Современная физическая картина мира

Первоначально казалось, что гипотеза кварков позволяет понять мир только сильно взаимодействующих частиц - адронов. Однако через некоторое время было обращено внимание на удивительную симметрию между кварками и лептонами. Таким образом, на роль фундаментальных частиц выдвинулись лептоны и кварки. А чтобы объяснить взаимодействие между фундаментальными частицами пришлось добавить 8 разновидностей глюонов, связывающих между собой кварки, и три промежуточных бозона, переносящих слабое взаимодействие. По общему мнению физиков, список фундаментальных частиц нельзя считать завершенным.

Создание структурных моделей элементарных частиц не только объяснило их классификацию, но и позволило раскрыть структуру взаимодействий. Неожиданно обнаружилось, что при высоких энергиях адроны взаимодействуют так, как если бы входящие в них кварки были почти независимы (принцип асимптотической свободы). Таким образом, оказалось, что взаимодействие с адроном можно разложить на взаимодействия с отдельными кварками, а свойства адрона можно получить относительно простым суммированием свойств входящих в него кварков. Большое значение имело создание единой теории слабых и электромагнитных взаимодействий. Воодушевленные успехов, физики исследуют проблемы единой теории трех типов взаимодействий в микромире, включающей и сильное взаимодействие, а также мечтают о возможности суперобъединения, которое включало бы и гравитацию. В таком объединении в единую структуру материи наряду с кварками, лептонами, глюонами и промежуточными бозонами вошли бы и гравитоны.

Таким образом, переход на теоретический уровень представляет собой локальную научную революцию в области физики элементарных частиц. В то же время, общие представления физической картины мира квантовых процессов сохраняют свое значение и в этой области. В квантовофизической картине мира лишь появились новые компоненты, связанные с более глубоким пониманием единства основных типов квантовых взаимодействий, а также значения внутренней связи принципов симметрии с динамикой процессов. Появился также и новый, требующий разрешения, вопрос: какова базовая основа предлагающихся единых теорий, какой объект может претендовать на роль такой основы. Современная физика рассматривает этот вопрос в связи с изучением свойств физического вакуума.

3. Физический вакуум. Что понимают под физическим вакуумом?

Еще П. Дирак в первые годы после появления квантовой механики выдвинул гипотезу о существовании фона электронов, находящихся на отрицательном уровне энергии и поэтому недоступных наблюдению. Следствием существования такого фона является реакция возникновения пары электрон-позитрон за счет фотона большой энергии и обратный процесс аннигиляции.

Долгое время вакуум был синонимом полной пустоты, пространства, в котором ничего не происходит и происходить не может, так как в нем нет ни материальных частиц, ни энергии. Однако с развитием квантовой теории поля (квантовой электродинамики) выяснилось, что вакуум можно рассматривать как сцену, на которой разыгрываются виртуальные, то есть ненаблюдаемые процессы. Появился термин «физический вакуум», под которым понимают средоточие виртуальных частиц, непрерывно рождающихся на короткие мгновения и тут же исчезающих. В соответствии с современными представлениями, они рождаются парами «частица-античастица» и исчезают в результате аннигиляции. Рождение и уничтожение виртуальных частиц и есть квантовые флуктуации. Поскольку любые флуктуации - это колебания вокруг некоторого среднего значения, физический вакуум рассматривается как квантовая система в состоянии с минимальной энергией, в среднем равной нулю. Поэтому квантовые флуктуации вакуума часто называют нулевыми колебаниями электромагнитного поля.

Таким образом, вакуум оказывается не пустым, а заполненным виртуальными частицами, которые не поддаются регистрации, но при определенных условиях становятся реальными - например, при наложении внешнего поля большой энергии. Кроме того, они могут оказывать действие на внесенные в вакуум реальные частицы и поля. Одним из таких действий является, например, эффект Казимира.

Этот эффект известен физикам уже достаточно давно. В 1948 году датский физик Хендрик Казимир в результате теоретических исследований предсказал, что если поместить в вакуум две незаряженные металлические пластинки, расположив их параллельно и крайне близко одна к другой (на расстоянии порядка микрона), то между ними возникает взаимное притяжение. Сила притяжениия обратно пропорциональна четвертой степени расстояния между пластинами, то есть с уменьшением расстояния резко возрастает. Но даже при субмикронных расстояниях она остается настолько малой, что экспериментально обнаружить эффект Казимира удалось только через 10 лет после его предсказания, а провести непосредственные измерения - только в 1996 году. Наиболее интересно то, что появление такого притяжения обусловлено свойствами вакуума - его квантовыми флуктуациями.

Согласно квантовой механике, в микромире каждая частица обнаруживает и волновые свойства. Это распространяется и на виртуальные частицы, причем нулевым колебаниям вакуума соответствуют различные длины волн. При эффекте Казимира две параллельные пластинки можно рассматривать как резонатор, в котором существуют только те волны, для которых соблюдается условие резонанса: на расстоянии L между пластинками укладывается целое число длин полуволн. В пространстве между пластинами не могут рождаться виртуальные фотоны с длинами волн, превышающими критическую. Поэтому плотность энергии нулевых колебаний в зазоре между пластинками меньше, чем снаружи, что и обуславливает притяжение пластинок.

Обеспечить параллельность пластинок при субмикронном зазоре чрезвычайно трудно, поэтому большинство экспериментов по исследованию эффекта Казимира проводили, заменяя одну из пластин сферой. В этом случае сила притяжения обратно пропорциональна кубу расстояния между сферой и пластиной. В 1999 году такой эксперимент выполнили Мохидин и Рой в Калифорнийском университете. Притяжение между плоской и сферической металлическими поверхностями исследовали при помощи так называемого атомного силового микроскопа. Был учтен вклад электростатических зарядов, неровности поверхностей и прочих мешающих факторов. Удалось также обнаружить предсказанную зависимость величины эффект от температуры тел. Теория была подтверждена с точностью до 1%.

Другие исследования эффекта Казимира были выполнены группой американских физиков в 2001 году. Пластина, положенная на два параллельных тонких пьезоэлектрода, могла наклоняться в обе стороны относительно середины. Выполненные измерения привели исследователей к выводу, что эффект Казимира будет играть роль неустранимой помехи в микромашинах будущего с движущимися частями. Как бы мы не старались устранить электростатические силы и избежать трения, отдельные детали все равно станут притягиваться за счет силы Казимира.

Величина этой силы, однако, зависит от геометрии поверхностей. В случае пластин она всегда действует перпендикулярно их плоскости. В 1997 году американский физик Кардар предположил, что если две пластины сделать рифлеными, можно заставить силу Казимира действовать вдоль поверхности, пластины будут не притягиваться, а смещаться, чему можно найти полезное применение. Последний по времени эксперимент подтвердил это. Экспериментаторы поместили две гофрированные золотые пластины в вакуум на расстоянии несколько сотен нанометров, совместив их выпуклости и вогнутости. Когда пластины немного сместили, появилась сила, возвращающая их в исходную позицию. Так впервые физики заставили работать вакуум с его виртуальными частицами.

Поиск единства естественнонаучного знания предполагает проблему определения исходного пункта теории. Данная проблема является особенно важной для современной физики, где используется единый подход для построения теории взаимодействий. Новейшее развитие физики элементарных частиц привело к возникновению и становлению ряда новых концепций. Важнейшими из них являются следующие:

- идея геометрической интерпретации взаимодействий и квантов физических полей;

- представления об особых состояниях физического вакуума - поляризованных вакуумных конденсатах.

Геометрическая интерпретация частиц и взаимодействий реализована в так называемых калибровочных и субкалибровочных теориях. В 1972 году Ф. Клейном была выдвинута «Эрлангенская программа», в которой выражалась идея систематического применения групп симметрий к изучению геометрических объектов. Далее, в 1979 году была создана единая теория электромагнитных и слабых взаимодействий. А сейчас активно разрабатываются теории Великого объединения, охватывающие сильное и слабое взаимодействия, а также теории Суперобъединения, включающие единую систему сильного, электрослабого и гравитационного поля.

В теории Суперобъединения делается попытка впервые органично соединить понятия вещества и поля. До появления так называемых суперсимметричных теорий бозоны (кванты полей) и фермионы (частицы вещества) рассматривались как частицы, имеющие различную природу. В калибровочных теориях это различие до сих пор снять не удалось. Калибровочный принцип дает возможность свести действие поля к расслоению пространства, к проявлению его сложной топологии, а все взаимодействия и физические процессы представить как движение по траекториям расслоенного пространства. Это попытка геометризации физики. Бозонные поля являются калибровочными полями, непосредственно и однозначно связанными с определенной групповой симметрией теории, а фермионные поля вводятся в теорию достаточно произвольно. В теории Суперобъединения преобразования суперсимметрии способны переводить бозонные состояния в фермионные и наоборот, а сами бозоны и фермионы объединяются в единые мультиплеты.

В современной физике сильных взаимодействий основным объектом теоретических и экспериментальных исследований являются вакуумные конденсаты - области уже перестроенного вакуума с ненулевой энергией. В квантовой хромодинамике это кварк-глюонные конденсаты, которые являются носителями около половины энергии адронов.. В адронах состояние вакуумных конденсатов стабилизируется хромодинамическими полями валентных кварков, несущих квантовые числа адронов. Кроме того, существует еще и самополяризованный вакуумный конденсат. Он представляет собой область пространства, в которой отсутствуют кванты фундаментальных полей, но их энергия не равна нулю. Самополяризованный вакуум - пример того, как расслоение пространство-время является носителем энергии. Область пространства-времени с самополяризованным вакуумным глюонным конденсатом в эксперименте должна проявляться как мезон с нулевыми квантовыми числами (глюоний). Такая интерпретация мезонов для физиков имеет принципиальное значение, так как в этом случае мы имеем дело с частицей чисто геометрического происхождения. Глюоний может распадаться на другие частицы - кварки и лептоны, т.е. мы имеем дело с процессом взаимопревращения вакуумных конденсатов в кванты поля или, иначе говоря, с перекачкой энергии из вакуумного конденсата в вещество.

Современные физические теории демонстрируют тенденцию перехода от частиц - трехмерных объектов, к объектам нового вида, имеющими меньшую размерность. Считается, что у физических объектов, имеющих меньшую размерность, больше оснований претендовать на фундаментальный статус. В связи с тем, что физический вакуум претендует на фундаментальный статус, он должен обладать наибольшей общностью и ему не должны быть присущи частные признаки, характерные для множества наблюдаемых объектов и явлений. Физическая сущность, претендующая на фундаментальный статус, не должна быть составной, поскольку составная сущность имеет вторичный статус по отношению к составляющим.

Таким образом, требование фундаментальности и первичности для некоей сущности влечет за собой выполнение следующих основных условий:

- не быть составной;

- иметь наименьшее количество признаков, свойств и характеристик;

- иметь наибольшую общность для всего многообразия объектов и явлений;

- быть потенциально всем, а актуально ничем;

- не иметь никаких мер.

Не быть составной - это значит не содержать в себе ничего, кроме самой себя;

Относительно наименьшего количества признаков, свойств и характеристик идеальным должно быть требование - не иметь их вообще. Иметь наибольшую общность для всего многообразия объектов и явлений - это означает не обладать признаками частных объектов, поскольку любая конкретизация сужает общность. Быть потенциально всем, а актуально ничем - это означает оставаться ненаблюдаемым, но в то же время сохранять статус физического объекта. Не иметь никаких мер - это означает быть нульмерным.

Эти пять условий чрезвычайно созвучны с мировоззрением философов древности, в частности, представителей школы Платона. Они считали, что мир возник из фундаментальной сущности - из начального Хаоса. По их воззрениям, Хаос породил все существующие структуры Космоса. При этом Хаосом они считали такое состояние системы, которое остается на конечном этапе по мере некоего условного устранения всех возможностей проявления ее свойств и признаков.

Перечисленным выше пяти требованиям не удовлетворяет ни один дискретный объект вещественного мира и ни один квантовый объект поля. Отсюда следует, что этим требованиям может удовлетворять только непрерывная сущность. Поэтому физический вакуум, если его считать наиболее фундаментальным состоянием материи, должен быть непрерывным (континуальным). С такого рода физическим объектом - ненаблюдаемым, в котором нельзя указать никаких мер, физика еще не сталкивалась. Предстоит преодолеть этот барьер в физике и признать существование нового вида физической реальности - физического вакуума, обладающего свойством непрерывности. Несмотря на то, что физический вакуум является столь парадоксальным объектом, он все увереннее становится предметом изучения физики. В то же время, по причине его непрерывности, традиционный подход, основанный на модельных представлениях, для вакуума неприменим. Поэтому науке предстоит найти принципиально новые методы его изучения. Выяснение природы физического вакуума позволяет по-иному взглянуть на многие физические явления в физике элементарных частиц и в астрофизике. Вся видимая Вселенная и темная материя находятся в ненаблюдаемом, непрерывном физическом вакууме. Физический вакуум генетически предшествует физическим полям и веществу, он порождает их, поэтому вся Вселенная живет по законам физического вакуума, которые науке пока еще не известны.

физика термодинамика ньютон вакуум

Литература

1. Федотова О.Н., Трафимова Г.В., Трафимов С.А. Окружающий мир. 1 класс. Методическое пособие/ М.: 2012. -- 112 с.

2. Алексашина И.Ю. и др. Естествознание. Учебник для 10 класса. Базовый уровень/ 2-е изд. -- М.: 2008. -- 270 с.

3. Строение Земли. Серия "Эрудит". М.: 2007. -- 192 с.

4. Д. Бейли, Т. Седдон Доисторический мир. /пер. с англ. - М.: Росмэн, 1995. -- 160 с. (серия "Оксфордская библиотека")

5. Еськов К.Ю. История Земли и жизни на ней. Экспериментальное учебное пособие для старших классов. М.: МИРОС, 1999.

6. Петросова Р.А. и др. Естествознание и основы экологии. /М.: Дрофа, 2007. - 303 с.

7. Клинк Н.Ю. Краткий конспект лекций по КСЕ.- кафедра современного естествознания СПб ИНЖЭКОН ( филиал в г.Чебоксары), 2009.

8. Конспект лекций по КСЕ. - Сост. Ревская Н.В.- СПб: Альфа. 2008.-160 с.

9. Концепции современного естествознания. - Под ред. В.Н. Лавриненко.: М.ЮНИТИ, 2008.- 303 с.

10. Концепции современного естествознания: учебник для вузов под ред. С.И. Самыгина. - Ростов-н-Д.: Феникс, 2008, 2003. - 576 с.

11. Липовко П.О. Практикум по естествознанию - Ростов-на-Дону/ Феникс. 2008. - 320 с.

12. Лось В.А. Основы современного естествознания. Уч. пособие. М., ИНФРА, 2007. - 192 с

Размещено на Allbest.ru