Описание слайда:
27.»Вещество и антивещество»Мир Дирака»
Антивещество́ — вещество, состоящее из античастиц, реально стабильно не образующееся в природе (никакие наблюдательные данные не свидетельствуют об обнаружении антивещества в нашей галактике и за её пределами.
Вся наша вселенная состоит из вещества, но существует “зеркальное отражение” вещества – это антивещество. Все образующие силы во вселенной как для частиц, так и для античастиц абсолютно одинаковы, а следовательно структура вещества и антивещества абсолютно одинакова.
Антивещество, как я и говорил, имеет такую же структуру и такие же свойства, по сути это разновидность вещества.Чтобы разобраться, что такое антивещество, следует разобрать элементарные частицы. Каждая элементарная частица имеет в своей противоположности античастицу, с теме же свойствами и характеристиками, за исключением только электрических зарядов, они противоположные у вещества и антивещества. Электрон – это отрицательно заряженная частица, и, соответственно ему соответствует позитрон – это положительно заряженная частица. Протону соответствует антипротон. Когда эти частицы сталкиваются друг с другом, то они аннигилируют, то есть, говоря простым языком происходит взрыв с выбросом гамма лучей. А это означает, что взаимное существование вместе таких частиц невозможно, по скольку они уничтожат друг друга.
После большого взрыва началась так “называемая битва” вещества и антивещества, где победило вещество. Следствие всего этого стало одной из самых нерешаемых задач в физике, а именно это асимметрия между веществом и антивеществом. Считается, что такая асимметрия возникла в первые секунды после большого взрыва.
Существование антивещества было ещё предсказано в далёком тысяча девятьсот двадцать восьмом году, основываясь на квантовой механике. Это открытие сделал английский физик П. Дирак. Нобелевскому лауреату – П. Дираку принадлежат слова о том, что и Земля, и Солнечная система, преимущественно населённая отрицательными электронами и положительными протонами, скорее случайность, а не закономерность во Вселенной.
Возможно, другие звёзды и галактики состоят из антиматерии.
При этом:
- античастицы обладают всеми свойствами частиц (с учетом их зеркальности) и способны на все, на что способны частицы.
- вещество и антивещество не могут существовать вместе – они аннигилируют.
- аннигиляция частиц и античастиц представляет собой новый и небывало мощный источник энергии.
28.»Элементарные частицы и силы в природе»
Аристотель считал, что вещество во Вселенной состоит из четырех основных элементов – земли, воздуха, огня и воды, на которые действуют две силы: сила тяжести, влекущая землю и воду вниз, и сила легкости, под действием которой огонь и воздух стремятся вверх. Такой подход к строению Вселенной, когда все делится на вещество и силы, сохраняется и по сей день.
По Аристотелю, вещество непрерывно, т. е. любой кусок вещества можно бесконечно дробить на все меньшие и меньшие кусочки, так и не дойдя до такой крошечной крупинки, которая дальше бы уже не делилась. Однако некоторые другие греческие философы, например Демокрит, придерживались мнения, что материя по своей природе имеет зернистую структуру и все в мире состоит из большого числа разных атомов (греческое слово «атом» означает неделимый). Проходили века, но спор продолжался без всяких реальных доказательств, которые подтверждали бы правоту той или другой стороны. Наконец, в 1803 г. английский химик и физик Джон Дальтон показал, что тот факт, что химические вещества всегда соединяются в определенных пропорциях, можно объяснить, предположив, что атомы объединяются в группы, которые называются молекулами. Однако до начала нашего века спор между двумя школами так и не был решен в пользу атомистов. В разрешение этого спора очень важный вклад внес Эйнштейн. В своей статье, написанной в 1905 г., за несколько недель до знаменитой работы о специальной теории относительности, Эйнштейн указал на то, что явление, носящее название броуновского движения, – нерегулярное, хаотическое движение мельчайших частичек, взвешенных в воде, – можно объяснить ударами атомов жидкости об эти частички.К тому времени уже имелись некоторые основания подумывать о том, что и атомы тоже не неделимы. Несколькими годами раньше Дж. Дж. Томсон из Тринити-колледжа в Кембридже открыл новую частицу материи – электрон, масса которого меньше одной тысячной массы самого легкого атома. Экспериментальная установка Томсона немного напоминала современный телевизионный кинескоп. Раскаленная докрасна металлическая нить служила источником электронов. Поскольку электроны заряжены отрицательно, они ускорялись в электрическом поле и двигались в сторону экрана, покрытого слоем люминофора. Когда электроны падали на экран, на нем возникали вспышки света. Вскоре стало понятно, что эти электроны должны вылетать из атомов, и в 1911 г. английский физик Эрнст Резерфорд наконец доказал, что атомы вещества действительно обладают внутренней структурой: они состоят из крошечного положительно заряженного ядра и вращающихся вокруг пего электронов. Резерфорд пришел к этому выводу, изучая, как отклоняются альфа-частицы (положительно заряженные частицы, испускаемые атомами радиоактивных веществ) при столкновении с атомами. Вначале думали, что ядро атома состоит из электронов и положительно заряженных частиц, которые назвали протонами (от греческого слово «протос» – первичный), потому что протоны считались теми фундаментальными блоками, из которых состоит материя. Однако в 1932 г. Джеймс Чедвик, коллега Резерфорда по Кембриджскому университету, обнаружил, что в ядре имеются еще и другие частицы – нейтроны, масса которых почти равна массе протона, но которые не заряжены. Еще лет двадцать назад протоны и нейтроны считались «элементарными» частицами, но эксперименты по взаимодействию протонов и электронов, движущихся с большими скоростями, с протонами показали, что на самом деле протоны состоят из еще более мелких частиц. Известно несколько разновидностей кварков: предполагают, что существует по крайней мере шесть «ароматов», которым отвечают u-кварк, d-кварк, странный кварк, очарованный кварк, b-кварк и t-кварк. Кварк каждого «аромата» может быть еще и трех «цветов» – красного, зеленого и синего. (Следует подчеркнуть, что это просто обозначения, так как размер кварков значительно меньше длины волны видимого света и поэтому цвета в обычном смысле слова у них нет. Дело просто в том, что современным физикам нравится придумывать названия новых частиц и явлений, не ограничивая больше свою фантазию греческим алфавитом). Протон и нейтрон состоят из трех кварков разных «цветов». В протоне содержится два u-кварка и один d-кварк, в нейтроне – два d-кварка и один u-кварк. Частицы можно строить и из других кварков (странного, очарованного, b и t), но все эти кварки обладают гораздо большей массой и очень быстро распадаются на протоны и нейтроны.
29.»Принципы симметрии.Законы сохранения.Принцип дополнит. и соотношен. Неопределенности.»
Наряду с известными фундаментальными физическими теориями, каждая из которых описывает вполне определенные процессы или явления (механическое или тепловое движение, электромагнитные колебания и волны, физические процессы микромира и т.д.), важное значение имеют более общие закономерности (правила), влияние которых распространяется на все физические процессы, на все формы движения материи. Эти общие правила и называют принципами. Один из таких принципов – принцип относительности – был рассмотрен выше. Отметим, что речь идет о тех принципах науки, которые в отличие от принципов, определяющих человеческое поведение, не могут быть нарушены, они неукоснительно выполняются самой Природой. Термин «симметрия» (от греч. symmetric – соразмерность) в узком значении этого слова означает соразмерность, пропорциональность в расположении чего-либо. Согласно Г. Вейлю «симметричным называется предмет, который можно изменить в пространстве так, чтобы получить то, с чего начинали». инципы симметрии (или инвариантности) считаются важнейшими среди целой группы принципов современной физики. Следствиями принципов симметрии, как уже отмечалось, являются законы сохранения физических величин (согласно этим законам численные значения некоторых физических величин не изменяются со временем в любых процессах или в процессах определенных типов). Различные проявления симметрии связаны с различными законами сохранения, например, закон сохранения энергии системы вытекает из свойства однородности времени, закон сохранения импульса – из свойства однородности пространства, а закон сохранения момента импульса – из свойства изотропности пространства, в котором находится система.
Симметрия, связанная с физическими законами, может быть непосредственно не связана с геометрией. Например, при перемещении некоторого тела в поле тяжести Земли на небольшие расстояния работа, затрачиваемая на подъем, зависит только от разности значений высоты, которую преодолело тело, и не зависит от абсолютной высоты. В данном случае мы имеем дело с симметрией относительно выбора начала отсчета высоты, подобная симметрия в физике называется калибровочной (связанной с изменением масштаба, калибра). Закон сохранения энергии в макроскопических процессах. По мнению одного из наиболее известных физиков-теоретиков Р. Фейнмана закон сохранения энергии является наиболее трудным для понимания из всех законов сохранения, т.к. велика степень его абстрактности в отличие, например, от закона сохранения электрического заряда. Энергию любого вида можно вычислить, используя известные соотношения, во многих случаях ее можно и измерить. Если сложить все значения, соответствующие энергии разных видов, то их сумма всегда будет одинаковой. Вместе с тем не существует никаких реальных частиц энергии, речь идет об абстрактном математическом правиле: существует число, которое не меняется, когда бы вы его ни подсчитали. Энергия может существовать во множестве различных форм. Есть энергия, связанная с движением тел или частиц (кинетическая энергия); энергия, связанная с гравитационным взаимодействием (потенциальная энергия); тепловая, электрическая и световая энергия; энергия упругости пружин; химическая энергия; ядерная энергия и, наконец, энергия, которой обладает частица в силу одного своего существования и которая прямо пропорциональна ее массе (Е = mс2). Многие из этих видов (форм) энергии связаны между собой. Например, тепловая энергия тела – это суммарная кинетическая энергия движения частиц в нем, световая энергия есть не что иное, как электромагнитная энергия, упругая энергия и химическая энергия имеют одинаковое происхождение – в основе той и другой лежат силы взаимодействия между атомами.
Когда изменяется энергия какого-то одного вида, в соответствии с законом сохранения должна измениться и какая-то другая энергия (ровно на столько же, но в обратную сторону). Например, если сжигать бумагу, химическая энергия будет уменьшаться, но появится теплота там, где ее раньше не было, а суммарная энергия должна остаться прежней. Принцип соответствия, дополнительности и неопределенности.Принцип соответствия, провозглашающий преемственность физических теорий, был впервые сформулирован Бором в 1923 году. Бор установил, что законы квантовой механики при больших значениях квантовых чисел переходят в законы классической механики. Любые научные теории и законы не являются абсолютно адекватным, абсолютно точным отображением свойств действительности, они лишь в той или иной степени соответствуют существующим в природе объективным закономерностям. По мере углубления наших знаний о природе одни теории («менее точные») сменяются другими («более точными»), например, динамические теории сменяются статистическими, нерелятивистские – релятивистскими, и т.п. Всякая новая теория является развитием предыдущей, она не отвергает предыдущую полностью, а лишь определяет границы её применимости. Никакая новая теория не может быть справедливой, если она не содержит в качестве предельного случая прежнюю теорию, относящуюся к тем же явлениям, другими словами, должно иметь место соответствие «старых» и «новых» теорий. Принцип дополнительности также был сформулирован Бором (в 1927 году) применительно к квантовой физике. В соответствии с этим принципом для полного описания квантово-механических объектов и явлений необходимо применять два взаимоисключающих (дополнительных) классических понятия (частица и волна) При этом взаимоисключающие представления не противоречат друг другу, а именно дополняютодно другое, что и отражено в названии принципа. Только совокупность таких представлений понятий может дать исчерпывающую (целостную) информацию о квантово-механических объектах и явлениях. Суть принципа дополнительности, таким образом, заключается в том, что признается не только допустимым, но и необходимым использование двух языков, каждый из которых базируется на обычной логике, но описывает исключающие друг друга физические явления, связанные, например, с проявлением непрерывных и корпускулярных свойств микрочастиц или света. Применение этого принципа является, по сути, признанием того, что одной логической конструкции оказывается недостаточно для описания микромира во всей его сложности. Требование нарушить общепринятый подход к описанию картины мира впервые появилось в квантовой механике, и в этом состоит ее особое философское значение. Другим физическим, но также имеющим философский смысл положением, непосредственно касающимся принципа дополнительности (и являющимся его частным выражением), является сформулированное Гейзенбергом соотношение неопределенностей и соответствующий емупринцип неопределенности.
Говоря о частице, обычно представляют себе микроскопический сгусток вещества, находящийся в данный момент в определенном месте, обладающий определенными параметрами – энергией, скоростью, импульсом и др. При этом мы предполагается возможным абсолютно точно измерить координаты, импульс и энергию этой частицы в любой момент времени. Однако, оказалось, что для микрочастиц такое представление об измерении их параметров неправомерно.
