Законы взаимопревращения различных видов энергии материального мира

Частицы и античастицы

Для каждой частицы существует соответствующая античастица. Если частица не имеет электрического или барионного заряда, его не будет и у античастицы. Если частица имеет электрический или барионный заряд, не равный нулю, то соответствующая античастица имеет заряд той же величины, но противоположного знака.

Протон имеет положительный электрический заряд и положительный барионный заряд; антипротон имеет электрический и барионный заряды той же величины, но оба они отрицательные. Электрон имеет отрицательный электрический заряд и равный нулю барионный заряд, позитрон имеет положительный электрический заряд и равный нулю барионный заряд. Антинейтрон имеет равный нулю электрический заряд и отрицательный барионный заряд.

На самом деле, до тех пор пока не было экспериментально доказано существование антипротона, кое-кто думал, что понятие барионного заряда, хотя и выглядит изящно, в действительности лишено физического смысла. Но экспериментальное открытие антипротона, а затем и антинейтрона показало правильность теоретических предсказаний. Эти предсказания впоследствии были также подтверждены открытием других античастиц.

Закон сохранения и превращения энергии применительно к механическим процессам формулируется так: «Полная энергия замкнутой консервативной системы тел равная сумме их потенциальной и кинетической энергии, остается величиной постоянной». Всякое изменение потенциальной и кинетической энергии есть превращение потенциальной энергии в кинетическую, а кинетическую в потенциальную.

Установлению закона сохранения и превращения энергии способствовало также открытие эффектов, отличных от механических и тепловых, а также превращения других форм движения в тепловую энергию. Еще Майер в своей работе составляет таблицу всех рассматриваемых им «сил» природы и приводит 25 случаев их взаимопревращений. Рассмотрев превращение теплоты в механическую работу, имеющее место в функционировании паровой машины, он говорит об электрической «силе» и превращении механического эффекта в «электричество», о «химической силе вещества», о превращении «химической силы» в теплоту и электричество. Он распространяет положение о сохранении и превращении этих различных «сил» природы на живые организмы, утверждая, что при поглощении пищи в организме постоянно происходят химические процессы, результатом которых являются тепловые и механические эффекты.

Исследования электрических явлений давали серьезные основания для подкрепления вывода о взаимопревращении различных форм движения друг в друга. В 1800 году Вольт изобретает первый химический источник электрического тока. В 1840 году русский академик Гесс получает важные результаты, свидетельствующие о превращении химических «сил» в теплоту. Работы Фарадея и Ленца приводят к открытиям о превращении электричества и магнетизма. Изучение процессов, происходящих в контактах двух металлических проводников, проделанных Пельтье и Ленцем, свидетельствуют о взаимопревращениях электрической «силы» и теплоты. В 1845 году Джоуль устанавливает соотношение между величиной количества тешюты, выделяемой при прохождении электрического тока через проводник, и величиной самого тока и сопротивления проводника (закон Джоуля-Ленца).

На протяжении более четырех десятилетий формировался один из самых великих принципов современной науки, приведший к объединению самых различных явлений природы. Историками науки открытие закона сохранения и превращения энергии рассматривается как первая революция в физике.

Таким образом, энергия - единая мера различных форм движения материи. Механическая энергия и тепловая энергия - это только две из многих форм энергии. Все, что может быть превращено в какую-либо из этих форм, есть тоже форма энергии. Возможны два качественно различных способа передачи энергии от одного макроскопического тела к другому - в форме работы и в форме теплоты (путем теплообмена).

При этом макроскопическое тело рассматривается как огромная совокупность микрочастиц. При взаимодействии незначительного числа отдельных или каким-либо другим зарядом. Английский физик П.А. Дирак, основатель релятивистской квантовой теории поля, предсказал существование позитрона и возможность превращения фотона в пару электрон-позитрон и обратно. Позитрон – античастица электрона – экспериментально был открыт в 1934 г.

Замечательным подтверждением незыблемости закона сохранения энергии и предсказательной силы теоретической мысли явилось открытие нейтрино. Экспериментально было установлено, что при радиоактивном -распаде из атомного ядра испускаются электроны (или позитроны), обладающие различной энергией. Чтобы согласовать этот факт с законом сохранения энергии, швейцарский физик-теоретик В. Паули предположил, что одновременно с электроном (или позитроном) ядро испускает еще какую-то электрически нейтральную частицу, которая и уносит недостающую часть энергии. Она и была названа «нейтрино». Эта частица вылетает из ядра вместе с позитроном, а в случае испускания электрона из ядра вылетает «антинейтрино».

В случае испускания электрона (` е) и антинейтрино (`n_е) при распаде происходит превращение нейтрона (п) в протон (р): п ® р + ` е +`n_е. В случае испускания позитрона (е ⁺) и нейтрино (`n<sub>е</sub>) протон превращается в нейтрон: р->п + е<sup>+</sup> +`n_е.

Важно, что в составе атомного ядра имеются только протоны и нейтроны. В атомном ядре нет ни электронов и позитронов, ни нейтрино и антинейтрино. Эти частицы и античастицы рождаются, возникают в самом процессе превращения нейтрона в протон и обратно. Этот процесс можно сравнить с испусканием фотонов электромагнитного поля при переходе атомов из одного электронного состояния в другое.

В классической физике вплоть до второй половины XIX в. под материей обычно понималось вещество. Электродинамикой Максвелла положено основание физическому учению о поле как особой форме материи. Но вещество и поле рассматривались отделенными друг от друга. Квантовая механика впервые позволила установить связь вещества и поля. Экспериментальное открытие в 1927 г. дифракции электронов доказало, что микрочастицы вещества и поля имеют двуединую природу –одновременно корпускулярную дискретную и волновую непрерывную.

В квантовой механике корпускулярные и волновые понятия теряют свою «классическую» независимость. В настоящее время описание природы осуществляется на основе не только корпускулярной, но и континуальной концепции. Континуальная концепция - изменяющаяся материя во времени при сохранении преемственности изначального содержания.

Движение микрообъектов лишь приближенно может трактоваться в одних случаях как движение «классических» частиц, а в других случаях как распространение «классических» волн. Поэтому при описании явлений атомного масштаба нельзя отвлекаться от тех физических условий, в которых они наблюдаются. Квантовым величинам присущ характер относительности к средствам наблюдения, что и делает их отличными от классических величин, которые безотносительны к средствам наблюдения. Понятие и термин «относительность к средствам наблюдения» ввел впервые наш соотечественник академик В.А. Фок.

Из основных положений квантовой механики вытекает «соотношение неопределенностей», установленное В. Гейзенбергом: D р х D q ³ h, где р - импульс частицы, q - её координаты, h - постоянная Планка, D р - неопределенность в определении импульса, D q - неопределенность в определении, координаты. При точном определении импульса D р = 0, а D q = ¥, т.е. координата становится неопределенной и наоборот (Е.Ф. Солопов, 1998).

Для объяснения соотношения неопределенностей Н. Бор выдвинул «принцип дополнительности», противопоставив его принципу причинности. При использовании прибора, позволяющего точно измерить координаты частиц, импульс может быть любым и, следовательно, причинная связь отсутствует. Применяя приборы другого класса, можно точно измерить импульс, а координаты становятся произвольными. В этом случае процесс, по Н. Бору, совершается якобы вне пространства и времени, т.е. следует говорить либо о причинности, либо о пространстве и времени, но не о том и другом вместе.

В. Гейзенберг выдвинул принцип «неконтролируемого взаимодействия» частицы с прибором. Неопределенность в значении импульса и координаты, якобы, обусловлена тем, что взаимодействие частицы и прибора может быть познано лишь до некоторого предела, за которым принципиально невозможно познать объективные процессы микромира.

Борьбу против индетерминизма в квантовой физике против отрицания объективных причинных, закономерных связей в микромире вели П. Ланжевен, М. Лауэ, Л. де Бройль, М. Планк, А. Эйнштейн, советские физики С.И. Вавилов, В.А. Фок, Д.И. Блохинцев и другие. Они показывают, что соотношение неопределенностей свидетельствует лишь об ограниченной возможности применения понятий классической механики при описании «расплывшихся», одновременно дискретных и волновых объектов, какими являются электроны и другие микрочастицы.

Следует различать истинные научные положения квантовой физики (материалистические), в данном случае соотношение неопределенностей, и ложные фидософско-мировоззренческие трактовки идеалистического толка, которые всегда препятствовали развитию научных исследований.

Дата добавления: 2014-11-29