Физические основания космологии и астрофизики

Размещено на http://www.allbest.ru/

Содержание

Введение

1. Сценарий развития Вселенной после Большого Взрыва

2. Современные представления об элементарных частицах как первооснове строения материи Вселенной

3. Классификация элементарных частиц

4. Кварковая модель

5. Микромир: концепции современной физики

6. Рождение и развитие представлений о квантах

7. Теория атома Н. Бора

8. Корпускулярно-волновой дуализм в современной физике

9. Заключение

Список литературы

Введение

Самое удивительное в природе - что то, что мы можем ее понять.

А. Эйнштейн

Чем постижимей становится Вселенная, тем она кажется бессмысленней.

С. Вайнберг

Человек с давних пор интересовался устройством Вселенной. Звезды притягивали к себе наших предков, заставляли смотреть на них с удивлением и трепетом. Физика добилась больших успехов в изучении макроскопических и микроскопических свойств природы, однако понимание и объяснение свойств Вселенной в целом происходило не так уверенно. Извечные вопросы, которые всегда волновали человечество, во многом не разрешены до сих пор. Как возникли звезды, планеты, вся Вселенная? Как развивалась эта Вселенная в прошлом, куда движется в настоящем и что ее ждет в будущем? На некоторые вопросы мы можем ответить сейчас, другие ждут своего ответа. Но каждый шаг вперед ставит также и новые вопросы, раздвигая области неведомого. Сколько вещества во Вселенной? Существуют ли во Вселенной другие виды материи? Неизвестна природа странных объектов, излучающих фантастическое количество энергии из дальнего Космоса. И так далее...

Тем не менее к настоящему времени сложились определенные научные представления о происхождении и эволюции Вселенной. Одним из основных затруднений при изучении астрономических и космологических явлений и объектов является то, что над ними нельзя провести контрольных экспериментов.

Можно наблюдать лишь естественный ход событий. Поэтому поразительным является не безграничное разнообразие наблюдаемых астрономических событий, а возможность, анализируя эти явления, делать выводы относительно эволюции звезд и галактик на протяжении миллиардов лет.

Остановимся на физических основаниях космологии и астрофизики. Предметом космологии является изучение строения, происхождения и эволюции Вселенной как целого. Поэтому космология связана с общей теорией относительности (ОТО), поскольку во Вселенной приходится иметь дело с огромными расстояниями, скоростями и огромными массами.

1 .Сценарий развития Вселенной после Большого Взрыва

Сразу после БВ Вселенная представляла собой сингулярность -- область с очень высокой плотностью энергии из элементарных квантов электромагнитного излучения огромных энергий со взаимными превращениями. Приблизительно через 1 с Вселенная стала расширяться с уменьшением плотности и температуры. При предполагаемых громадных плотностях (~1025 г/см3) и температурах (~1016К) вещество состояло только из элементарных частиц -- протонов и нейтронов. Частицы движутся так быстро, что при столкновениях образуются парами новые частицы (частица--античастица). Чем выше температура Вселенной, тем более тяжелые частицы могут рождаться при столкновениях.

Предполагается, что качественный состав элементарных частиц, образовавших новую Вселенную, менялся при ее расширении. Когда Вселенной «исполнилось» 10-43 с, все фундаментальные взаимодействия в Природе были объединены и имели одинаковую интенсивность. Через 10-23 с возникли тяжелые фундаментальные частицы -- кварки и антикварки. По мере уменьшения температуры и роста времени за счет аннигиляции число пар этих тяжелых частиц уменьшилось, затем они быстро исчезали. Далее еще через 10-2 с после БВ наступает время легких частиц (лептонов). Вселенная как бы «омолодилась» и практически состояла из лептонов и излучения (квантов). Затем от ~1 до 10 с Вселенная, продолжая расширяться, потеряла и эти частицы, которые при аннигиляции превратились в фотоны. Этим фотонам же не хватало энергии, чтобы образовать электрон-позитронную пару, поэтому излучение преобладало над веществом (эпоха излучения).

Через приблизительно 100 с после БВ температура Вселенной упала до 109 К, и скорости оставшихся протонов уменьшились настолько, что за счет ядерных сил притяжения они начали соединяться в ядра легких элементов, в основном гелия, затем лития и бериллия. По прошествии нескольких часов после БВ образование этих ядер закончилось. Этот период эволюции называется временем нуклеосинтеза. Далее в течение миллионов лет Вселенная продолжала расширяться и охлаждаться. При этом энергии фотонов были значительно больше сил связи электронов и ядер, и поэтому атомы не могли образоваться. Затем при уменьшении температуры до 104 К энергия электромагнитного притяжения ядра и электрона стала больше энергии фотонов, и тогда начали образовываться атомы. Фотоны перестали взаимодействовать с веществом, как говорят космологи,-- Вселенная стала прозрачной. С момента БВ до наших дней реликтовое излучение заполняет нашу Вселенную. За это время температура упала с 104 К до 3 К в наше время. Это и есть Реликтовое излучение (РИ). Таким образом, РИ несет информацию о молодой Вселенной, когда ей исполнился «всего» 1 миллион лет.

В начальный период времени прозрачная Вселенная была однородным «бульоном» из элементарных частиц, ядер, атомов и фотонов.

Затем флуктуационно возникают области, где плотность материи несколько выше. Это, в свою очередь, приводит к увеличению гравитации в этих областях, а значит, к отставанию этих областей от общего темпа расширения Вселенной. Атомы и частицы в этих областях за счет уменьшения объема испытывали большое число столкновений, газ разогревался, возникали термоядерные реакции. Давление внутри области возрастало, область переставала сжиматься.

Сценарий БВ в целом оправдывает доверие научного мира, за исключением первых мгновений эволюции Вселенной, но не может объяснить конкретную причину БВ -- причину «первотолчка», не дает ответа, почему мощность взрыва была именно такой, какой была, -- не больше, и не меньше. Теория не может также объяснить причину крупномасштабной однородности Вселенной, но одновременно в меньших масштабах допускает наличие в прошлом отклонений от однородности, которые и привели впоследствии к возникновению галактик. При этом предполагается, что расширение происходит с большой степенью однородности и изотропности, а удаленные друг от друга неоднородности причинно между собой не связаны.

2. Современные представления об элементарных частицах как первооснове строения материи Вселенной

Согласно космомикрофизике материю Вселенной составляют элементарные частицы как наименьшие структурные единицы вещества. Развивая далее атомистическую модель Левкипа -- Демокрита о том, что весь мир состоит из атомов, на современном уровне, мы уже должны говорить, что он состоит из взаимодействующих элементарных частиц. Сама идея атомизма, дискретности, квантованности материи со времен Левкипа (V в. до н.э.) и его ученика Демокрита совпадает с одним из главных современных представлений о материи. Американский физик-теоретик В. Фейнман считал, что атомистическая гипотеза: «все тела состоят из атомов маленьких телец, которые находятся в беспрерывном движении, притягиваются на небольшом расстоянии, но отталкиваются, если одно из них плотнее прижать к другому» -- имеет такое важное значение не только для человечества, но, может быть, и для «наших братьев по разуму» во Вселенной, что именно ее следует взятьс собой в Космос, если в будущем человеку предстоит забыть все остальные знания. Как уже указывалось, во времена Аристотеля предполагались четыре основные субстанции -- земля, воздух, огонь и вода. Все сущее состояло из этих своего рода первооснов.

В дальнейшем к началу 30-х годов ХХ в. наука смогла дать более приемлемое научное описание строения вещества на основе четырех видов стабильных элементарных частиц: протонов, нейтронов, электронов и фотонов. Изучая их с помощью законов квантовой механики, удалось объяснить природу химических элементов, их классификацию (таблица Д. И. Менделеева), образование различных соединений и излучений.

Добавление к ним пятой частицы нейтрино, постулированного Паули из-за необходимости сохранения момента импульса при в распаде, позволило объяснить процессы радиоактивного распада. Поэтому вначале казалось, что названные элементарные частицы и являются как бы основными кирпичиками мироздания. Однако, к сожалению, приятная простота вскоре исчезла. Не прошло и года с открытия нейтрона (Чадвик, 1931), как был обнаружен позитрон, предсказанный П. Дираком в 1928 г. Его релятивистское уравнение может описывать как электрон с обычным отрицательным зарядом, так и положительный электрон. Предсказанный Дираком позитрон в дальнейшем, в 1932 г., был экспериментально обнаружен Андерсеном. Впоследствии сначала в природных космических лучах, а затем и в построенных ускорителях были обнаружены мезоны, другие частицы. Таких частиц сейчас насчитывается уже около трех сотен. Релятивистской квантовой теорией было установлено, что почти любой элементарной частице соответствует античастица в том смысле, что, имея одинаковые массы, периоды полураспада, а также одинаковые квантовые числа, они различаются знаками всех зарядов: электрического, барионного, лептонного и т.д. Это следует из общих принципов квантовой теории поля и подтверждается экспериментальными данными. Таким образом, возникла глобальная проблема частица--античастица, разных по знаку заряда частиц. Причем при столкновении частицы и античастицы происходит аннигиляция, т.е. они взаимно уничтожают друг друга, и при этом выделяется энергия в виде квантов электромагнитного излучения (фотонов). Заметим, что фотоны, нейтральные пионы и мезоны тождественны собственным античастицам. Все это множество частиц и принято называть элементарными частицами. Это не означает, что все они наряду с кварками обязательно являются упомянутыми кирпичиками мироздания -- для этого достаточно протонов, нейтронов и электронов -- из которых только и состоят атомы. Но эти частицы возникают в результате основных взаимодействий частиц обычного вещества и участвуют в этих взаимодействия, т.е. их тоже необходимо учитывать.

3.Классификация элементарных частиц

Изобилие типов элементарных частиц поставило перед физиками трудные вопросы: что же лежит в основе строения вещества, есть ли какая-нибудь общая схема, систематика, которая позволила бы просто и ясно объяснить взаимную связь элементарных частиц?

Элементарными называют частицы, входящие в состав прежде «неделимого» атома. Первыми были обнаружены электрон, протон, нейтрон и фотон -- квант электромагнитного поля.

Табл.1. Элементарные частицы (Q - Электрические протоны, L - Лептонный заряд, B - Барионный заряд, S - Странность, C - Очарование).

Масса элементарных частиц -- это масса покоя, поскольку она не зависит от состояния движения. Ее определяют по отношению к массе покоя электрона те, самой маленькой из масс покоя. Нейтрон и протон тяжелее электрона почти в 2000 раз. Но есть и очень тяжелые частицы, например Z-частицы, получаемые на ускорителях, с массой покоя 2 000 000 те. Фотоны вообще не имеют массы покоя. По массе частицы делят на лептоны (электрон и нейтрино); мезоны (с массой от 1 до 1000 те); барионы (с массой более 1000 те). В состав барионов входят протоны, нейтроны, гипероны и др.

Электрический заряд меняется от нуля до «+» или «-». Каждой частице, кроме фотона, нейтрино и двух мезонов, соответствует частица с противоположным зарядом, или античастица. В 1963 г. была высказана гипотеза о существовании частиц с дробным зарядом -- кварков.

Спин -- одна из важнейших характеристик элементарных частиц. Она определяется собственным моментом импульса частицы. Спин фотона равен 1; это означает, что частица примет тот же вид после полного оборота на 360°. Частица со спином -- 1/2 примет прежний вид при обороте, в 2 раза большем, т.е. в 720°. Спин протона, нейтрона и электрона -- 1/2. Существуют частицы со спином 3/2, 5/2 и т.д. Частица со спином, равным нулю, одинаково выглядит при любом угле поворота

В зависимости от характера взаимодействия элементарные частицы подразделяются на несколько больших групп (табл. 1). Элементарные частицы , которым присуще сильное взаимодействие, называются адронами. К адронам относятся протоны, нейтроны и более тяжелые частицы гипероны (все они объединены общим названием барионы), а также большое семейство мезонов. Частицы, не участвующие в сильном взаимодействии, называются лептонами. Сюда относятся помимо электрона два других заряженных лептона: мюон и тау-лептон ("тяжелый лептон"), которые соответственно в 210 и 3600 раз массивней электрона. Каждому заряженному лептону отвечает нейтральная частица - нейтрино. Масса нейтрино равна нулю или весьма мала. Известно 6 (с античастицами 12) типов лептонов. Нейтральные лептоны участвуют только в слабом взаимодействии; зареженные - в слабом и электромагнитном. У нейтральных лептонов, впрочем, могут быть очень малые магнитные моменты. Адроны участвуют в сильном, слабом и электро-магнитном взаимодействиях. И, разумеется, все частицы взаимодействуют гравитационно. Кроме перечисленных, имеются частицы - переносчики взаимодействий: фотон (переносчик электро-магнитного взаимодействия), бозоны (переносчики слабого взаимодействия). Считается, что существует переносчик гравитационного взаимодействия - гравитон.

Элементарные частицы характеризуются своей массой, электрическим зарядом, собственным моментом количества движения - спином. Массы легчайших частиц (таких, как фотоны) равны нулю, а массы наиболее тяжелых из известных частиц в сто раз превышают массу протона. Электрический заряд элементарных частиц представляет собой целое кратное заряда электрона. Срин частиц бывает либо целым (0, 1, 2, ...) - в этом случае они называются бозонами, либо полуцелым (1/2, 3/2, ...) - в этом случае их называют фермионами.

Барионам, подобно лептонам, приписывается свой сохраняющийся барионный заряд B. Природа сохранения лептонного и барионного зарядов до конца не ясна. Более того, модели великого объединения предсказывают, что это сохранение является лишь приближенным, хотя обнаружение возможного нарушения сохранения находится, по-видимому, на грани или за пределами современных экспериментальных возможностей. Все известные лептоны и барионы являются фермионами. Мезоны не имеют ни барионного, ни лептонного заряда и являются бозонами. Кроме того, адронамприписывают специфические квантовые числа (заряды), называемые странностью (S), очарованием (C) и т.п., которые, в отличие от барионного и лептонного зарядов, не сохраняются в слабых взаимодействиях, сохраняясь в сильных и электромагнитных. В силу этого легчайшие частицы , являясь нестабильными, имеют довольно большое время жизни в масштабах мира элементарных частиц, т.к. к их распаду может привести только слабое взаимодействие.

К концу 50-х годов нашего века численность и разнообразие элементарных частиц настолько выросли, что классификация их только по массе, заряду и спину, даже с учетом упомянутых законов сохранения барионного числа и странности, вызывала у физиков-теоретиков значительное неудовлетворение. Появлялись даже идеи, что за этим разнообразием скрывается некая симметрия.

4. Кварковая модель

Развитием поиска явилось изобретение Гелл-Манна (1963), а затем независимо от него Цвейга (1964) -- модель кварков.

В этой модели предполагается, что все сильновзаимодействующие элементарные частицы являются комбинациями трех основных частиц (которые и называются кварками) и их античастиц. Название «кварк» взято Гелл-Манном из туманной фразы романа Дж. Джойса «Поминки по Финнегану»: «Три кварка для мистера Марка». Другое объяснение этому термину -- это название напоминает английское звукоподражание крику чаек. Как и лептоны, кварки являются фермионами, их спин равен 1/2, электрический заряд +2/3 и -1/3 (в ед. заряда электрона), заряд антикварков -2/3 и +1/3, у всех кварков барионный заряд B=1/3, лептонный заряд L=0. Аналогично лептону кварки также группируются в пары. Причем, по-видимому, имеет место кварк-лептонная симметрия: каждой паре лептонов отвечает пара кварков. Каждый кварк имеет квантовое число, называемое цветом. Цвет является аналогом электрического заряда, хотя и более сложным. Наличие цвета объясняет сильное взаимодействие кварков, отсутствующее у не имеющих цвета лептонов.

Аналогично тому, как электрические заряды взаимодействуют посредством фотонов, так взаимодействие цветовых зарядов осуществляют переносчики сильного взаимодействия - глюоны. Однако в отличие от единственного фотона, имеется восемь различных типов глюонов. Другое существенное отличие состоит в том, что фотон не имеет электрического заряда и поэтому сам с собой не взаимодействует, а глюоны, обладая цветовым зарядом, взаимодействуют друг с другом. По-видимому, в этом лежит причина принципиально нового явления, называемого конфайнментом или невылетанием кварков. Дело в том, что, несмотря на достаточно большие энергии частиц, ускоренных в современых ускорителях, кварки наблюдать в свободном состоянии не удается. Они, по-видимому, существуют в природе только в виде пар кварк-антикварк , троек или более сложных образований, но обязательно таких, чтобы электрический заряд этих объектов оказывался целочисленным. Все подобные объекты обладают нулевым цветовым зарядом. Если говорить очень упрощенно, то явление конфайнмента состоит в следующем. При попытке получить кварк в свободном состоянии (т.е. "вытащить" его из адрона на достаточно большое расстояние, сообщив ему высокую энергию) напряженность поля нескомпенсированного цветового заряда кварка оказывается столь сильной, что за счет сообщенной энергии из вакуума рождается пара и антикварк движется вместе с кварком, который пытаются оторвать. В результате вылетает не кварк, а составная частица, не имеющая цвета. По этой же причине глюоны также не удается наблюдать в свободном состоянии. Явление конфайнмента обусловливает малый радиус действия сильного взаимодействия.

Современные представления о природе таковы, что в рамках «стандартной модели» существует всего три поколения кварков, лептонов и нейтрино, которые и представляют собой начальный уровень структурной организации материи.

Из лептонов и кварков первого поколения вместе с фотонами построена современная Вселенная. Частицы второго и третьего поколения играли важную роль в первые мгновения после Большого Взрыва ранней Вселенной, когда не было различия между лептонами и кварками. Академик РАЕН Б.А Трубников отмечал, что прошедший ХХ век справедливо называть квантово-релятивистским веком. В 1897 г. Томсон (1824--1907) открыл электрон, в 1911 г. Резерфорд открыл атомное ядро, затем в 1931 -- 1932 гг. Чадвиком были обнаружены нейтроны, а Андерсеном -- позитроны. После обнаружения сотен других короткоживущих частиц и «наведения порядка» для них была разработана квантовая теория поля, в рамках которой теоретически и были предсказаны совершенно новые объекты природы -- кварки и глюоны. В настоящее время установлено, что истинно элементарными частицами следует считать шесть сортов кварков со своим «ароматами»: и, d, s, с, t, b и шесть сортов лептонов. Предполагается, что согласно принципу кварк-лептонной симметрии каждому лептону должен соответствовать определенный кварк .

Табл.2.

5. Микромир: концепции современной физики

В конце XIX -- начале XX вв. физика вышла на уровень исследования микромира, для описания которого концептуальные построения классической физики оказались непригодными.В результате научных открытий были опровергнуты представления об атомах как о последних неделимых структурных элементах материи.

История исследования строения атома началась в 1895 г. благодаря открытию Дж. Дж. Томсоном электрона -- отрицательно заряженной частицы, входящей в состав всех атомов. Поскольку электроны имеют отрицательный заряд, а атом в целом электрически нейтрален, то было сделано предположение о наличии помимо электрона и положительно заряженной частицы. Опыты английского физика Э. Резерфорда с альфа-частицами привели его к выводу о том, что в атомах существуют ядра -- положительно заряженные микрочастицы, размер которых (10~¹² см) очень мал по сравнению с размерами атомов (10~⁸ см), но в которых почти полностью сосредоточена масса атомов.

Кроме того, было обнаружено, что атомы одних элементов могут превращаться в атомы других в результате радиоактивности, впервые открытой французским физиком . Явление радиоактивности, окончательно опровергнувшее представление о неделимости и непревращаемости атома, заключается в самопроизвольном превращении неустойчивых ядер атомов радиоактивных элементов в результате ядерных излучений.

Вопросы радиоактивности различных элементов изучались французскими физиками Пьером и Марией Кюри. Ими были открыты новые элементы -- полоний и радий, а также установлено, что в результате радиоактивного излучения атом радиоактивного элемента превращается в атом другого элемента Открытие сложной структуры атома стало крупнейшим событием в физике, поскольку оказались опровергнутыми представления классической физики об атомах как твердых и неделимых структурных единицах вещества.

атом вселенный взрыв элементарный частица

6. Рождение и развитие представлений о квантах

При переходе к исследованию микромира оказались разрушенными и представления классической физики о веществе и поле как двух качественно своеобразных видах материи. Изучая микрочастицы, ученые столкнулись с парадоксальной, с точки зрения классической науки, ситуацией, одни и те же объекты обнаруживали как волновые, так и корпускулярные свойства.

Первый шаг в этом направлении был сделан немецким физиком М. Планком. В процессе работы по исследованию теплового излучения, которую М. Планк назвал самой тяжелой в своей жизни, он пришел к ошеломляющему выводу о том, что в процессах излучения энергия может быть отдана или поглощена не непрерывно и не в любых количествах, а лишь в известных неделимых порциях -- квантах. Сумма энергий этих мельчайших порций энергии -- квантов определяется через число колебаний соответствующего вида излучения и универсальную естественную константу, ставшим впоследствии знаменитым.

Если введение кванта еще не создало настоящей квантовой теории, как неоднократно подчеркивал М Планк, то все же 14 декабря 1900 г., в день опубликования формулы, был заложен ее фундамент. Поэтому в истории физики этот день считается днем рождения квантовой теории. А поскольку понятие элементарного кванта действия служило в дальнейшем основой для понимания всех свойств атомной оболочки и атомного ядра, то 14 декабря 1900 г. следует рассматривать как день рождения всей атомной физики и начало новой эры естествознания.

Первым физиком, который восторженно принял открытие элементарного кванта действия и творчески развил его был А. Эйнштейн. В 1905 г. он перенес гениальную идею квантованного поглощения и отдачи энергии при тепловом излучении на излучение вообще и таким образом обосновал новое учение о свете. А. Эйнштейн предположил, что речь идет о естественной закономерности всеобщего характера. Не оглядываясь на господствующие в оптике взгляды, он применил гипотезу Планка к свету и пришел к выводу, что следует признать корпускулярную структуру света.

Квантовая теория света, или фотонная теория А.Эйнштейна, утверждала, что свет есть постоянно распространяющееся в мировом пространстве волновое явление. И вместе с тем световая энергия, чтобы быть физически действенной, концентрируется лишь в определенных местах, поэтому свет имеет прерывную структуру.

Эйнштейновское представление о световых квантах помогло понять и наглядно представить явление фотоэлектрического эффекта, суть которого заключается в выбивании электронов из вещества под действием электромагнитных волн. Эксперименты показали, что наличие или отсутствие фотоэффекта определяется не интенсивностью падающей волны, а ее частотой. Если предположить, что каждый электрон вырывается одним фотоном, то становится ясно следующее: эффект возникает лишь в том случае, если энергия фотона, а следовательно, и его частота достаточно велика для преодоления сил связи электрона с веществом.

Правильность такого толкования фотоэлектрического эффекта (за эту работу Эйнштейн в 1922 г. получил Нобелевскую премию по физике) через 10 лет получила подтверждение в экспериментах американского физика Р.Э. Милликена. Открытое в 1923 г. американским физиком А.Х. Комптоном явление (эффект Комптона), которое отмечается при воздействии очень жесткими рентгеновскими лучами на атомы со свободными электронами, вновь и уже окончательно подтвердило квантовую теорию света.

Возникла парадоксальная ситуация: обнаружилось, что свет ведет себя не только как волна, но и как поток корпускул. В опытах по дифракции и интерференции проявляются его волновые свойства, а при фотоэффекте -- корпускулярные. При этом фотон оказался корпускулой совершенно особого рода. Основная характеристика его дискретности -- присущая ему порция энергии -- вычислялась через чисто волновую характеристику -- частоту.

Как и все великие естественно-научные открытия, новое учение о свете имело фундаментальное теоретико-познавательное значение. Старое положение о непрерывности природных процессов, которое было основательно поколеблено М. Планком, Эйнштейн "отбросил" в гораздо более обширной области физических явлений.

Представление о квантах электромагнитного поля -- фотонах -- один из наиболее фундаментальных вкладов в разработку квантовой теории. Уже поэтому А. Эйнштейн должен рассматриваться как один из величайших ее создателей. Теория А. Эйнштейна, развивающая взгляды М. Планка, позволила Н. Бору разработать модель атома.

7. Теория атома Н.Бора

1913 г. великий датский физик Н. Бор применил принцип квантования при решении вопроса о строении атома и характеристике атомных спектров, устранив тем самым противоречия, которые возникали при планетарной модели атома Э. Резерфорда. Модель атома, предложенная Резерфордом в 1911 г., напоминала солнечную систему: в центре находится атомное ядро, а вокруг него но своим орбитам движутся электроны. Ядро имеет положительный заряд, а электроны -- отрицательный. Вместо сил тяготения, действующего в Солнечной системе, в атоме действуют электрические силы. Электрический заряд ядра атома, численно равный порядковому номеру в периодической системе Менделеева, уравновешивается суммой зарядов электронов -- атом электрически нейтрален. Неразрешимое противоречие этой модели заключалось в том, что электроны, чтобы не потерять устойчивость, должны двигаться вокруг ядра. В то же время они, согласно законам электродинамики, обязательно должны излучать электромагнитную энергию. Но в таком случае электроны очень быстро потеряли бы всю свою энергию и упали на ядро.

Следующее противоречие связано с тем, что спектр излучения электрона должен быть непрерывным, так как электрон, приближаясь к ядру, менял бы свою частоту. Опыт же показывает, что атомы излучают свет только определенных частот. Именно поэтому атомные спектры называют линейчатыми. Другими словами, планетарная модель атома Резерфорда оказалась несовместимой с электродинамикой Дж. К. Максвелла.

Модель атома Н. Бора, разрешавшая эти противоречия, базировалась на планетарной модели Э. Резерфорда и на разработанной им самим квантовой теории строения атома. Н. Бор выдвинул гипотезу строения атома, основанную на двух постулатах, совершенно несовместимых с классической физикой:

1) в каждом атоме существует несколько стационарных состояний (говоря языком планетарной модели, несколько стационарных орбит) электронов, двигаясь по которым электрон может существовать, не излучая;

2) при переходе электрона из одного стационарного состояния в другое атом излучает или поглощает порцию энергии.

Постулаты Бора объясняют устойчивость атомов: находящиеся в стационарных состояниях электроны без внешней на то причины не излучают электромагнитной энергии.

Теория атома Н. Бора позволяла дать точное описание атома водорода, состоящего из одного протона и одного электрона трудностями. Чем подробнее теоретики пытались описать движение электронов в атоме, определить их орбиты, тем большим было расхождение теоретических результатов с экспериментальными данными. Как стало ясно в ходе развития квантовой теории, эти расхождения главным образом были связаны с волновыми свойствами электрона. Т.е., следует учитывать, что электрон не точка и не твердый шарик, он обладает внутренней структурой, которая может изменяться в зависимости от его состояния. При этом детали внутренней структуры электрона неизвестны.

Следовательно, точно описать структуру атома на основании представления об орбитах точечных электронов принципиально невозможно, поскольку таких орбит в действительности не существует. Вследствие своей волновой природы электроны и их заряды как бы размазаны по атому, однако не равномерно, а таким образом, что в некоторых точках усредненная по времени электронная плотность заряда больше, а в других -- меньше.

Теория Н.Бора представляет собой как бы пограничную полосу первого этапа развития современной физики. Это последнее усилие описать структуру атома на основе классической физики, дополняя ее лишь небольшим числом новых предположений. Введенные Бором постулаты ясно показали, что классическая физика не в состоянии объяснить даже самые простые опыты, связанные со структурой атома. Постулаты, чужеродные классической физике, нарушили ее цельность, но позволили объяснить лишь небольшой круг экспериментальных данных.

Со временем выяснилось, что атомную модель Н. Бора не следует понимать буквально, как это было вначале. Процессы в атоме, в принципе, нельзя наглядно представить в виде механических моделей по аналогии с событиями в макромире. Даже понятия пространства и времени в существующей в макромире форме оказались неподходящими для описания микрофизических явлений. Атом физиков-теоретиков все больше и больше становился абстрактно-ненаблюдаемой суммой уравнений.

8. Корпускулярно-волновой дуализм в современной физике

Представления А. Эйнштейна о квантах света, послужившие в 1913 г. отправным пунктом теории Н. Бора, через 10 лет снова оказали плодотворное воздействие на развитие атомной физики. Они привели к идее о "волнах материи" и тем самым заложили основу новой стадии развития квинтовой теории.

В 1924 г. произошло одно из величайших событий в истории физики: французский физик Л. де Бройль выдвинул идею о волновых свойствах материи. В своей работе "Свет и материя" он писал о необходимости использовать волновые и корпускулярные представления не только в соответствии с учением А. Эйнштейна в теории света, но также и в теории материи.

Л. де Бройль утверждал, что волновые свойства, наряду с корпускулярными, присущи всем видам материи: электронам, протонам, атомам, молекулам и даже макроскопическим телам.

В 1926 г. австрийский физик Э. Шредингер нашел математическое уравнение, определяющее поведение волн материи, так называемое уравнение Шредингера. Английский физик П. Дирак обобщил его.

Смелая мысль Л. де Бройля о всеобщем "дуализме" частицы и волны позволила построить теорию, с помощью которой можно было охватить свойства материи и света в их единстве. Кванты света становились при этом особым моментом всеобщего строения микромира.

Волны материи, которые первоначально представлялись как наглядно-реальные волновые процессы по типу волн акустики, приняли абстрактно-математический облик и получили благодаря немецкому физику М. Борну символическое значение как "волны вероятности".

Однако гипотеза де Бройля нуждалась в опытном подтверждении. Наиболее убедительным свидетельством существования волновых свойств материи стало обнаружение в 1927 г. дифракции электронов американскими физиками К. Дэвисоном и Л. Джермером.

Корпускулярно-волновой дуализм в современной физике стал всеобщим. Любой материальный объект характеризуется наличием как корпускулярных, так и волновых свойств.

Тот факт, что один и тот же объект проявляется и как частица и как волна, разрушал традиционные представления. Форма частицы подразумевает сущность, заключенную в малом объеме или в конечной области пространства, тогда как волна распространяется по его огромным областям. В квантовой физике эти два описания реальности являются взаимоисключающими, но равно необходимыми для того, чтобы полностью описать рассматриваемые явления.

Квантово-механическое описание микромира основывается на соотношении неопределенностей, установленном немецким физиком В. Гейзенбергом, и принципе дополнительности Н. Бора.

В своей книге "Физика атомного ядра" В. Гейзенберг раскрывает содержание соотношения неопределенностей. Он пишет, что никогда нельзя одновременно точно знать оба параметра -- координату и скорость. Никогда нельзя одновременно знать, где находится частица, как быстро и в каком направлении она движется. Если ставится эксперимент, который точно показывает, где частица находится в данный момент, то движение нарушается в такой степени, что частицу после этого невозможно найти. И наоборот, при точном измерении скорости нельзя определить место расположения частицы.

С точки зрения классической механики, соотношение неопределенностей представляется абсурдом. Чтобы лучше оценить создавшееся положение, нужно иметь в виду, что мы, люди, живем в макромире и, в принципе, не можем построить наглядную модель, которая была бы адекватна микромиру. Соотношение неопределенностей есть выражение невозможности наблюдать микромир, не нарушая его. Любая попытка дать четкую картину микрофизических процессов должна опираться либо на корпускулярное, либо на волновое толкование.

Фундаментальным принципом квантовой механики, наряду с соотношением неопределенностей, является принцип дополнительности, которому Н.Бор дал следующую формулировку "Понятие частицы и волны дополняют друг друга и в то же время противоречат друг другу, они являются дополняющими картинами происходящего".

С теоретической точки зрения, микрообъекты, для которых существенным является квант действия М. Планка, не могут, рассматриваться так же, как объекты макромира, ведь для них планковская константа из-за ее малой величины не имеет, значения. В микромире корпускулярная и волновая картин сами по себе не являются достаточными, как в мире больших тел. Обе "картины" законны, и противоречие между ними снять нельзя. Поэтому корпускулярная и волновая картины должны дополнять одна другую, т.е. быть комплементарными. Только при учете, обоих аспектов можно получить общую картину микромира.

Согласно современным представлениям, структура элементарных частиц описывается посредством непрерывно возникающих и снова распадающихся "виртуальных" частиц. Например, мезон строится из виртуального нуклона и антинуклона, которые в процессе аннигиляции (лат. annihilatio, букв, уничтожение) непрерывно исчезают, а затем образуются снова.

Формальное привлечение виртуальных частиц означает, что внутреннюю структуру элементарных частиц невозможно описать через другие частицы.

Удовлетворительной теории происхождения и структуры элементарных частиц пока нет. Многие ученые считают, что такую теорию можно создать только при учете космологических обстоятельств. Большое значение имеет исследование рождения элементарных частиц из вакуума в сильных гравитационных и электромагнитных полях, поскольку здесь устанавливается связь микро- и мегамиров. Фундаментальные взаимодействия во Вселенной, в мегамире определяют структуру элементарных частиц и их превращения. Очевидно, потребуется выработка новых понятий для адекватного описания структуры материального мира.

9. Заключение

Все вышеизложенные революционные открытия в физике перевернули ранее существующие взгляды на мир. Исчезла убежденность в универсальности законов классической механики, ибо разрушились прежние представления о неделимости атома, о постоянстве массы, о неизменности химических элементов и т.д. Теперь уже вряд ли можно найти физика, который считал бы, что все проблемы его науки можно решить с помощью механических понятий и уравнений. Рождение и развитие атомной физики, таким образом, окончательно сокрушило прежнюю механистическую картину мира. Но классическая механика Ньютона при этом не исчезла. По сей день она занимает почетное место среди других естественных наук.

Список литературы

Тулинов В. Ф. Концепции современного естествознания: Учебник для вузов. М.: ЮНИТИ-ДАНА, 2004.

Окунь Л.Б., Лептоны и кварки, М., 1981; Долгов А.Д., Зельдович Я.Б., Космология и элементарные частицы, УФН, 1980.

Горбачев В. В. Концепции современного естествознания:--М.: ООО «Издательский дом «ОНИКС 21 век»: ООО «Издательство «Мир и Образование», 2003.

Дубнищева Т.Я. Концепции современного естествознания: Учеб. пособие для студ. вузов / Татьяна Яковлевна Дубнищева. -- 5-е изд., перераб. и доп. -- М.: Издательский центр «Академия»

А.А. Горелов.

Концепции современного естествознания. -М.: Центр, 1998.

Концепции современного естествознания: Серия. “Учебники и учебные пособия'' Ростов на Дону : ред. «Феникс» , 2000.

Размещено на Allbest.ru