Понятие о физической картине мира

Закончить изучение курса общей физики целесообразно рассмотрением физической картины мира, которая позволяет проследить логику развития физики, эволюцию ее идей, а также представить основные периоды и этапы ее становления.

Познание мира человеком есть диалектические сложный и противоречивый процесс, творческий по своему характеру.

По мере накопления экспериментальных данных постепенно создавалась величественная и сложная картина окружающего нас мира и Вселенной в целом.

Научные поиски и исследования, проведенные на протяжении многих веков, позволили И. Ньютону открыть и сформулировать фундаментальные законы механики – науки о механическом движении материальных тел и происходящих при этом взаимодействиях между ними. Во времена Ньютона эти законы казались настолько всеобъемлющими, что были положены в основу построения механической картины мира, согласно которой все тела должны состоять из абсолютно твердых частиц, находящихся в непрерывном движении. Взаимодействие между телами осуществляется с помощью сил тяготения (гравитационных сил). Все многообразие окружающего нас мира, по Ньютону, заключается в различии движения частиц.

Механическая картина мира господствовала до тех пор, пока в 1873 г. Дж. Максвеллом не были сформулированы уравнения, описывающие основные закономерности электромагнитных явлений. Эти закономерности не могли быть объяснены с точки зрения механики Ньютона. В отличие от классической механики, где предполагается, что взаимодействие между телами осуществляется мгновенно (теория дальнодействия), теория Максвелла утверждала, что взаимодействие осуществляется с конечной скоростью, равной скорости света в вакууме, посредством электромагнитного поля (теория близкодействия). Создание специальной теории относительности - новое учение о пространстве и времени – дало возможность полностью обосновать электромагнитную теорию.

В состав всех без исключения атомов входят электрически заряженные частицы. С помощью электромагнитной теории можно объяснить природу сил, действующих внутри атомов, молекул и макроскопических тел. Это положение и легло в основу создания электромагнитной картины мира, согласно которой все происходящие в окружающем нас мире явления пытались объяснить с помощью законов электродинамики. Однако обосновать строение и движение материи только электромагнитными взаимодействиями не удалось.

Первым шагом на пути построения новой физической картины мира явилась гипотеза М. Планка, сформулированная в 1900 г., по которой атомы излучают свет дискретными порциями, квантами.

А. Эйнштейном было высказано предположение, что свет не только излучается, но и поглощается веществом дискретными порциями, квантами.

Следующим шагом явилась модель атома водорода, предложенная в 1913 г. Н. Бором. Эта модель построена на основе соединения классических представлений с квантовыми постулатами.

Наконец, в 1924 г. Л. де Бройль сформулировал общий принцип, важный для построения новой физической теории, принцип корпускулярно – волнового дуализма. По существу, это была попытка синтезировать две физические картины мира – ньютоновскую (корпускуляную) и максвелловскую (волновую). Окончательно новая физическая теория, получившая название квантовой, приобрела завершенную форму благодаря трудам Э. Шредингера.

Первоначально квантовая механика создавалась как теория электронных оболочек атомов. Дальнейший прогресс был достигнут благодаря объединению принципа квантования с принципом теории относительности. В результате удалось получить уравнение, наиболее справедливо отражающее свойства электрона, в частности, его специфическую квантовую характеристику- спин. Только с учетом спина и принципа Паули, согласно которому два электрона не могут находиться в атоме в одном и том же состоянии, были раскрыты закономерности строения электронных оболочек атомов и объяснен периодический закон Менделеева.

В течение десятилетий физики считали главной задачей проникновение в структуру материи. Исследование электронной оболочки атома, а на этой основе и свойств твердого тела стали эпохальными для физики ΧΧ в.

Проникновение в структуру атомного ядра, а затем и в структуру ряда элементарных частиц явилось продолжением научного штурма общих принципов структурной организации материи.

Итак, вам предстоит, с точки зрения современной физики, обобщить имеющиеся сведения на структурные формы материи, закономерности их взаимодействия, основываясь на неисчерпаемости материи и возможности ее познания, т. е. проследить за диалектическим развитием материального мира. Обобщать эти сведения следует с элементарных частиц, так как на ранней стадии развития Вселенной именно они образовались первыми. На сегодняшний день известно несколько сотен (порядка 400) элементарных частиц, причем стабильными являются лишь фотоны, нейтрино, электроны и их античастицы и в определенной степени протоны. Все остальные частицы не являются стабильными. Многочисленными исследованиями было установлено, что именно элементарными частицами, не имеющие внутренней структурытуру, на сегодняшний день можно считать лишь фотоны и лептоны.

Наличие большого числа элементарных частиц наводит на мысль, что не все они являются простейшими. В 1964 г., независимо друг от друга, М. Гелл-Ман и Дж. Цвейг выдвинули гипотезу, согласно которой большинство известных элементарных частиц построены из так называемых фундаментальных частиц - кварков. Опыты по рассеянию нейтрино и электронов сверхвысокой энергий на нуклонах подтвердили кварковую структуру протонов и нейтронов. Но «расщепить» нуклоны на кварки не удалось. К сожалению, кварки не наблюдаются в свободном состоянии.

Рассуждения об элементарных частицах приводят к строению атомов и молекул, из которых построен окружающий мир и мы сами. Атом обусловливает индивидуальность любого химического элемента. В ядро атома входят протоны и нейтроны. Электронные оболочки атомов связывают их в молекулу. Ядра атомов тяжелых элементов могут самопроизвольно превращаться в ядра более легких атомов. Этот процесс может идти и в обратном направлении. Это происходит при термоядерных реакциях, которые протекают, например, в недрах звезд.

Первоначальная задача физики элементарных частиц заключалась в том, чтобы найти структурные элементарные единицы материи.

Развитие представлений об эволюции Вселенной из сверхплотного состояния подсказывало другую постановку вопроса: что если фундаментальные структурные единицы материи возникли в процессе расширения Вселенной, в сложной динамике так называемого «Большого взрыва»? Богатое разнообразие элементарных частиц, возникающих в ходе взаимодействия при высоких энергиях, практически не существует в естественных взаимодействиях при малых энергиях. Однако такое многообразие могло существовать вначале «Большого взрыва» и, возможно, при том состоянии Вселенной, которое получило название сингулярность, т. е. состояние сверхплотного сжатия и гигантских температур. Вероятно, от него и ведут начало стабильные элементарные частицы, составляющие строительный материал Вселенной в теперешнем ее состоянии.

Особенностью элементарных частиц является их взаимопревращаемость друг в друга. Взаимопревращению элементарных частиц по современным данным соответствует четыре типа физических взаимодействий: слабое, сильное (ядерное), электромагнитное, гравитационное. Каждому типу взаимодействий соответствует свое поле и кванты этого поля, т.е. взаимодействующие частицы обмениваются между собой квантами соответствующих полей. Это легло в основу объяснения различных видов взаимодействия элементарных частиц, как различных проявлений единого процесса. В настоящее время создана единая теория слабых и электромагнитных взаимодействий. Предпринимаются попытки создать единую теорию трех видов взаимодействий в микромире: слабого, сильного, электромагнитного (великое объединение). Смелые мечты ученых связаны с поисками возможного суперобъединения, которое включало бы и гравитационное. В этом случае в единую теорию структуры материи наряду с кварками, лептонами и другими элементарными частицами вошли бы и гравитоны.

Таким образом, свойства микрочастиц и их взаимодействий помогают понять эволюцию Вселенной, начиная с момента ее расширения до наших дней.

С точки зрения современной физики все многообразие видов материи может быть сведено к существованию двух ее основных видов: вещества и поля.

Физические поля обладают свойствами связывать элементарные частицы и атомы, молекулы, макротела, планеты и т.д.

Всякое изменение, происходящее в окружающем нас мире, представляет движение материи. Источником же движения являются четыре типа физических взаимодействий. При движении частица обладает и волновыми свойствами. Таким образом, на данном этапе развития физика утверждает, что корпускулярно – волновой дуализм присущ всем формам материи.

Итак, в мире ничего иного не существует, кроме движущейся материи, которая существует вечно. Познание мира – процесс бесконечный. Элементарное и сложное в строении вещества - понятия относительные, а предназначение Человека состоит в том, чтобы исследовать и понять свою Вселенную.

ЛИТЕРАТУРА

Беликов Ю.С. Решение задач по физике - М.: Высшая школа, 1986.

Волькенштейн В.С. Сборник задач по общему курсу физики. – М.: 1985.

Воробьев А. А. и др. Физика: Методические указания и контрольные задания для стедентов – заочников инженерно-технических вузов- М.: Высшая школа., 1987.

Детлаф А.А., Яворский Ю.М. Курс физики. – М.: Высшая школа, 1989.

Дмитриева В.Ф. и др. Основы физики. – М.: Высшая школа, 1997.

Орир Дж. Физика. – М.: Мир, 1981. – Т. 1 – 2.

Прокофьев В. Л. И др. Физика: Программа, методические указания и контрольные задания для студентов-заочников технологических специальностей высших учебных заведений.- М.: Высшая шкрла,1998

Савельев И.В. Курс физики. – М.: Наука, 1989. – Т. 1 – 3.

Трофимова Т.И. Курс физики. – М.: Высшая школа, 1996.

Фирганг Е.В. Руководство к решению задач по курсу общей физики. – М.: 1978.

Яворский Ю.М., Детлаф А.А. Справочник по физике. – М.: Наука, 1980.

РАБОЧАЯ ПРОГРАММА

ВВЕДЕНИЕ.

Предмет физики. Методы физического исследования: опыт, эксперимент, гипотеза, теория. Важнейшие этапы истории физики. Роль физики в развитии техники и влияние техники на развитие физики. Размерность физических величин. Основные единицы СИ.