Физика элементарных частиц.

Введение.

Целью моего реферата является раскрытие понятий неклассической и постнеклассической наук. Для решения поставленной задачи в работе рассмотрены предпосылки для становления наук и описание охватываемых ими областей знаний.

Кризис классической науки.

К концу XIX века классическая наука приняла законченный вид. Получили свою завершенность фундаментальные идеи естествознания и соответствующие им принципы - сохранения, относительности, направленности процессов, периодичности. Считалось, что научная картина мира практически построена, и если и предстоит какая-либо работа исследователям, то это уточнение некоторых деталей.

Однако на пути построения единой естественнонаучной картины мира появились некоторые препятствия. И связаны они были в первую очередь с наукой, позволившей раздвинуть горизонты познания в микро- и мегамира – оптикой, и появлением экспериментальных фактов, которые классическая физика не могла объяснить. Свет всегда был загадкой для науки. В представлениях XVII-XVIII веков поддерживалось две гипотезы о его природе: свет есть поток особых световых корпускул (Ньютон), и свет есть поток волн (Гюйгенс). Но так как авторитет Ньютона в те времена был непререкаем, господствовала первая гипотеза. В начале XIX века опыты Т.Юнга (1773-1829) и О.Френеля (1788-1827) по интерференции и дифракции утвердили представления о волновой природе света. Теоретическое обоснование эта точка зрения получила в классической электродинамике Максвелла.

Однако такие явления как излучение нагретых тел, фотоэффект, закономерности в спектрах атомов металлов не вписывались в ее рамки. Наука никак не могла найти теоретического обоснования периодического закона Д.И.Менделеева. В конце XIX века потерпела окончательное поражение теория мирового эфира. Скорость света оказалась постоянной и не зависящей ни от эфира, ни от скорости движения источника. Классическая наука оказалась бессильной в объяснении природы рентгеновских лучей (1895), радиоактивности (1896) и электрона (1897). При исследовании радиоактивности обнаружилось невыполнение закона сохранения массы. В астрономии появился ряд фактов, противоречащих представлению о стационарности Вселенной. Американский астроном П.Ловелл (1855-1916), используя методы спектроскопии, заметил разбегание галактик и измерил скорости некоторых из них, однако наука XIX века не смогла дать объяснения этим фактам. Нуждался в ревизии ряд гносеологических позиций классической науки. Как известно, она рассматривает поведение закрытых систем. Но рассмотрение любого объекта или системы в отрыве от их взаимосвязей с другими объектами или системами весьма условно. Исследуемая система всегда всего лишь часть некой другой, более сложной. Невзрачную роль «постороннего наблюдателя» классическая наука отводит и самому экспериментатору. Он, находясь за пределами исследуемой им системы, безучастно фиксирует, происходящие в ней события. Но в реальности, являясь частью сложной системы «наблюдатель-объект», он своим вмешательством, безусловно, оказывает влияние на последние.

Для разрешения кризиса и истолкования новых явлений и фактов нужны были новые гипотезы, идеи и теории.

Неклассическая наука.

Теория относительности.

Неклассическая наука и, соответственно, неклассическая естественно-научная картина мира во многом сформировались под воздействием двух разделов физики, возникших в XX в. – теории относительности и квантовой механики.

Теория относительности или релятивистская (лат. relativus - относительный) механика перевернула представления о пространстве, времени, строении материи и существенным образом повлияла на развитие научного мировоззрения. Сегодня она является общепризнанной теорией. Ее отцом по праву считают А. Эйнштейна (1879-1955). В 1905 году он опубликовал статью «К электродинамике движущихся сред», идея которой заключалась в том, что при описании явлений природы нужно отказаться от ньютоновских понятий абсолютного пространства и абсолютного времени. А. Эйнштейн отказался от господствовавшей в то время теории мирового эфира, высказал и обосновал два постулата:

– скорость света в вакууме одинакова во всех инерциальных системах отсчета (ИСО) и равна 3∙10⁸ м/с;

– законы природы и выражающие их уравнения инвариантны во всех ИСО.

Эти постулаты легли в основу специальной теории относительности (СТО). Почва для ее рождения готовилась физикой всю вторую половину XIX века. Ее математический аппарат был заложен в работах немецкого математика и физика, Г.Минковского (1864-1909) и А.Пуанкаре (1854-1912) - крупнейшего французского математика, физика и философа. Значительный вклад в ее становление внесли американец А.Майкельсон (1852-1931), англичанин Фицджеральд (1851-1901) и нидерландский физик Г.Лорентц (1853-1928). Майкельсон измерил скорость света и доказал ее постоянство. Она оказалась равной ~ 300 000 км/с. Это огромная скорость по сравнению со всеми наблюдаемыми в природе скоростями. Например, скорость современного самолета ~ 0,5 км/c, орбитальная скорость движения Земли ~ 30 км/с. Фицджеральд и Лоренц объяснили результаты опытов Майкельсона и предложили гипотезу о сокращении линейных размеров тел, движущихся с околосветовыми скоростями. Но лишь глубокая интуиция и понимание физической природы реальности, присущие А. Эйнштейну, помогли ему связать физику с геометрией и сформировать представления о пространстве, времени и гравитации, отличные от классических.

В СТО пространство и время связаны через движение, а положение тела описывается четырьмя координатами: x, y, z, t. Теперь уже речь идет не просто о пространстве или просто о времени, а о «пространстве-времени», которое характеризуется величиной, называемой интервалом, и связывающей пространственные расстояния и промежутки времени, разделяющие два события. Интервал является инвариантом.
Свойства объектов (масса, длина) и время протекания процессов зависят от скорости движения системы отсчета, в которой находится объект или протекает процесс. С увеличением скорости тел возрастает их масса, а линейные размеры в направлении движения сокращаются, замедляется время протекания процессов. Одновременность двух событий, протекающих в разных ИСО относительна. Иной, чем в классической механике вид имеет и закон сложения скоростей. Уравнения СТО, описывающие движение тел со скоростями, близкими к скоростям света, составляют основу релятивистской механики. При малых скоростях движения (v << c) эти уравнения переходят в уравнения классической механики. В этом проявляется важнейший методологический принцип естествознания – принцип соответствия, выражающий требование преемственности знаний при переходе от более сложных моделей мира к более простым.

СТО, раскрыв взаимосвязь пространства и времени между собой, не смогла ответить на вопросы о том, как связаны они с телами, находящимися в пространстве, и полями тяготения. Процесс поиска ответа на эти вопросы завершился построением общей теории относительности (ОТО). Оказалось, что сами материальные тела, их распределение в пространстве и движение полностью определяют геометрию пространства и свойства времени.Вблизи массивных тел силовые линии гравитационного поля искривляются и пространство становится римановым. Принцип относительности в ОТО приобретает еще более общую форму: движение тел в неинерциальной системе отсчета подчиняется тем же законам, что и движение в инерциальной системе в присутствии гравитационного поля. Современная наука сумела поставить лишь несколько подтверждающих экспериментов. Попытки теоретических расчетов также в ряде случаев дают противоречивые результаты. Например, модельные расчеты полей тяготения для материальной точки и шара показали, что эти тела создают вокруг себя поле, энергия которого равна нулю. Для того, чтобы снять это противоречие, Эйнштейну пришлось ввести допущение, что гравитационное поле не имеет энергии в отдельной точке пространства, она как бы принадлежит всему полю в целом. В рамках ОТО Эйнштейном была установлена эквивалентность между инертной и тяготеющей массами, между массой и энергией и получено уравнение, связывающее их:

Е=mc².
Масса и энергия проявляются одна через другую. И в элементарных актах превращения они могут переходить одна в другую. Такая интерпретация позволяет объяснить кажущееся невыполнение закона сохранения массы при радиоактивном распаде, когда масса распадающейся частицы оказывается большей, чем сумма масс образовавшихся частиц. Очевидно, здесь необходимо говорить не о законах сохранения массы или энергии, а о законе сохранения массы-энергии. Несмотря на то, что наука пока не имеет фактов, опровергающих выводы теории относительности, необходимо понять, что это тоже физическая модель, которая имеет определенные ограничения: ее выводы справедливы в макромире.

Квантовая механика.

Разрешение затруднений классической физики в описании явлений микромира было связано с осознанием ограниченности применения ее моделей для этой области, необходимости смены аксиоматического аппарата и разработки новых методов исследования. Завершилось оно рождением новой теории – квантовой, устанавливающей способ описания и законы движения микрочастиц во внешних полях.

Первой важной вехой в ее становлении стала квантовая гипотеза Планка-Эйнштейна: свет излучается, распространяется и поглощается квантами, энергия которых определяется выражением:

E=h∙ν

где ν – частота излучения, h= 6,62∙10^-34 Дж∙с – постоянная Планка.

Сочетание этой гипотезы с методами классической науки позволило построить непротиворечивую теорию фотоэффекта и объяснить закономерности в спектрах нагретых тел.

Вторым важным моментом в становлении новой физики стала теория атома водорода, разработанная Н.Бором. Принятая в начале века планетарная модель представляла атом водорода как систему, состоящую из тяжелого ядра и вращающегося вокруг него легкого электрона. Как известно из механики, любая частица, движущаяся по круговой орбите, обладает ускорением. В то же время, исходя из электромагнитной теории, заряд, движущийся ускоренно должен излучать энергию. Из-за потери энергии радиус его орбиты должен уменьшаться, а траектория движения иметь вид спирали. Через промежуток времени 10^-9 с электрон упадет на ядро, и атом как самостоятельная химическая единица перестанет существовать. Однако большинство химических элементов стабильно, благодаря чему и существуют устойчивые неорганические и органические соединения, планеты, строения и сооружения, разнообразные биологические формы и сам человек. Кроме того, при движении электрона по спирали его излучение должно было бы иметь сплошной спектр. Наблюдаемые же в эксперименте спектры атомов дискретны и представляют серии узких спектральных линий. Для преодоления этих противоречий Бору пришлось ввести два постулата и понятия «стационарная орбита» и «стационарное состояние», существование которых подтвердили проведенные в 1913 году опыты Франка и Герца:
– большую часть времени электроны в атомах находятся на стационарных орбитах, при движении по которым они не излучают и не поглощают энергии;
– излучение или поглощение происходит при переходе электрона с одной стационарной орбиты на другую, при этом выполняется условие:

hν = E_n − E_m,

где E_n ,E_m — энергетические уровни, между которыми осуществляется переход.
Для построения теории излучения многоэлектронных атомов необходимо было знать, какие законы управляют распределением электронов по энергетическим состояниям. Понимание этого пришло лишь после открытия спинаэлектрона (англ. spin – вращение). Это позволило охарактеризовать состояние электронов в атоме с помощью набора квантовых чисел, определяющих возможные дискретные (квантованные) значения энергии, орбитального и спиновых моментов, а также найти их распределение по стационарным орбитам (или уровням).

В 1925 году швейцарский физик-теоретик В. Паули (1900-1958) обосновал принцип: в любой квантовой системе два или более электрона не могут одновременно находиться в одном и том же квантовом состоянии. Это фундаментальный закон природы, ему подчиняются все частицы с полуцелым спином, к которым относится электрон.

Формирование новых представлений о природе корпускулярно - волнового дуализма завершило подготовительный этап в развитии квантовой физики. В 1924 году француз Луи де Бройль (1892-1987) пришел к мысли о том, что сочетание волновых и корпускулярных свойств является фундаментальным свойством материи и присуще не только излучению (полю), но и веществу. С любым движущимся материальным объектом можно сопоставить корпускулярные характеристики - координаты в пространстве (т.е. траекторию), энергию, импульс, и волновые - длину волны или частоту. Это заключение привело Н. Бора к открытию принципа дополнительности: ни одна теория не может описать объект столь исчерпывающим образом, чтобы исключить возможность альтернативных подходов. «Несовместимости» с точки зрения классической науки в рамках неклассической не исключают, а дополняют друг друга.

В 1927 году американцами К. Дэвиссоном и Л. Джермером и независимо от них советским ученым П.С. Тартаковским волновые свойства электронов были обнаружены в эксперименте по дифракции электронов на кристаллических структурах. Позднее будут обнаружены волновые свойства и у других микрочастиц. Микрочастицы имеют потенциальную способность проявлять корпускулярные или волновые свойства в зависимости от условий наблюдения. Наблюдая их треки в камере Вильсона, мы можем охарактеризовать корпускулярные свойства микрочастиц. Наблюдая их дифракцию на различных структурах, мы можем охарактеризовать их волновые свойства.

Исторически первой квантовой теорией была матричная механика немецкого физика В.Гейзенберга (1901-1976). Но наиболее широкое распространение для описания микромира получило уравнение австрийца Э.Шредингера (1887-1961), который, используя гипотезу де Бройля и ряд других соотношений, разработал волновую (квантовую) механику, доказал ее идентичность с матричной механикой Гейзенберга, вывел дифференциальное уравнение, описывающее характер поведения электрона в атоме. При этом ему пришлось ввести так называемую волновую функцию Y = Y(x,y,z,t), физический смысл которой был истолкован позднее М.Борном (1882-1970): квадрат модуля волновой функции пропорционален плотности вероятности нахождения частицы в данной точке объема. То есть волны де Бройля - это не волны в классическом смысле, их нельзя представить в виде механических или электромагнитных, это волны вероятности. Волновая функция лишь вероятностно описывает поведение электрона в атоме. Вместо классической орбиты электрона рассматривается своеобразное «электронное облако». Вероятностная трактовка волновой функции отражает присущие микрочастицам элементы случайного в их поведении. Это значит, что предсказания в квантовой механике, в отличие от классической, имеют вероятностный характер, а случайность поведения присуща не только коллективу частиц, но и одной, отдельно взятой частице.

Эта специфика проявляется в фундаментальном законе, открытом в 1927 году Гейзенбергом, – соотношениях неопределенностей, смысл которых заключается в том, что невозможно одновременно с одинаковой точностью определить координату и импульс (скорость) или энергию и время взаимодействия частиц. Это утверждение имеет еще одно название – принцип неопределенности.

Применение принципа неопределенности к квантовым системам позволило объяснить такие необъяснимые с точки зрения классической физики явления, как туннельный эффект (просачивание α-частиц сквозь потенциальный барьер) и ряд других.

Гейзенберг первым поставил вопрос о влиянии наблюдателя, приборов и условий на производимый эксперимент, полученные в его ходе результаты и их интерпретацию. Если классическая физика понимает роль экспериментатора как стороннего наблюдателя, то в квантовой механике он является составной частью системы, в которой наблюдается явление, и принципиально неотделим от объекта наблюдения. Он не просто «созерцатель» событий, происходящих в исследуемой системе, он их активный участник. Используя измерительные приборы, он, пусть и незначительно, но вмешивается в ход протекающих событий и не учитывать этого нельзя.

Таким образом, квантовая механика смогла объяснить электронную структуру химических элементов и спектральные закономерности, обосновать периодическую систему, построить теорию химической связи, стать базой для развития квантовой химии и фотохимии

Физика элементарных частиц.

Проблема поиска «первокирпичиков» мироздания занимала ученых и философов со времен античности. Но по-настоящему заняться ее решением оказалось возможным только в ХХ веке, когда были разработаны для этого экспериментальная техника и математический аппарат. Развитие физики элементарных частиц позволило разработать протонно-нейтронную теорию строения ядра атома (Д.Д.Иваненко, В.Гейзенберг). Ядро, как и атом, оказалось сложной системой взаимодействующих элементарных частиц.

Сегодня выделяют четыре уровня организации микромира: молекулярный, атомный, нуклонный и кварковый. Достижения современной физики позволили выделить его структурные элементы - элементарные частицы. Элементарными называют такие частицы, которые на современном уровне развития науки нельзя считать соединением других, более простых частиц. Однако в настоящее время неизвестно, какие частицы в действительности заслуживают названия элементарных, неизвестен критерий, по которому ту или иную частицу можно отнести к этому статусу. Поэтому элементарными условно называют группу микрочастиц, не являющихся атомами или атомными ядрами. На сегодня обнаружено несколько сотен частиц, но лишь около 30 из них можно считать более или менее стабильными (имеющими время жизни ~ 10-22с), а истинно элементарными еще меньше. В основу классификации элементарных частиц положено несколько свойств, прежде всего: масса, время жизни, спин, заряд. По массе частицы объединены в группы: легкие (лептоны), средние (мезоны) и тяжелые (барионы). Средние и тяжелые частицы получили название адронов. На сегодняшний день из них лишь лептоны считаются истинно элементарными частицами, так как пока нет ни теоретических, ни экспериментальных данных, которые бы свидетельствовали о наличии у них какой-либо тонкой структуры. Все лептоны участвуют в слабых взаимодействиях, а лептоны, обладающие электрическим зарядом - к тому же еще и в сильных. Среди микрочастиц специально выделяют те, которые имеют время жизни, значительно меньшее 10-22 с. Их называют резонансами. Различают частицы реальные, то есть те, которые можно непосредственно зафиксировать с помощью приборов (как правило, они имеют большое время жизни – электрон, протон, нейтрон и др.) и частицы виртуальные (возможные), о существовании которых можно судить лишь опосредовано, по некоторым их проявлениям через какие-то вторичные эффекты. Согласно квантовой теории поля все взаимодействия осуществляются благодаря обмену виртуальными частицами. Почти все частицы имеют соответствующие им античастицы.

Фундаментальные частицы, из которых состоят все адроны назвали кварками. Расчеты показали, что кварки имеют дробный электрический заряд по отношению к заряду электрона. Раздел физики, изучающий кварки, получил название квантовой хромодинамики. На сегодняшний день известно шесть кварков. Они, как и лептоны, считаются истинно элементарными частицами.

Исходя из значения спина, все частицы делят на фермионы, имеющие полуцелый спин, и бозоны, имеющие целый спин. К фермионам относится множество частиц, среди которых электроны, протоны, нейтроны. Распределение фермионов подчиняется строгому правилу, которое получило название принципа Паули: в одной квантовой ячейке не могут находиться частицы, имеющие одинаковые квантовые состояния. Возбужденные состояния силовых полей называют фундаментальными бозонами. Таких состояний насчитывается тринадцать. В отличие от фермионов бозоны не подчиняются запрету Паули. Элементарные бозоны являются переносчиками всех видов фундаментальных взаимодействий, каждому из которых соответствует свой вид бозона: гравитационному - гравитон, электромагнитному - фотон, ядерному - глюон, слабому - тяжелый бозон.

Изучая явления микромира, физики пытаются найти взаимосвязь между разными видами взаимодействий и построить их объединенную теорию. Еще Эйнштейн предполагал возможность объединения электромагнитных взаимодействий с гравитационными. В семидесятых годах двадцатого столетия была высказана гипотеза, что электромагнитное поле является частью более общего электрослабого поля, состоящего из нескольких компонент. Предполагается, что некоторые элементарные частицы излучают и поглощают кванты электрослабого поля, и многочисленные опыты это подтверждают, хотя идея не считается полностью доказанной. Были высказаны гипотезы о том, что на расстояниях 10^{-18 м слабые взаимодействия объединяются с электромагнитными, а на расстояниях - 10-32 м электрослабые взаимодействия объединяются с сильными. Но ученые пока не умеют работать со столь малыми расстояниями.}

Новые представления о структуре материи и объединении взаимодействий ученые связывают с динамическим (физическим) вакуумом. По классическим представлениям, вакуум - это абсолютная пустота. Но таковой не бывает. Отсутствие вещества еще не означает отсутствия поля. Современная наука трактует вакуум как состояние материи с наименьшей энергией при отсутствии вещества (то есть вакуум - это невозбужденное состояние поля).

Постнеклассическая наука.

По сравнению с классической наукой, неклассическая расширила пределы познания, перевела его на новый, более сложный уровень, но, как и классическая наука, она оказалась ограниченной и бессильной в создании подлинно единой научной картины мира. Это привело к становлению новой, постнеклассической науки. Для нее в целом характерна ситуация единения физики, химии, биологии, причем такое единение просматривается на всех уровнях – предметном, методологическом, терминологическом и понятийном.

В контексте различных и даже противоречивых концепций можно говорить о новой научной картине мира, создаваемой постнеклассической наукой (термин В.С. Степина). Процесс ее построения еще не завершен, но основные контуры уже очевидны.

Основу постнеклассической науки составляют термодинамика неравновесных, нелинейных открытых систем (синергетика), идея универсального эволюционизма, антропный принцип, виртуалистика, теория сложности. Синергетика изучает переходные процессы, пытаясь увидеть за ними законы самоорганизации. Виртуалистика исследует виртуально-информационную или шире – виртуальную реальность. Концепция универсального эволюционизма представляет всю природу в виде единого процесса развития и ищет законы эволюции, общие для вселенной, биосферы, социума и человека. Концепция сложности пытается сформулировать специфические особенности сложных человекомерных систем.

Во всех этих концепциях и теориях налицо объекты, рассматриваемые как процессы, как «вечное движение», «как текущая вещь», эволюционирующая в каком-то направлении. Примерами таких “объекто-процессов” являются переходы между фазовыми состояниями, динамический хаос, фракталы и т.п. Роль субъекта в новой науке ещё больше усилилась, т.к. сложные человекомерные системы стали основным предметом изучения.

Объективная истина классической науки и даже объект-субъектная истина неклассической науки оказались недостаточны для понимания переходных процессов и хаоса. Идут поиски нового, постнеклассического понимания истины. Объектом постнеклассической науки, по мнению В.С. Стёпина, стали сложные человекомерные системы . Отсюда интерес к роли человека во вселенной, в бытии. В особенности большой интерес научного сообщества вызвал антропный принцип в космологии, синергетике и в целом в мировоззренческих основаниях современной науки. С точки зрения физики, этот принцип объясняет, почему в наблюдаемой нами Вселенной имеет место ряд нетривиальных соотношений между фундаментальными физическими параметрами, которые необходимы для существования разумной жизни.

Возможно, более правильное название для постнеклассической науки –синергетическая наука . Ведь классическая наука – в сущности механистическая, неклассическая – квантово-релятивистская, а постнеклассическая – синергетическая.

Фактически постнеклассическая наука есть результат осознания того, что в некоторых процессах появляется необходимость проводить системный анализ, изучать целое, а не только отдельно его части.

Заключение.

Таким образом, в XX веке устоявшееся было представление о природе, почти сложившаяся естественнонаучная картина мира рухнули вследствие новых открытий, расширения границ познания. Появилась необходимость объяснения наблюдаемых явлений, что привело к созданию новой науки, неклассической, которая разрешила бы парадоксы, возникшие при попытке объяснения этих явлений средствами классической науки.

С появлением новых областей науки радикально изменилось мировоззрение естествоиспытателей и установилось глубокое единство физики, химии и биологии в понимании основных явлений жизни, вследствие чего установилась постнеклассическая наука.

Список использованной литературы.

1. Блохинцев Д. И. Основы квантовой механики. –– М.: Наука, 1976. — 664 с.

2. Дирак П. Принципы квантовой механики. –– М.: Наука, 1979. — 480 с.

3. Терлецкий Я. П. Парадоксы теории относительности — М.: Наука, 1966. — 120 с.

4. Фок В. А. Теория пространства времени и тяготения. — М.: Гос.изд. физ.-мат. лит., 1961. — 568 с.

5. Черникова И. В. Философия и история науки. –– Томск: НТЛ, 2001. –– З60 с.