место в недрах звезд за счет колоссальной температуры, происходит реакция термоядерного синтеза, сопровождающаяся выделением этими звездами огромной энергии.
Слабое взаимодействие вызывает медленно протекающие естествен-ные процессы распада элементарных частиц, в результате которых одни химические элементы превращаются в другие. Одним из главных таких про-цессов является, к примеру, происходящее внутри атомного ядра превраще-ние нейтрона в протон (именно поэтому слабое взаимодействие было обна-ружено только после открытия явления естественной радиоактивности). Ра-диус его действия ещё меньше (10-18 м) и оно также подчиняется принципу близкодействия.
Следует отдельно уточнить, что данные четыре фундаментальных вза-имодействия присутствуют в любых материальных системах, но в разных, от-граниченных друг от друга областях существования таких систем (уровнях организации материи, как будет показано в теме 3 данного лекционного кур-са) соотношение этих взаимодействий тоже разное. Так, за стабильность материальных систем космоса, как уже говорилось, отвечает доминирующее там гравитационное взаимодействие. В земных условиях всё определяется электромагнитным и, в меньшей мере, тем же гравитационным взаимодей-ствиями. Устойчивость структуры атома, как тоже было только что сказано, обеспечивают целых три фундаментальных взаимодействия из четырех. Без сильного и слабого взаимодействий не были бы возможны ядерные реакции, идущие в недрах звезд. В силу этого соотношение по силе всех взаимодейст-вий между собой корректно можно показать на примере только конкретной материальной системы, например, атома. Если взять за единицу силу наи-более мощного из них – сильного – то электромагнитное взаимодействие сла-бее его в 100 раз (это объясняет, кстати, почему протоны ядра атома не разле-таются под воздействием электромагнитных сил отталкивания), слабое – в 10-14 раз, а гравитационное – в 10-38 раз.
Установленный факт ответственности конкретного числа взаимодейст-вий, как сил, определяющих устойчивость и стабильность всех природных объектов, потребовал уточнения уже имевшихся научных представлений об их сущности. Так, для исчерпывающего доказательства единства двух форм существования материи – вещества и поля (см. раздел 1.4) – необходимо бы-ло произвести квантование сильного, слабого и гравитационного фундамен-тальных взаимодействий, т.е. найти кванты, которые, подобно тому, как фо-тон переносит электромагнитное взаимодействие, являются их частицами-пе-реносчиками. Тогда, в полном соответствии с научным методом (см. раздел 1.2), гипотеза корпускулярно-волнового дуализма, как прошедшая верифи-кацию более поздними эмпирическими фактами, приобретала бы статус зако-на природы (там же).
Данная задача решалась уже на современном, четвертом этапе исто-рии естествознания. Было установлено, что переносчиками сильного взаимо-действия, связывающего кварки в адроны (см. раздел 1.4), являются его кван-ты – глюоны (от англ.glue – клей). Существует 8 разновидностей глюонов, реализующих данное фундаментальное взаимодействие не только между кварками, но также между протонами, нейтронами и нуклонами (см. выше). Подобно кваркам, глюоны не существуют в свободном состоянии (см. раздел 1.4), поэтому их существование тоже доказано только косвенно (там же). Уточняя, как только что было показано, представления о материи (см. раз-дел 1.4), добавим к сказанному там, что глюоны «рождаются» физическим вакуумом вместе с парой «кварк + антикварк», и когда при её аннигиляции нарушается симметрия, «уцелевшие» кварки (или антикварки?) глюоны прев-ращают в адроны (см. выше), или, опять же, в антиадроны (?).
С одной стороны более причудливо, а с другой – более успешно в этот же период времени сложились представления о квантовой природе другого фундаментального взаимодействия – слабого. Сначала в 60-х годах появи-лась теория, объединяющая два известных взаимодействия – уже доказав-шее эту свою природу электромагнитное и ещё не проквантованное слабое – в одно новое, а именно, в электрослабое. Данная теория практически одновременно была создана двумя независимо работавшими физиками – американцем С. Вайнбергом и пакистанцем А. Саламом. Согласно ей, слабое взаимодействие переносится тремя видами своих квантов, получивших наз-вание бозонов (в честь индийского физика Ш. Бозе). Радиус его действия чрезвычайно мал – если сильное взаимодействие происходит, как было сказанно выше, в пределах ядра атома (10-15 м), то слабое взаимодействие простирается на расстояние порядка 10-17 – 10-24 м. На основании этого факта из теории Вайнберга – Салама следовало, что переносчики такого взаимодействия – бозоны (см. выше) – должны иметь массу, и когда данное предпо-ложение в 1983 году было экспериментально проверено на известном Боль-шом адронном коллайдере, физики обнаружили все три бозона, обладающие именно теми свойствами, которые ранее приписывала им теория. Однако та-кой триумф теории электрослабого взаимодействия (С. Вайнберг, А. Салам, Ш. Глэшоу, Нобелевская премия 1979 г.) в который уже раз, в соответствии с сущностью научного метода (см. раздел 1.2), инициировал противоречие между новой и старой теориями в интерпретации одного и того же факта.
Эта «старая», т.е. более ранняя по отношению к теории электрослабого взаимодействия, интерпретация, в лице так называемой Стандартной моде-ли физики частиц утверждала, что все частицы – переносчики фундамен-тальных взаимодействий в природе – должны быть безмассовыми, т.е. не иметь массы покоя. И два из четырех этих квантов – фотон (переносчик эле-ктромагнитного взаимодействия) и глюон (переносчик сильного взаимодейс-твия) – согласно многочисленным экспериментальным данным, действитель-но имеют нулевую массу, чего нельзя сказать о квантах слабого взаимодей-ствия – бозонах (см. выше).
«Спасение» ситуации происходило по сценарию, схожему с разреше-нием «ультрафиолетовой катастрофы» (см. раздел 1.4). Подобно Планку (там же) английский физик П. Хиггс и его бельгийский коллега Ф. Энглер предпо-ложили существование особого вида имеющих массу элементарных частиц, с которыми безмассовые фотоны и бозоны взаимодействуют, а, точнее говоря, сливаются по-разному, и в зависимости от условий этого слияния они, оста-ваясь квантами общего – электрослабого – взаимодействия, реализуют раз-ные его частные случаи – электромагнитное или слабое взаимодействие со-ответственно. Таким образом, предложенная Хиггсом и Энглером гипотеза, инкорпорировала (включала) «старую» Стандартную модель (см. выше) в но-вую теорию электрослабого взаимодействия, т.е. демонстрировала очередное подтверждение правоты принципа соответствия – второй тенденции развития естествознания (см. раздел 1.3).
Продолжая аналогию с судьбой квантовой гипотезы, частицу, предска-занную именно Хиггсом и получившую в его честь название «бозона Хигг-са», искали более полувека – гипотеза, обосновывающая её существование, была выдвинута в 1964 году, а экспериментально бозон Хиггса был «пойман» на том же Большом адронном коллайдере только летом 2012 года. Поэтому свою заслуженную награду весьма пожилые теоретики (Питеру Хиггсу было 84 года, а Франсуа Энглеру – 81) получили лишь недавно (Нобелевская пре-мия 2013 года). То ли потому, что бозон Хиггса столь долго искали, то ли потому, что некоторые физики считают его последним недостающим «кирпи-чиком» в Стандартной модели, бозон Хиггса в научно-популярной литерату-ре получил название «частицы Бога». Сам Питер Хиггс – атеист, но не лю-бит, когда его частицу называют божественной – это, по его мнению, оскор-бляет чувства верующих. Существует легенда, что сам он, может быть как раз в силу трудности экспериментального подтверждения существования бо-зона Хиггса, склонен был называть его, наоборот, «чертовой частицей».
Остается добавить, что квант последнего фундаментального взаимо-действия – гравитационного – не только до сих пор не найден, но даже тео-рия квантовой гравитации на настоящий момент времени не создана. Из-вестно лишь, что в соответствии с вышеупомянутой Стандартной моделью физики частиц, он должен быть безмассовым, и иметь название «гравитон». В силу данного обстоятельства гипотеза единства материи (см. выше) не мо-жет считаться прошедшей верификацию (см. раздел 1.2). Трудность будущего решения данной задачи колоссально увеличивается в силу того нового (буквально последних десятилетий) обстоятельства, что упоминавшаяся в разделе 1.4 «темная энергия» из-за вызываемого ею ускоряющегося расширения Вселенной (там же) по своей природе должна быть энергией отрицательной гравитации, т.е. силы отталкивания, а не притяжения. Следствие такого фа-кта – это ни больше, ни меньше, как пересмотр теории всемирного тяготения Ньютона! Поэтому развитие представлений о взаимодействии, равно как и о двух других, тесно связанных с этой научной категорией понятиях – материи и энергии (см. соответственно разделы 1.4 и 1.5) – как это, в соответствии с научным методом (см. раздел 1.2), и должно быть, завершенным считаться не может, и, похоже, не сможет в течение довольно долгого периода времени в будущем. Данная связь, точнее диалектическое единство всех этих трех главных научных терминов естествознания, иллюстрируется таблицей 1.3, представляющей собою общий «скелет» посвященных им трех последних разделов темы 1.
Таблица 1.3
Типы оградительных сооружений в морском порту: По расположению оградительных сооружений в плане различают волноломы, обе оконечности...
Папиллярные узоры пальцев рук - маркер спортивных способностей: дерматоглифические признаки формируются на 3-5 месяце беременности, не изменяются в течение жизни...
Археология об основании Рима: Новые раскопки проясняют и такой острый дискуссионный вопрос, как дата самого возникновения Рима...
Состав сооружений: решетки и песколовки: Решетки – это первое устройство в схеме очистных сооружений. Они представляют...
© cyberpedia.su 2017-2024 - Не является автором материалов. Исключительное право сохранено за автором текста.
Если вы не хотите, чтобы данный материал был у нас на сайте, перейдите по ссылке: Нарушение авторских прав. Мы поможем в написании вашей работы!