Под принципом относительности на сегодняшний день понимают независимость законов природы от системы отсчета

Концепцию относительности, лежащую в основе научной физической теории не следует смешивать с принципом относительности наших знаний, в том числе в физике. Если первая характеризует процессы, происходящие в объективном, материальном мире, то вторая относится к росту и развитию нашего знания, то есть касается изменения наших представлений об объективном мире. Не подлежит сомнению, что между этими процессами существует связь, и сами физики признают, что возникновение теории относительности повлияла на характер мышления ученых.

К сожалению, принцип относительности в физике был использован некоторыми западными философами для защиты философского релятивизма, суть которого сводится к отрицанию объективно истинного содержания в нашем знании. Раз наши принципы и теории меняются, значит, в них не содержится никакой истины и потому сама истина объявляется соглашением ученых.

ЛЕКЦИЯ № 6. Современные представления о Вселенной.

Принципиально новые революционные космологические следствия Общей теории относительности раскрыл русский математик и физик-теоретик А.А.Фридман (1888-1925).

Решение “мировых уравнений” Эйнштейна из Общей теории относительности позволило ему построить математические модели Вселенной.

Однако первую модель Вселенной предложил сам А.Эйнштейн, который пришел к ошибочному выводу, что Вселенная должна быть стационарной (неразвивающейся) и иметь форму четырехмерного цилиндра. Фридман же доказал, что искривленное пространство Вселенной не может быть стационарным.

В 1922-1924 годах А.Фридман выступил с критикой идей Эйнштейна и показал необоснованность исходного постулата Эйнштейна о стационарности, неизменности Вселенной во времени. Исходя из противоположного постулата о возможности изменения радиуса кривизны мирового пространства во времени, Фридман нашел новые решения мировых уравнений Эйнштейна. На основе этих решений он построил три математических модели Вселенной. В двух из них радиус кривизныпространства растет,и Вселенная расширяется (в одной модели расширяется из точки, в другой – из некоторого объема). Третья модель рисует картину пульсирующей Вселенной с периодически меняющимсярадиусом кривизны. Две первые модели Фридмана уже вскоре нашли точное подтверждение в непосредственных наблюдениях движений далеких галактик – в так называемом эффекте “красного смещения” в спектрах галактик. “Красное смещение” свидетельствовало о взаимном удалении всех достаточно далеких друг от друга галактик и их скоплений. Спектром называется набор излучаемых длин волн, характерный для данного вещества (в данном случае водорода, так как он наиболее распространен во Вселенной). Большая длина волны соответствует меньшей частоте и меньшей энергии, переносимой волной. Волны, доходящие до нас от далеких галактик, имеют большую длину и малую частоту. Со временем длина волны, исходящей от дальней галактики, увеличивается, соответственно, при спектральном анализе мы наблюдаем смещение в красную часть спектра. Таким образом, мы подтверждаем факт расширения наблюдаемой нами части Вселенной. Большинство космологов понимает расширение как расширение всей мыслимой существующей Вселенной.

С именем американского астронома Эдвина Хаббла (1889-1953) связано открытие универсальной космологической закономерности – эффекта расширения Вселенной. Своим открытием он получил ответ на главный вопрос космологии – о конечности или бесконечности Вселенной. Хаббл измерил скорости 18-ти галактик в ближайшем к нам созвездии Девы. Он уловил общую закономерность движения галактик: “красные смещения” в спектрах галактикросли пропорционально расстояниям отнаблюдателя (или от центра нашей галактики). Эта установленная Хабблом в 1929 году закономерность вола в астрономию как закон Хаббла

(v = H x r), где v – скорость разбегания галактик, Н – коэффициент пропорциональности или постоянная Хаббла, r – расстояние до наблюдаемой галактики. Для коэффициента пропорциональности Хаббл нашел значение Н == 560 км/сек х Мпс. (Мпс – миллион парсеков или расстояние, которое проходит свет за 3,3 млн. земных лет). Это означало, что с увеличением расстояния на 1 Мпс скорость разлетания галактик увеличивается на 560 км/сек. Эта величина, получившая наименование “постоянной Хаббла”, является одной из фундаментальных в космологии. Однако Хаббл сильно завысил значение Н. Это значение неоднократно уточняли и в настоящее время оно принимается равным 50-100 км/сек х Мпс. Для близких областей Вселенной закон Хаббла носит статистический характер, то есть проявляется не для каждой пары галактик, а для большого их числа. Для достаточно далеких друг от друга объектов закон этот проявляется и для индивидуальных объектов.

Величина, обратная постоянной Хаббла (1/Н), означавшая время, в течение которого разбегались галактики, прямо указывала на то, что должнобыло существовать начало такого разбегания, а может быть и начало существования самой Вселенной. Такая интерпретация закона Хаббла с очевидностью подтверждала теорию нестационарной Вселенной, построенной Фридманом. В астрономической картине мира утвердился образ нестационарной развивающейся Вселенной. Если средняя плотность вещества во Вселенной меньше критической (5 х 10 –30 г/см3), то Вселенная будет бесконечно расширяться, то есть будет бесконечной. В противном случае Вселенная начнет сжиматься, коллапсировать, то есть будет конечной. При расширении Вселенной плотность ее уменьшается, если кривизна пространства = 0 или < 0, но если кривизна > 0, то плотность будет, несмотря на расширение Вселенной, возрастать, то есть Вселенная будет как бы “закручиваться”, становиться конечной.

В релятивистской модели Вселенной получает развитие идея эволюции; она относится к Вселенной в целом. Однако нет никаких оснований распространять явления, наблюдаемые в ограниченной, хотя и огромной части Вселенной, на всю Вселенную. В бесконечных просторах космоса мыслимы и отдельные конечные области со своими характерными для них физическими явлениями и даже законами. Именно в этом направлении эволюционирует современная астрономическая картина мира. В ней укрепляется представление о существовании крупномасштабных нестационарностях во Вселенной, которые проявляются в процессах формирования огромных комплексов материи. К примеру, вся Метагалактикаможет составлять один такой комплекс или даже его часть.

В 30-е годы 20 века рядом ученых (Ж.Леметром, Э.Милном, А.Фридманом) была выдвинута интерпретация разбегания галактик как результата взрыва сверхплотного сгустка некой особой “первичной” материи, из которой по ходу расширения формировались звезды, галактики, планеты. Формирование научной эволюционно-космологической теории БольшогоВзрыва связано с именем американского физика Дж. Гамова (1904-1968).

Согласно теории Большого Взрыва вся современная наблюдаемая нами Вселенная представляет собой результат катастрофического взрыва материи находившейся до того в чудовищно сжатом сверхплотном состоянии, состоянии сингулярности, недоступном пока для понимания и описания в рамках современной физики. Начавшееся при этом взрыве расширение материи привело первоначально к неразделимой смеси – излучения и вещества.

Огромное количество водорода в наблюдаемой части Вселенной заставляет предположить, что в начальной фазе ее расширения она была заполнена главным образом высокотемпературным излучением, хотя и содержала некоторое количество частиц и античастиц. После взаимной аннигиляции последних остался некий избыток частиц. Среди частиц можно выделить тяжелые ( нейтроны, протоны, гравитоны) и легкие (электроны, нейтрино). Исходное соотношение между излучением (числом фотонов) и частицами сохраняется и в современной Вселенной.

Дж. Гамов и его ученики в 1948 году предсказали, что в современной Вселенной остывшее первичное излучение должно наблюдаться как тепловое, соответствующее температуре 5 оК (0 оК = - 273,15 о С). Специалистам радиофизикам представлялось невозможным выделить столь слабый сигнал из общего излучения звезд, галактик, межзвездной среды. Однако уже в 1956 году в Пулковской обсерватории зарегистрировали подобное излучение с помощью рупорной антенны, хотя и с небольшой точностью (его температуру определили в пределах 3,9 – 4,2 оК). Окончательное же подтверждение предсказанию Дж. Гамова было дано американскими радиоинженерами А.Пензиасом и Р.Уилсоном в 1964 году при испытании рупорной антенны для наблюдения американского спутника. Обнаруженное первичное остаточное радиоизлучение, интенсивность которого была одинаковой во всех направлениях, И.С.Шкловский назвал реликтовым. Это открытие подтвердило теорию Большого Взрыва (горячей Вселенной) и показало, что у нашей Вселенной имеется ранняя история и что она, действительно, эволюционировала.

Существует ряд сценариев формирования Вселенной в результате Большого Взрыва. Один из них был предложен П.Девисом (Девис П. Случайная Вселенная. М., 1985. С. 41-42, 44-47, 132-135.).

Расширение Вселенной, судя по современной его скорости, началось 15-20 млрд. лет назад. Раннюю Вселенную можно охарактеризовать как последовательность эпох. Самая ранняя продолжалась 10 –43 сек, то есть это возраст равный одной планковской единицы времени. К концу этой эпохи Т составляла 10 32К,а плотность вещества достигала 10 97 кг/м 3. В эту же эпоху существовали элементарные строительные блоки (кварки).

По мере падения температуры (Т) из кварков образовались адроны, которые при дальнейшем уменьшении температуры распались.

Через 1 микросекунду (10 –3 сек) после начала расширения вещество Вселенной состояло из частиц (протонов, нейтронов, электронов, мюонов, пионов, нейтрино и гравитонов) и их античастиц. Приблизительно через 1сек в результате аннигиляции остались только нейтроны, протоны, электроны, нейтрино, гравитоны. При дальнейшем снижении температуры, когда энергия упала ниже энергии связи сложных ядер, протоны объединились с нейтронами, образуя атомные ядра. В этом первичном синтезе образовалось 25% гелия, остальное же вещество почти полностью состояло из свободных протонов. Температура продолжала снижаться и была уже слишком низкой для синтеза ядер. За это время успело образоваться лишь очень немного ядер тяжелее, чем ядра гелия. Охлаждение продолжалось и далее, но темп его замедлился, так что потребовалось 10 15 сек, чтобы температура (Т) достигла 10 4 К. На этой стадии свободные протоны и электроны образовали атомный водород.Вещество стало прозрачным дляизлучения и с этого времени вещество и излучение разъединились. Образовавшийся и охлаждающийся газ образовывал облака, из которых возникали протогалактики. Области повышенной плотности притягивали дополнительное вещество, и их сила тяготения увеличивалась. Медленное сжатие протогалактик происходило под действием самогравитации. Одна за другой сменялись последовательные эпохи, пока в газовых облаках начался процесс звездообразования. Так как протозвезды сжимались, происходило постепенное их разогревание до тех пор, пока температура (Т) центральных областей не поднялась до нескольких млн. градусов, чтобы началась термоядерная реакция. С момента выделения ядерной энергии сжатие протозвезды прекращается, так как температура и давление в центре ее возрастают и уравновешивают силу гравитации. Протозвезда обретает равновесие становится звездой.

Другой сценарий эволюции Вселенной мы находим у Тулио Редже (Редже Т. Этюды о Вселенной. М., 1985. С.55-56.)

Вещество Вселенной находилось в крайне сжатом состоянии, с плотностью в тыс. млрд. раз больше, чем плотность воды и при температуре(Т) 1 трл. 0 С. Происходящее можно было сравнить с быстрым расширением воздуха, нагретого в велосипедном насосе. Чем же был заполнен космос в эти мгновения? Если частицы нагреть до 1 трл. 0 С, то они будут сталкиваться друг с другом с такой силой, что атомы разобьются на ядра и электроны, из которых они состоят. Более того, энергия разлетающихся частей будет столь велика, что сможетматериализоваться, согласно формуле А.Эйнштейна (Е = m х с2) и привести к появлению антивещества. Космические соударения сначала происходят в неистовом ритме, который со временем затихает; и, в конце концов, соударения станут совсем редкими. Расширяясь, Вселенная охлаждается со скоростью обратно пропорционально ее радиусу. При увеличении времени от 1 – 4 сек. Радиус увеличится в 2 раза, а температура уменьшится в 2 раза. И лишь через 1 млн. лет температура (Т) упадет до 4 тыс. 0 С и свободные электроны начнут соединяться с ядрами, образуя атомы.

На сегодняшний день образ “взрывающейся Вселенной” дополняется образом “коллапсирующей Вселенной”. Уточнение средней плотности вещества во Вселенной (в Метагалактике) даст ответ на вопрос о том, станет ли когда-нибудь коллапсирующей вся Метагалактика в целом. На сегодняшний день средняя плотность вещества во Вселенной составляет 10 –30 г/см 3, что меньше критической плотности (5 х 10 –30 г/см 3).

Одна из наиболее острых проблем современной космологии – это проблема “скрытой массы”, от которой зависит оценка средней плотности вещества во Вселенной. Одним из проявлений скрытой массы являются “черные дыры”. В них, как предполагают ученые, сосредоточенно 9/10 массы Вселенной. “Черная дыра” – это огромная масса в сравнительно небольшом объеме; под действием самогравитации эта масса начинает неудержимо сжиматься, происходит гравитационный коллапс. Поэтому “черная дыра” ничего не выпускает наружу, не отражает, а, следовательно, ее невозможно обнаружить. Пространство там сильно искривляется, а время замедляет свой ход. Сила тяготения на поверхности столь велика, что для ее преодоления необходимо развить скорость, превышающую скорость света. Ученые предполагают, что “черные дыры” расположены в ядрах галактик.

Однако, у концепции расширения Вселенной (Большого Взрыва) есть и противники. Так, в 1988 году Ю.Учаев предложил гипотезу вращающейся Вселенной.

Согласно этой гипотезе, все космические тела, объекты и их всевозможные образования вращаются. Собственное вращение – это такое же “врожденное” их свойство, как и наличие некоторой массы. В этой гипотезе “красное смещение” галактик объясняется следствием не продольного, а поперечного эффекта Доплера. Для такого эффекта величина “красного смещения” имеет уже не линейную, а квадратическую зависимость от расстояния до галактики движущейся по окружности вокруг приемника сигнала. Отсюда следует, что при заданной величине регистрируемого “красного смещения” расстояния от удаленных объектов, определенные в рамках гипотезы вращающейся Вселенной, будут намного меньше, чем расстояния до тех же объектов, определенные на основе концепции расширяющейся Вселенной.

Естественно, что уменьшение расстояний во вращающейся Вселенной приводит и к уменьшению ее объема, и к увеличению, как следствие первого, средней плотности вещества. Причем это увеличение возросло на 3-5 порядков по сравнению с плотностью вещества в расширяющейся Вселенной, что привело к превышению критической средней плотности на 1-3 порядка. Из этого следует, что становится невозможным как бесконечное расширение нашей Вселенной, так и последующее ее сжатие в малый объем, непомерный рост температуры и плотности вещества.

Допуская в принципе возможность определенного расширения или сжатия вещества, модель вращающейся Вселенной не требует расширения мироздания из бесконечно малого объема либо последующего сжатия в такой объем. “Устойчивость” модели достигается тем, что взаимное притяжение галактик компенсируется центробежными силами, возникающими при их вращательном движении по дугам окружностей. Сохраняется в данном случае возможность объяснения наблюдаемого “красного смещения” следствием эффекта Доплера.

Автор гипотезы вращающейся Вселенной отмечает, что, разрешая одни проблемы, ученые порождают другие, на которые еще предстоит найти ответы. Например, почему угловая скорость Вселенной постоянна? Другая проблема: во вращающейся Вселенной должна наблюдаться анизотропия (то есть неравноправность направлений) распределения “красного смещения” в зависимости от величины угла между осью вращения Вселенной и направлением на соответствующую галактику. Такой анизотропии в явном виде к настоящему времени не обнаружено.

Если гипотеза вращающейся Вселенной подтвердится, то это означает, что жизнь можно считать вечной. И тогда человеческая цивилизация, если у нее хватит мудрости избежать самоуничтожения, в соответствии с предсказаниям К.Э.Циолковского при помощи реактивных приборов расселится по всему “звездному дому”. Вот еще несколько высказываний отца русской космонавтики о могуществе разума и его роли в преобразовании Вселенной: “Самое высшее в мире,- это сознательность, разум, жизнь… Совершенство космоса – результат разума, сознания и высокой деятельности… Разум – величайшая сила космоса… Что могущественнее разума! Если же он сильнее всего, то он все победит. Ему дана власть, сила и господство над всем космосом. Последний сам рождает в себе силу, которая им управляет. Она могущественнее всех остальных сил природы… Человек и разумные силы составляют одно целое с природой, и нельзя отрицать возможность участия разумных сил в явлениях природы. Мы только не знаем, насколько оно велико и распространено…”

Антропный космологический принцип. (В.В.Казютинский, Ю.В.Балашов Антропный принцип: история и современность // Природа,- № 1,-1989.)

Наблюдая Вселенную и изучая историю ее эволюции, многие ученые пришли к выводу, что в ней действует некий принцип, организующий Вселенную определенным наилучшим образом. Так, энергия расширения Вселенной очень хорошо согласовывалась с ее гравитационной энергией, обеспечивая Вселенной максимально длительный срок существования. Некоторые физики предположили, что строение физического мира неотделимо от существования его обитателей, наблюдающих мир. Физики утверждают, что существует принцип, осуществляющий невероятно тонкую подстройку всех явлений и процессов во Вселенной, но это не физический принцип, а антропный, связанный с человеком как частью Вселенной.

Антропный принцип был впервые выдвинут английским астрофизиком Бенджамином Картером в 1973 году в качестве противовеса неоправданно широкому использованию принципа Н.Коперника, согласно которому мы не занимаем привилегированного места во Вселенной. Последнее положение является ошибочным с позиций современной науки, так как само наше существование как сложных физико-химических существ требует определенных условий, которые встречаются только в определенных местах Вселенной и на определенных стадиях ее истории. Само наше существование как разумных существ сильно зависит от структуры физического мира. Так, если бы любое из точно отрегулированных условий было нарушено, то жизнь была бы невозможна (по крайней мере, известная нам ее форма).

Многие из основных свойств Вселенной определяются, в сущности, значениями фундаментальных физических констант, таких как гравитационная постоянная, заряд электрона, масса протона, постояннаяПланка, скорость света в вакууме и др. Свойства Вселенной были бы совершенно иными, если бы перечисленные константы имели значения, хотя бы слегка отличающиеся от наблюдаемых. Все это побуждает задать вопрос: почему из бесконечной области всевозможных значений фундаментальных констант, из бесконечного разнообразия первоначальных условий, которые могли бы существовать в ранней Вселенной, реализуется вполне конкретный набор и конкретные величины констант? Ответы на этот и подобные вопросы пытается дать Антропный принцип, который подразделяется на 4 вида (модификации).

Слабый Антропный принцип: То, что мы ожидаем наблюдать, должно быть ограничено условиями нашего существования как наблюдателей. Так, любые космологические наблюдения, сделанные астрономами, основаны на всеобъемлющем селекционном эффекте: нашем собственном существовании. Мы, к примеру, не можем наблюдать явления, которые противоречили бы нашему существованию (сверхвысокие температуры, плотности вещества, радиацию и т.п.)

Сильный Антропный принцип: Вселенная должна иметь такие свойства, которые позволяют жизни развиться внутри нее на некоторой стадии ее истории. Или, Вселенная такова, потому, что мы существуем. Этот принцип указывает на специфику самой Вселенной, которую мы населяем. Оказывается, для устойчивого существования атомов, звезд, галактик необходима очень тонкая “подгонка” ряда численных величин фундаментальных физических констант. Небольшое отклонение от этих величин, хотя бы одной из них, приводит к резкой потере устойчивости или к выпадению определенного звена эволюции. Получается, что наша Вселенная “запрограммирована” кем-то определенным, наилучшим образом. Это может быть Творец или еще какая-либо высшая разумная сила. Здесь мы получаем выход в теологию. Чтобы избежать обвинения в теологизме, ученые (Гут, Стейнхард, Линде и др.) предложили гипотезу множественности вселенных. Согласно ей, наша Вселенная лишь одна из множества существующих Вселенных, и нам повезло, что в результате игры случая в ней сложились оптимальные условия для нашего существования.

Антропный принцип участия: Необходимы наблюдатели, чтобы существовала Вселенная /Уиллер/. Этот принцип имеет физическое содержание, когда рассматривается в свете попыток интерпретации квантовой механики (копенгагенской школы).

Финальный Антропный принцип: Разумный информационный процесс должен возникнуть во Вселенной и, однажды возникнув, он никогда не умрет /Ф.Типлер/. Если образование сознания с необходимостью подразумевается всеобщим порядком, то тогда будет трудно примириться с перспективой его будущего разрушения, которое кажется неизбежным в ряде космологий. Более разумно было бы предположить, что природа не безразлична к будущей судьбе сознания и обеспечит условия его вечного существования, совсем не обязательно в человеческих формах. Хотя Финальный антропный принцип есть утверждение физики, он, тем не менее, связан с моральными ценностями и подразумевает усовершенствованный космос.

P.S. Вселенная– Метагалактика, совокупность галактик, доступных нашему наблюдению.

Галактика – совокупность звезд и планет. Наша галактика носит имя Млечного пути, она состоит из 150 млрд. звезд, спиралевидная, размеры: 100 тыс. световых лет. Солнце расположено на расстоянии 30 тыс. световых лет от центра галактики. Ближайшая к нам галактика – Туманность Андромеды расположена от нас на расстоянии 2 млн. световых лет.

Квазар (открыт в 1963 году) – звездное скопление со светимостью в сотни раз больше светимости галактик, а размерами в десятки раз меньше. Квазары – это источники радиоизлучения во Вселенной.

Звезды:обычные – типа Солнца;

Красные гиганты - их масса составляет более 15 масс Солнца;

Нейтронные звезды – их масса близка к массе Солнца, но радиус составляет 10-20 км, то есть 1/5000 от радиуса Солнца;

Пульсары – быстровращающиеся нейтронные звезды, их время обращения составляет 0,03-4 сек. Это источники оптического, рентгеновского, гамма и др. излучений.

Звезды вырабатывают водород, гелий и даже углерод, являются источниками излучений во Вселенной.

Солнечная система: планеты – Меркурий, Венера, Земля, Марс, Юпитер, Сатурн, Уран, Нептун и Плутон – все движутся в одном направлении по эллиптическим орбитам.

От центра, Солнца до Плутона – 5,5 световых лет.

Расстояние от Солнца до Земли – 149 млн.км.

Земля – масса 6 21 тонн, плотность 5,5 гр./см 3, скорость обращения вокруг Солнца – 30 км/сек.

ЛЕКЦИЯ № 7. Представление об элементарных частицах и их свойствах.

“Если бы мы должны были характеризовать основные идеи квантовой теории в одном предложении, мы могли бы сказать: следует предположить, что некоторые физические величины до тех пор считавшиеся непрерывными, состоят из элементарных квантов ”. (А.Эйнштейн)

В конце 19 века Дж.Томсон открыл электрон как элементарный квант (частицу) отрицательного электричества. Таким образом, и атомная, и электрическая теории ввели в науку непрерывные физические величины,которые могут меняться только скачками. Томсон показал, что электрон есть также один из составных элементов атома, один из элементарных кирпичиков, из которых построено вещество. Томсон создал первую модельатома, согласно которой атом представляет собой аморфную сферу, набитую электронами, подобно “булке с изюмом”. Извлечь электроны из атома сравнительно легко. Это можно сделать нагреванием или бомбардировкой атома другими электронами.

Однако, гораздо большая часть массы атомапредставлена не электронами, а остающимися частицами, значительно более тяжелыми – ядром атома. Это открытие было сделано Э.Резерфордом, который бомбардировал золотую фольгу альфа частицами и обнаружил, что есть места, где частицы отскакивают как будто бы от чего-то массивного, а есть места, где частицы свободно пролетают насквозь. Резерфорд создает на основе этого открытия свою планетарную модель атома. Согласно этой модели, в центре атома расположено ядро, которое сосредотачивает в себе основную массу атома, а вокруг ядра по круговым орбитам вращаются электроны.

Фотоэлектрический эффект.

В 1888-1890 годах фотоэлектрический эффект был исследован русским физиком А.П.Столетовым. Теорию фотоэффекта разрабатывал в 1905 году А.Эйнштейн. Пусть свет выбивает из металла электроны. Электроны вырываются из металла и устремляются вперед с определенной скоростью. Мы в состоянии подсчитать число этих электронов, определить их скорость и энергию. Если бы мы снова осветили металл светом той же длины волны, ноболее мощного источника, то следовало бы ожидать, что энергияиспускаемых электронов будет больше. Однако, ни скорость, ниэнергия электронов не изменяется при возрастании интенсивности света. Это оставалось проблемой до открытия кванта энергии М.Планком.

Открытие кванта энергии М.Планком.

Опираясь на корпускулярную теорию И.Ньютона, Планк в 1900 году предположил, что видимый нами белый свет состоит из небольших корпускул (зерен) или небольших порций энергии, несущихся в пустомпространстве со скоростью света. Планк назвал эти порции энергиифотонами. Энергия фотона равна произведению коэффициента пропорциональности (постоянной Планка –h = 6,6 х 10 –34 Дж х сек) и частоты колебаний волны (v (ню) – частота колебаний волны). E = h x v.

Сразу стало понятно, что квантовая теория света дает объяснение фотоэлектрическому эффекту. Итак, поток фотонов, падает на металлическую пластинку. Фотон ударяется об атом и выбивает из него электрон. Вырванный электрон будет в каждом случае иметь одинаковую энергию. Тогда понятно, что увеличение интенсивности света означаетувеличение числа падающих фотонов. В этом случае из металлическойпластинки было бы вырвано большее число электронов, но энергия каждогоотдельного электрона не изменилась бы.

Энергия световых квантов различна для лучей разных цветов, волнразной частоты. Так, энергия фотонов красного света вдвое меньше энергии фотонов фиолетового света. Рентгеновские же лучи состоят из фотонов гораздо большей энергии, чем фотоны белого света, то есть длина волны рентгеновских лучей гораздо меньше.

Испускание светового кванта связано с переходом атома от одного энергетического уровня к другому. Энергетические уровни атома, как правило дискретны, то есть в невозбужденном состоянии атом не излучает, он стабилен. На основе этого положения Н.Бор создает свою модель атома в 1913 году. Согласно этой модели, в центре атома расположено массивное ядро вокруг которого по стационарным орбитам вращаются электроны. Атом излучает энергию не постоянно, а порциями (квантами) и только в возбужденном состоянии. В этом случае мы наблюдаем переход электронов с внешней орбиты на внутреннюю. В случае же поглащения атомом энергии имеет место переход электронов с внутренней орбиты на внешнюю.

Вышеперечисленные открытия, да и многие другие нельзя было понять и объяснить с точки зрения классической механики. Нужна была новая теория, которая и была и получила создана в 1925-1927 годах название квантовой механики.

После того, как физики установили, что атом не является последним кирпичиком мироздания, а сам состоит из более простых частиц, то начался поиск элементарной частицы. Элементарной частицой называют такую частицу, которая меньше атомного ядра (начиная с протона, электрона, аееанейтрона). На сегодняшний день известно более 400 элементарных частиц.

Как мы уже знаем, первой открытой в 1891 году элементарной частице был электрон. В 1919 году Э.Резерфорд открывает протон, положительно заряженную тяжелую частицу, входящую в состав атомного ядра. В 1932 году английский физик Джон Чэдвик обнаруживает нейтрон, тяжелую частицу не имеющую электрического заряда и тоже входящую в состав атомного ядра. В 1932 году Полем Дираком была предсказана первая античастица – позитрон, по массе равная электрону, но обладающая противоположным (положительным) электрическим зарядом.

С 50-ых годов 20 века основным средством открытия и исследования элементарных частиц стали сверхмощные ускорители – синхрофазотроны. В России первый такой ускоритель был создан в 1957 году в городе Дубне. С помощью ускорителей были открыты античастицы: позитрон, а в последствии антипротон и антинейтрон (античастица не имеющего электрического заряда, но имеющая барионный заряд, противоположный барионному заряду нейтрона). С этого времени стали выдвигаться гипотезы о возможном существовании антивещества, антиматерии, а возможно даже и антимиров. Однако экспериментального подтверждения этой гипотезы пока не получено.

Одна из существенных особенностей элементарных частиц состоит в том, что они имеют крайне незначительные массы и размеры. Масса большинства из них составляет 1,6 х 10 –24 гр., а размер порядка 10 –16 см в диаметре.

Другое свойство элементарных частиц – это способность рождаться и уничтожаться, то есть испускаться и поглощаться при взаимодействии с другими частицами. Например, при взаимодействии (аннигиляции) двух противоположных частиц электрона и позитрона выделяется два фотона (кванта энергии): е - + е + = 2 j ц

Следующим важным свойством является трансмутаия, то есть слияние частиц друг с другом при взаимодействии, причем с увеличением массы получившейся частицы. Новая масса частицы больше суммы двух соединившихся частиц, так как часть энергии, выделившейся при слиянии, переходит в массу.

Частицы различаются по 1. Видам взаимодействия; 2. По типам взаимодействия; 3. По массе; 4. По времени жизни; 5.По спину; 6. По заряду.

1. Виды взаимодействия.

Сильное взаимодействие – обусловливает связь между протонами и нейтронами в атомных ядрах.

Электромагнитное взаимодействие – менее интенсивно, чем сильное, определяет связь между электронами и ядром в атоме, а также связь между атомами в молекуле.

Слабое взаимодействие вызывает медленно текущие процессы, в частности процесс распада частиц.

Гравитационное взаимодействие – это взаимодействие между отдельными частицами; сила этого взаимодействия в квантовой механике крайне мала вследствие коротких расстояний и малости масс, но его сила значительно возрастает при взаимодействии больших масс.

2. Типы взаимодействия.

В квантовой механики все элементарные частицы могут взаимодействовать только по двум типам: адронному и лептонному.

3. Масса.

По массе частицы подразделяют на тяжелые (протон, нейтрон, гравитон и др.), промежуточные и легкие (электрон, фотон, нейтрино и др.)

Дата добавления: 2014-01-07