Фундаментальные физические взаимодействия: гравитационные, электромагнитные, сильные и слабые; основные характеристики и значение в природе. Особая роль электромагнитных взаимодействий.
Фундаментальные взаимодействия – качественно различающиеся типы взаимодействия элементарных частиц и составленных из них тел
Эволюция теорий фундаментальных взаимодействий:
До 19 века:
Гравитационные (Галилей, Ньютон-1687);
Электрические (Гильберт, Кавендиш-1773 и Кулон-1785);
Магнитные (Гильберт, Эпинус-1759 и Кулон-1789)
Рубеж 19 и 20 веков:
Электромагнитные (электромагнитная теория Максвелла-1863);
Гравитационные (общая теория относительности Эйнштейна-1915)
Роль гравитационных взаимодействий в природе:
Гравитационные взаимодействия:
Закон всемирного тяготения;
Сила притяжения между планетами Солнечной системы;
сила тяжести
Роль электромагнитных взаимодействий в природе:
Электромагнитные взаимодействия:
Закон Кулона;
Внутри- и межатомные взаимодействия;
Сила трения, сила упругости,…;
Электромагнитные волны (свет)
Роль сильных взаимодействий в природе:
Сильные взаимодействия:
Малый радиус действия (~10 -13 м);
Примерно в 1000 раз сильнее электромагнитных;
Убывают примерно по экспоненте;
Являются насыщенными;
Отвечают за стабильность атомного ядра
Роль слабых взаимодействий в природе
Слабые взаимодействия:
Очень малый радиус действия (~10 -18 м);
Примерно в 100 раз слабее электромагнитных;
Являются насыщенными;
Отвечают за взаимные превращения элементарных частиц
2. Электрический заряд и его основные свойства: биполярность, дискретность, инвариантность; микроскопические носители электрических зарядов, понятие о кварках; закон сохранения электрического заряда; физические модели заряженных тел.
Электрический заряд – это физическая скалярная величина, характеризующая свойство частиц или тел вступать в электромагнитные силовые взаимодействия;
*обозначается q или Q;
*измеряется в системе единиц СИ в кулонах
Основные свойства электрического заряда:
Биполярность:
существуют электрические заряды двух знаков – положительный (стеклянная палочка) и отрицательный (эбонитовая палочка);
*одноименные заряды отталкиваются, а разноименные – притягиваются
Аддитивность:
*электрический заряд физического тела равен алгебраической сумме электрических зарядов находящихся в нем заряженных частиц – микроскопических носителей электрического заряда
Дискретность:
Основные свойства электрического заряда
Равенство модулей положительно-го и отрицательного элементарных электрических зарядов:
Ø модули зарядов электрона и протона равны с высокой точностью
Инвариантность:
величина электрического заряда не зависит от системы отсчета в которой он измеряется
это отличает его от массы тела
Закон сохранения:
*алгебраическая сумма электрических зарядов тел (частей тела, элементарных частиц), составляющих замкнутую систему, остается неизменной при любых взаимодействиях между ними; включая аннигиляцию (исчезновение) вещества
электрон – носитель отрицательного элементарного электрического заряда (
протон – носитель положительного элементарного электрического заряда ( )
кварк - гипотетическая фундаментальная частица в Стандартной модели, обладающая электрическим зарядом, кратным e/3
Закон Кулона: физическая сущность и значение в электродинамике; векторная форма записи закона и принцип суперпозиции электростатических сил; методы экспериментальной проверки закона и границы его применимости.
Закон Кулона - Два неподвижные точечные электрические заряды, находящиеся в вакууме, взаимодействуют между собой с силами, пропорциональными величине этих зарядов и обратно пропорциональными квадрату расстояния между ними
Электрический диполь: физическая модель и дипольный момент диполя; электрическое поле, создаваемое диполем; силы, действующие со стороны однородного и неоднородного электрических полей на электрический диполь.
Электрический диполь – система, состоящая из двух разноименных точечных электрических зарядов, модули которых равны:
Плечо диполя; O – центр диполя;
Дипольный момент электрического диполя:
Единица измерения - =Кл*м
Электрическое поле, создаваемое электрическим диполем:
Вдоль оси диполя:
Силы, действующие на электрический диполь
Однородное электрическое поле:
Неоднородное электрическое поле:
Концепция близкодействия, электрическое поле. Полевая трактовка закона Кулона. Напряженность электростатического поля, силовые линии. Электрическое поле, создаваемое неподвижным точечным зарядом. Принцип суперпозиции электростатических полей.
Дальнодействие – концепция классической физики, согласно которой физические взаимодействия передаются мгновенно без участия какого-либо материального посредника
Близкодействие – концепция классической физики, согласно которой физические взаимодействия передаются с помощью особого материального посредника со скоростью, не превышающей скорость света в вакууме
Электрическое поле – это особый вид материи, одна из составляющих электромагнитного поля, которое существует вокруг заряженных частиц и тел, а также при изменении в течение времени магнитного поля
Электростатическое поле – это особый вид материи, существующий вокруг неподвижных заряженных частиц и тел
В соответствии с концепцией близкодействия неподвижные заряженные частицы и тела создают в окружающем пространстве электростатическое поле, которое оказывает силовое воздействие на помещенные в это поле другие заряженные частицы и тела
Таким образом, электростатическое поле является материальным переносчиком электростатических взаимодействий. Силовой характеристикой электростатического поля является локальная векторная физическая величина – напряженность электростатического поля. Напряженность электростатического поля обозначается латинской буквой: и измеряется с системе единиц СИ в вольтах разделить на метр:
Определение: отсюда
Для поля, создаваемого неподвижным точечным электрическим зарядом:
Силовые линии электростатического поля
Для графического (наглядного) изображения электростатических полей применяются
Ø касательная к силовой линии совпадает с направлением вектора напряженности электростатического поля в данной точке;
Ø густота силовых линий (их число на единицу нормальной поверхности) пропорциональна модулю напряженности электростатического поля;
силовые линии электростатического поля:
Ø являются разомкнутыми (начинаются на положительных и заканчиваются на отрицательных зарядах);
Ø не пересекаются;
Ø не имеют изломов
Принцип суперпозиции для электростатических полей
Формулировка:
Если электростатическое поле создается одновременно несколькими неподвижными электрически заряженными частицами или телами, то напряженность данного поля равна векторной сумме напряженностей электростатических полей, которые создаются каждой из этих частиц или тел независимо друг от друга
6. Поток и дивергенция векторного поля. Электростатическая теорема Гаусса для вакуума: интегральная и дифференциальная формы теоремы; ее физические содержание и смысл.
Электростатическая теорема Гаусса
Поток векторного поля
Гидростатическая аналогия:
Для электростатического поля:
Поток вектора напряженности электростатического поля через поверхность пропорционален числу силовых линий, которые пересекают эту поверхность
Дивергенция векторного поля
Определение: 
Единицы измерения:
Теорема Остроградского: 
Физический смысл: расходимость вектора, указывает на наличие источников поля
Формулировка:
Поток вектора напряженности электростатического поля через замкнутую поверхность произвольной формы пропорционален алгебраической сумме электрических зарядов тел или частиц, которые находятся внутри этой поверхности.
Физическое содержание теоремы:
*закон Кулона, поскольку является его прямым математическим следствием;
*полевая трактовка закона Кулона на основе концепции близкодействия электростатических взаимодействий;
*принцип суперпозиции электростатических полей
Применение электростатической теоремы Гаусса для расчета электростатических полей: общие принципы; расчет поля равномерно заряженной бесконечно длинной тонкой прямой нити и равномерно заряженной безграничной плоскости.
Применение электростатической теоремы Гаусса
Циркуляция и ротор векторного поля. Работа сил электростатического поля: потенциальный характер электростатического поля; разность потенциалов между двумя точками поля, потенциал в заданной точке поля; эквипотенциальные поверхности; расчет потенциала поля, создаваемого неподвижным точечным зарядом; принцип суперпозиции для потенциала.
Потенциал электростатического поля в вакуме
Работа силы :
-криволинейный интеграл.
- циркуль вектора (интегральная хар.)
; ; в-диф=бесконечно малому приращению.
Ротор векторного поля : (локальная характеристика). Разбираем поверхность, ограниченную , на элементарные площадки ;
- циркуляция по контуру ;
- ротор вектора.
Rot векторной величины является вектор. Rot – вихрь.
Циркуляция приходящая на поверхность rot=0 когда проекция =0.
Если работа силы = 0, то и rot=0 и циркуляция.
Теорема Стокса:
Циркуляция вектора по замкнутому контуру =потоку. Rot через поверхность ограниченную этим контуром.
циркул=0, то поле без вихревое.
Градиент скалярной функции. Связь между напряженностью электростатического поля и его потенциалом: математическая запись и физический смысл для однородного и неоднородного полей; применение для расчета полей. Уравнение Пуассона.
ГРАДИЕНТ ФУНКЦИИ
и = f(x, у,
z), заданной в некоторой обл. пространства (X Y Z),
есть вектор
с проекциями обозначаемый символами: grad где i, j, k
- координатные орты. Г. ф. - есть функция точки (х, у,
z), т. е. он образует векторное поле. Производная в направлении Г. ф. в данной точке достигает наибольшего значения и равна: 
Уравнение Пуассона - эллиптическое дифференциальное уравнение в частных производных, которое, среди прочего, описывает
*электростатиче ское поле,
*стационарное поле температуры,
*поле давления,
*поле потенциала скорости в гидродинамике.
Это уравнение имеет вид:
В трёхмерной декартовой системе координат уравнение принимает форму:
Нахождение φ для данного f - важная практическая задача, поскольку это обычный путь для нахождения электростатического потенциала для данного распределения заряда. В единицах системы СИ:
где - электростатический потенциал (в вольтах), - объёмная плотность заряда (в кулонах на кубический метр), а -диэлектрическая проницаемость вакуума (в фарадах на метр).
Электрический ток и его основные характеристики: физическая сущность явления; дрейфовая скорость, плотность и сила электрического тока; закон сохранения электрического заряда в виде уравнения непрерывности.
Электрическим током называют упорядоченное движение заряженных частиц или заряженных макроскопических тел. Различают два вида электрических токов – токи проводимости и конвекционные токи.
Током проводимости
называют упорядоченное движение в веществе или вакууме свободных заряженных частиц – электронов проводимости (в металлах), положительных и отрицательных ионов (в электролитах), электронов и положительных ионов (в газах), электронов проводимости и дырок (в полупроводниках), пучков электронов (в вакууме). Этот ток обусловлен тем, что в проводнике под действием приложенного электрического поля напряженностью происходит перемещение свободных электрических зарядов.
Конвекционным электрическим током
называют ток, обусловленный перемещением в пространстве заряженного макроскопического тела
Для возникновения и поддержания электрического тока проводимости необходимы следующие условия:
1) наличие свободных носителей тока (свободных зарядов);
2) наличие электрического поля, создающего упорядоченное движение свободных зарядов;
3) на свободные заряды, помимо кулоновских сил, должны действовать сторонние силы
неэлектрической природы; эти силы создаются различными источниками тока
(гальваническими элементами, аккумуляторами, электрическими генераторами и др.);
4) цепь электрического тока должна быть замкнутой.
За направление электрического тока условно принимают направление движения положительных зарядов, образующих этот ток.
Количественной мерой
электрического тока является сила тока I
- скалярная физическая величина, определяемая электрическим зарядом, проходящим через поперечное сечение S
проводника в единицу времени:
Ток, сила и направление которого не изменяются с течением времени, называется постоянным Для постоянного тока
Электрический ток, изменяющийся с течением времени, называется переменным
. Единица силы тока – ампер
(А). В СИ определение единицы силы тока формулируется следующим образом: 1А
– это сила такого постоянного тока, который при протекании по двум параллельным прямолинейным проводникам бесконечной длины и ничтожно малого поперечного сечения, расположенным в вакууме на расстоянии 1 м
один от другого, создает между этими проводниками силу,равную на каждый метр длины.
Плотностью тока
называют векторную физическую величину, совпадающую с направлением тока в рассматриваемой точке и численно равную отношению силы тока dI
, проходящего через элементарную поверхность, перпендикулярной направлению тока, к площади этой поверхности:
Единица плотности тока – ампер на квадратный метр
(А/м2
).
Плотность постоянного электрического тока одинакова по всему поперечному сечению однородного проводника. Поэтому для постоянного тока в однородном проводнике с площадью поперечного сечения S
сила тока равна
Физическая величина, определяемая работой сторонних сил при перемещении единичного положительного заряда, называется электродвижущей силой (ЭДС) источника:
Единица ЭДС – вольт
(В). Сторонняя сила, действующая на заряд , может быть выражена через напряженность поля сторонних сил
Тогда работа сторонних сил по перемещению заряда на замкнутом участке цепи будет равна:
Разделив на и учитывая (получим выражение для ЭДС, действующей в цепи:
Линейные электрические цепи. Однородный участок линейной цепи постоянного тока: закон Ома, правило знаков; закон Джоуля-Ленца, баланс мощностей; последовательное и параллельное соединения однородных участков цепи.
При последовательном соединении все элементы связаны друг с другом так, что включающий их участок цепи не имеет ни одного узла. При параллельном соединении все входящие в цепь элементы объединены двумя узлами и не имеют связей с другими узлами, если это не противоречит условию.
При последовательном соединении проводников сила тока во всех проводниках одинакова.
При параллельном соединении падение напряжения между двумя узлами, объединяющими элементы цепи, одинаково для всех элементов. При этом величина, обратная общему сопротивлению цепи, равна сумме величин, обратных сопротивлениям параллельно включенных проводников.
Последовательное соединение
При последовательном соединении проводников сила тока в любых частях цепи одна и та же:
Полное напряжение в цепи при последовательном соединении, или напряжение на полюсах источника тока, равно сумме напряжений на отдельных участках цепи:
Резисторы
Катушка индуктивности
Электрический конденсатор
.
Параллельное соединение
Сила тока в неразветвленной части цепи равна сумме сил токов в отдельных параллельно соединённых проводниках:
Напряжение на участках цепи АВ и на концах всех параллельно соединённых проводников одно и то же: 
Резистор
При параллельном соединении резисторов складываются величины, обратно пропорциональные сопротивлению (то есть общая проводимость складывается из проводимостей каждого резистора )
Если цепь можно разбить на вложенные подблоки, последовательно или параллельно включённые между собой, то сначала считают сопротивление каждого подблока, потом заменяют каждый подблок его эквивалентным сопротивлением, таким образом находится общее(искомое) сопротивление.
Для двух параллельно соединённых резисторов их общее сопротивление равно: .
Если , то общее сопротивление равно:
При параллельном соединении резисторов их общее сопротивление будет меньше наименьшего из сопротивлений.
Катушка индуктивности
Электрический конденсатор
Закон Ома для участка цепи. отношение напряжения U между концами металлического проводника, являющегося участком электрической цепи, к силе тока I в цепи есть величина постоянная:
Эту величину R
называют электрическим сопротивлением
проводника.
Единица электрического сопротивления в СИ - ом
(Ом). Электрическим сопротивлением 1 Ом обладает такой участок цепи, на котором при силе тока 1 А напряжение равно 1 В:
Опыт показывает, что электрическое сопротивление проводника прямо пропорционально его длине l и обратно пропорционально площади S поперечного сечения:
Постоянный для данного вещества параметр называется удельным электрическим сопротивлением
вещества.
Экспериментально установленную зависимость силы тока I
от напряжения U
и электрического сопротивления R
участка цепи называют законом Ома для участка цепи:
Закон Джоуля-Ленца формула и формулировка
Так или иначе, оба ученых исследовали явление нагревания проводников электрическим током, они установили опытным путём следующую закономерность: количество теплоты, которое выделяется в проводнике с током, прямо пропорционально сопротивлению проводника, квадрату силы тока и времени прохождения тока.
Позже дополнительные исследования выявили, что данное утверждение справедливо для всех проводников: жидких, твёрдых и даже газообразных. В связи с этим открытая закономерность стала законом.
Итак, рассмотрим сам закон Джоуля-Ленца и его формулу, которая выглядит так:
Формулировка закона Ома
Сила тока в участке цепи прямо пропорциональна напряжению на концах этого проводника и обратно пропорциональна его сопротивлению:
I = U / R;
Ом
установил
, что сопротивление прямо пропорционально длине проводника и обратно пропорционально площади его поперечного сечения и зависит от вещества проводника.
R = ρl / S,
где ρ - удельное сопротивление, l - длина проводника, S - площадь поперечного сечения проводника.
Баланс мощности – система показателей, характеризующая соответствие суммы значений нагрузок потребителей энергосистемы (ОЭС) и необходимой резервной мощности величине располагаемой мощности энергосистемы.
Определения
Для формулировки правил Кирхгофа вводятся понятия узел , ветвь и контур электрической цепи. Ветвью называют любой двухполюсник, входящий в цепь, например, на рис. отрезок, обозначенный U 1 , I 1 есть ветвь. Узлом называют точку соединения двух и более ветвей (на рис. обозначены жирными точками). Контур - замкнутый цикл из ветвей. Термин замкнутый цикл означает, что, начав с некоторого узла цепи и однократно пройдя по нескольким ветвям и узлам, можно вернуться в исходный узел. Ветви и узлы, проходимые при таком обходе, принято называть принадлежащими данному контуру. При этом нужно иметь в виду, что ветвь и узел могут принадлежать одновременно нескольким контурам.
В терминах данных определений правила Кирхгофа формулируются следующим образом.
Первое правило
Сколько тока втекает в узел, столько из него и вытекает. i 2 + i 3 = i 1 + i 4 Первое правило Кирхгофа (правило токов Кирхгофа) гласит, что алгебраическая сумма токов в каждом узле любой цепи равна нулю. При этом втекающий в узел ток принято считать положительным, а вытекающий - отрицательным:
Иными словами, сколько тока втекает в узел, столько из него и вытекает. Это правило следует из фундаментального закона сохранения заряда.
Второе правило
правило Кирхгофа (правило напряжений Кирхгофа) гласит, что алгебраическая сумма падений напряжений на всех ветвях, принадлежащих любому замкнутому контуру цепи, равна алгебраической сумме ЭДС ветвей этого контура. Если в контуре нет источников ЭДС (идеализированных генераторов напряжения), то суммарное падение напряжений равно нулю:
для постоянных напряжений 
для переменных напряжений
Иными словами, при полном обходе контура потенциал, изменяясь, возвращается к исходному значению. Правила Кирхгофа справедливы для линейных и нелинейных линеаризованных цепей при любом характере изменения во времени токов и напряжений.
Баланс мощности – система показателей, характеризующая соответствие суммы значений нагрузок потребителей энергосистемы (ОЭС) и необходимой резервной мощности величине располагаемой мощности энергосистемы.
Собственная и примесная проводимость полупроводников: механизмы электронной и дырочной проводимости, донорные и акцепторные примеси, зависимость концентрации носителей тока от температуры. Терморезисторы.
Терморезистор - полупроводниковый резистор, в котором используется зависимость электрического сопротивления полупроводникового материала от температуры . Для терморезистора характерны большой температурный коэффициент сопротивления (ТКС) (в десятки раз превышающий этот коэффициент у металлов), простота устройства, способность работать в различных климатических условиях при значительных механических нагрузках, стабильность характеристик во времени. Терморезистор был изобретён Самюэлем Рубеном (SamuelRuben) в 1930 году. Различают терморезисторы с отрицательным (термисторы) и положительным (позисторы) ТКС. Их ещё называют NTC-термисторы и PTC-термисторы соответственно. У позисторов с ростом температуры растет и сопротивление, а у термисторов -- наоборот: при увеличении температуры сопротивление падает.
Режим работы терморезисторов зависит от того, на каком участке статической вольт-амперной характеристики (ВАХ) выбрана рабочая точка. В свою очередь ВАХ зависит как от конструкции, размеров и основных параметров терморезистора, так и от температуры, теплопроводности окружающей среды, тепловой связи между терморезистором и средой
Проводники и диэлектрики. Электростатическая индукция в проводниках: физическая сущность явления; равновесное распределение напряженности электростатического поля и плотности электрических зарядов в объеме и на поверхности проводников.
Проводник - это тело, внутри которого содержится достаточное количество свободных электрических зарядов, способных перемещаться под действием электрического поля. В проводниках возможно возникновение электрического тока под действием приложенного электрического поля. Все металлы, растворы солей и кислот, влажная почва, тела людей и животных - хорошие проводники электрических зарядов.
Диэлектрик или изолятор - тело не содержащее внутри свободные электрические заряды. В изоляторах электрический ток невозможен.
К диэлектрикам можно отнести - стекло, пластик, резину, картон, воздух. тела изготовленные из диэлектриков называют изоляторами. Абсолютно непроводящая жидкость – дистиллированная, т.е. очищенная, вода. (любая другая вода (водопроводная или морская) содержит какое-то количество примесей и является проводником)
Свободные заряды в проводнике способны перемещаться под действием сколь угодно малой силы. Поэтому для равновесия зарядов в проводнике должны выполняться следующие условия:
Напряженность поля внутри проводника должна быть равна нулю потенциал внутри проводника должен быть постоянным.
Напряженность поля на поверхности проводника должна быть перпендикулярна поверхности
Следовательно, поверхность проводника при равновесии зарядов является эквипотенциальной. При равновесии зарядов ни в каком месте внутри проводника не может быть избыточных зарядов – все они распределены по поверхности проводника с некоторой плотностью σ. Рассмотрим замкнутую поверхность в форме цилиндра, образующие которого перпендикулярны поверхности проводника. На поверхности проводника расположены свободные заряды с поверхностной плотностью σ.
Т.к. внутри проводника зарядов нет, то поток через поверхность цилиндра внутри проводника равен нулю. Поток через верхнюю часть цилиндра вне проводника по теореме Гаусса равен
Вектор электрического смещения равен поверхностной плотности свободных зарядов проводника или При внесении незаряженного проводника во внешнее электростатическое поле свободные заряды начнут перемещаться: положительные - по полю, отрицательные – против поля. Тогда с одной стороны проводника будут накапливаться положительные, а с другой отрицательные заряды. Эти заряды называются ИНДУЦИРОВАННЫМИ. Процесс перераспределения зарядов будет происходить до тех пор, пока напряженность внутри проводника не станет равной нулю, а линии напряженности вне проводника перпендикулярны его поверхности. Индуцированные заряды появляются на проводнике вследствие смещения, т.е. являются поверхностной плотностью смещенных зарядов и т.к. то поэтому назвали вектором электрического смещения.
11. Электрическая емкость: емкостные коэффициенты; электрическая емкость конденсатора и уединенного проводника; расчет электрической емкости на примерах плоского конденсатора и уединенного проводящего шара. Системы конденсаторов.
УЕДИНЕННЫМ называется проводник, удаленный от других проводников, тел, зарядов. Потенциал такого проводника прямо пропорционален заряду на нем
Из опыта следует, что разные проводники, будучи одинаково заряженнымиQ1 = Q2 приобретает различные потенциалы φ1¹φ2 из-за различной формы, размеров и окружающей проводник среды (ε). Поэтому для уединенного проводника справедлива формула
Где емкость уединенного проводника. Емкость уединенного проводника равна отношению заряда q, сообщение которого проводнику изменяет его потенциал на 1 Вольт. В системе SI емкость измеряется в Фарадах
Емкость шара
Емкость уединенных проводников очень мала. Для практических целей необходимо создавать такие устройства, которые позволяют накапливать большие заряды при малых размерах и потенциалах. КОНДЕНСАТОР – устройство, служащее для накопления заряда и электрической энергии. Простейший конденсатор состоит из двух проводников, между которыми находится воздушный зазор, либо диэлектрик (воздух – это тоже диэлектрик). Проводники конденсатора называются обкладками, и их расположение по отношению друг к другу подбирают таким, чтобы электрическое поле было сосредоточено в зазоре между ними. Под емкостью конденсатора понимается физическая величина С, равная отношению заряда q , накопленного на обкладках, к разности потенциалов между обкладками.
Рассчитаем емкость плоского конденсатора с площадью пластин S, поверхностной плотностью заряда σ, диэлектрической проницаемостью ε диэлектрика между пластинами, расстоянием между пластинами d. Напряженность поля равна
Используя связь Δφ и Е, находим 
Для цилиндрического конденсатора: емкость плоского конденсатора.
Для сферического конденсатора 
Поляризация диэлектриков: физическая сущность явления; поляризационные (связанные) заряды; поляризованность (вектор поляризации); связь вектора поляризации с поверхностной и объемной плотностью связанных зарядов.
Поляризация диэлектриков - явление, связанное с ограниченным смещением связанных зарядов в диэлектрике или поворотом электрических диполей, обычно под воздействием внешнего электрического поля, иногда под действием других внешних сил или спонтанно.
Связанные заряды. В результате процесса поляризации в объеме (или на поверхности) диэлектрика возникают нескомпенсированные заряды, которые называются поляризационными, или связанными. Частицы, обладающие этими зарядами, входят в состав молекул и под действием внешнего электрического поля смещаются из своих положений равновесия, не покидая молекулы, в состав которой они входят. Связанные заряды характеризуют поверхностной плотностью
Диэлектрик, помещенный во внешнее электрическое поле, поляризуется под действием этого поля. Поляризацией диэлектрика называется процесс приобретения им отличного от нуля макроскопического дипольного момента.
Анализируя современные теории гравитации, начиная с Ньютона и его последователей, мы видим сложность восприятия этого явления. Она заключается в том, что термин «тяготение» ассоциируется с термином «гравитационное излучение». Но если это излучение, т.е. нечто, исходящее от гравитирующего тела (например, Земли), то, как оно может действовать в обратном направлении, т.е. притягивать? Гегель указывал на это несоответствие ещё 200 лет назад. Он считал, что притяжение есть производное от отталкивания, однако, обосновать это теоретически не удосужился.
Физика не может использовать интуитивные прозрения, если их нельзя сформулировать последовательным математическим языком и дополнить описанием на обычном языке. Кроме того, существующие сегодня теории гравитации, включая закон всемирного тяготения Ньютона и общую теорию относительности Эйнштейна, не отвечают на самый главный вопрос – откуда берётся энергия на создание и поддержание гравитационного поля. По расчётам учёных сила притяжения Солнца, удерживающая Землю на орбите, составляет 3,6х1021кгс. Но кроме Земли надо притягивать и другие планеты. Учёные попали в тупик, выяснив, что Солнце не в состоянии энергетически обеспечить притяжение планет солнечной системы. Ньютон, да и Эйнштейн долго бились над этим вопросом, но так и не нашли разумного ответа. В конце концов, Ньютон решил, что сама масса является источником силы притяжения. Так появилась гравитационная масса, которую он отделил от веса. Но при этом ему пришлось внести в свою теорию другую массу – инертную, как количество вещества. К его удивлению, математические вычисления показали, что эти массы в точности равны друг другу. Так родился закон эквивалентности тяжёлой и инертной массы, который Эйнштейн использовал для построения общей теории относительности. Таким образом, Ньютон отказался от физического объяснения наблюдаемых явлений, заменив его математическим. По его пути пошёл и Эйнштейн, создавая свою теорию гравитации, в которой доминирующую роль играет не масса, а пространство и время, как физические объекты. Поэтому его теорию называют ещё геометрической. Конечно, геометрия может определять параметры сил, но она не может быть причиной движения.
В ХХ веке появилась, и начала быстро развиваться квантовая теория микромира и отдельная её ветвь – квантовая теория гравитации. Её трудность, прежде всего, заключается в том, что она основана на математическом формализме довольно высокого уровня, когда по результатам вычислений судят о физической сущности рассматриваемого явления. Кроме того, она постулирует наличие в природе элементарных частиц – гравитонов, ответственных за гравитационное взаимодействие. Как известно, несмотря на долгие поиски, эти частицы так и не были обнаружены. К тому же, эта теория, как и все предыдущие, не отвечает на вопрос – где находится источник энергии, питающий гравитационное поле. Итак, все перечисленные выше теории, а также подобные им (сегодня их насчитывается более десятка) являются чисто математическими, с невыявленной физической сущностью. Такие теории не дают выхода на проведение экспериментов, подтверждающих их. Объясняя отсутствие широкомасштабных экспериментов с гравитацией, учёные ссылаются на то, что, согласно теории Ньютона, для их проведения требуется огромная масса, поскольку именно она является источником гравитационных сил, а это практически невыполнимо. Что же касается общей теории относительности Эйнштейна, то в ней, как уже отмечалось, одна математика, а физической сущностью выступают пространство и время, которые не поддаются экспериментам. Не в лучшем виде в этом вопросе выглядит и квантовая теория гравитации. Как показала история развития физической науки, в использовании математических методов решения задач необходима некоторая осторожность, т.к. в математике отсутствует механизм целесообразности и критики. В соответствии с этим некоторые учёные считают математику не наукой, а своеобразным умственным инструментом. Это никоим образом не принижает её роли в исследованиях. Она включается в работу на последнем этапе, когда уже выявлена физическая сущность рассматриваемого явления. В любой науке первоначально происходит отбор физических и иных факторов, и устанавливаются качественные закономерности в виде аналоговых законов. Такое неоднозначное отношение к математике прослеживается в научных изысканиях с давних времён. Гегель, например, заявляет: « При построении научной теории ссылка на математику, как аргумент доказательства - не правомерен». Или: «В математических рассуждениях нет никакого доказательства». Всё вышесказанное подытожил известный учёный В.А.Ацюковский: «В современной физике, начиная с Ньютона, математике отдаётся предпочтение перед физикой, как будто из математики можно высосать что-нибудь новое сверх того, что в неё заложено».
Итак, сверхзадачей, стоящей перед исследователями является: выявить источник постоянной энергии, создающий и питающий гравитационное поле Земли. Для её решения обратимся к термодинамике. Закон, названный «Второе начало», гласит: «Энтропия вселенной всегда возрастает». Энтропия представляет собой меру энергии беспорядочного (хаотического) движения молекул в веществе. А вот что касается её роста, то здесь далеко не всё ясно. Современная термодинамика утверждает, что всякий реальный природный процесс, всякое реальное движение обязательно сопровождается более или менее заметными тепловыми эффектами. Это связано с тем, что в полном соответствии с законом сохранения энергии, все формы движения могут сколь угодно и без малейших потерь переходить одна в другую. Но если в цепь, состоящую из механических, электрических, химических и других элементов включить звено, в котором есть трение, электрическое сопротивление или теплопередача, картина меняется. Каждое из этих звеньев оказывается своеобразной ловушкой, в которой различные формы движения превращаются в тепловое движение. А, поскольку оно считается необратимым, в природе накапливается тепловая энергия, что и приводит к росту энтропии. На основании этого заключения видные учёные 19 века В.Томсон и Р.Клаузис, распространив этот закон на всю Вселенную, пришли к выводу о неизбежности её тепловой смерти. Однако длительные наблюдения и здравый смысл убеждают нас в том, что мир Земли – это мир постоянной энтропии. В чём же причина такого противоречия во вселенском масштабе? Здесь сразу следует обратить внимание на форму теплового движения, в частности происходящего в нашей Земле, имеющей горячее ядро. Тепловой поток пойдёт от него строго по радиусу, т.е. будет упорядоченным, направленным к наружной поверхности Земли. Это легко проверяется экспериментально, о чём будет сказано ниже. В своё время Макс Планк говорил, что если бы удалось каким-либо способом беспорядочное движение молекул превратить в упорядоченное, то второе начало термодинамики потеряло бы значение принципа. Выходит, что природа предвосхитила опасения наших учёных о неизбежности тепловой смерти вселенной. Но, если у нашей Земли отсутствует рост энтропии, то нам надо докопаться, куда в таком случае исчезает энергия, излучаемая её горячим ядром. Вопрос о потерянной как будто бы тепловой энергии в процессе с постоянной, не возрастающей энтропией, ставился ещё Энгельсом в его труде «Диалектика природы». Ответ на этот вопрос, правда, не совсем ясный, мы найдём в современной космологии. Она утверждает, что возрастанию энтропии противоборствует некая организующая роль гравитации. Но это, скорее, не ответ, а подсказка, где следует его искать. Здесь должна быть иная формулировка: «Та часть энергии, которая, казалось бы, должна расходоваться на увеличение энтропии космических объектов (планет, звёзд), расходуется на создание и поддержание гравитационного излучения в виде продольных волн. Этот механизм полностью аналогичен рождению электрического поля при направленном движении электронов в проводнике. Таким образом, цепь круговорота энергии в природе становится замкнутой. До сих пор тепловая энергия, кстати, самая употребляемая человечеством, была «белой вороной» среди других видов энергии, на ней прерывалась эта цепь. Следовательно, энергия направленного теплового движения может перейти в энергию гравитационного излучения, а та в свою очередь – в энергию механического движения (имеется в виду энергия движения планет и их спутников). А теперь надо ответить на последний, не менее важный вопрос, заданный ещё Гегелем: «Если гравитационное излучение есть нечто исходящее от Земли (планет, звёзд), то, как оно может действовать в обратном направлении?» Имеется в виду ньютоновское притяжение, или тяготение. Именитые учёные дают несколько подсказок, которые проливают свет на этот феномен. Как уже говорилось, тот же Гегель считал, что притяжение есть производное от отталкивания гравитирующих тел. Но это просто философское размышление, и только. Более определённо по этому вопросу высказался английский учёный Хэвисайд (1850-1925гг), называемый непризнанным гением. Его мысль заключалась в том, что в природе образуется второе отражённое гравитационное поле, падающее на Землю. Оно-то и создаёт иллюзию притяжения. Но какой механизм здесь действует? Это можно сравнить с радиолокационной волной. Но в отличие от неё, гравитационная волна, отразившись, возвращается на Землю не к месту её источника, а падает плашмя, как – бы обнимая её. Разобраться, от какого препятствия отражается излучённая Землёй гравитационная волна, нам поможет аналогия взаимодействия двух одноимённых полюсов магнитов. В этом взаимодействии происходит отталкивание магнитов за счёт встречи одноимённых магнитных полей. Приблизительно такая же картина наблюдается при гравитационном взаимодействии космических объектов, например Земли с Луной. Они отталкиваются друг от друга за счёт встречных одноимённых гравитационных полей в виде волн. При этом волны Земли, столкнувшись с волнами Луны, возвращаются на тело, их породившее, в виде продольно-поперечной структуры. Здесь напрашивается вопрос – почему первичное гравитационное излучение не взаимодействует с веществом или телом, а вторичное, падающее плашмя, взаимодействует, а, вернее сказать, толкает тела к Земле? Чтобы ответить на этот вопрос, надо разобраться со структурой гравитационного излучения или поля. Под структурой понимается частица, ответственная за гравитационное взаимодействие. Как уже отмечалось, квантовая теория такой частицей провозгласила гипотетический гравитон. В свою очередь, английский ученый Стивен Хокинг считает, что частицей гравитационного поля является нейтрино. Это, на сегодня, самая малая открытая частица, которая в 10000 раз меньше электрона. Однако здесь большую роль играет не только размер частицы, но и её форма. По утверждению учёных макромир и микромир построены по одному сценарию. Как известно, галактика представляет собой дискообразное скопление звёзд. То же можно сказать и о солнечной системе, где планеты вращаются приблизительно в одной плоскости. А в микромире та же аналогия проявляется в строении атома. Но, оказывается, что и элементарные частицы имеют форму диска. Недавно появилось сообщение о том, что учёным удалось сфотографировать электрон. Он оказался в форме нанодиска. На основании этого следует ожидать, что и нуклоны и нейтрино имеют ту же форму. Похоже, что это общий принцип строения мироздания. При излучении гравитационной волны нейтрино имеет продольный спин по отношению к своему движению и обладает высокой проницаемостью через любые преграды. В силу этого он не взаимодействует с веществом материального тела. Однако, во вторичном, отражённом гравитационном поле, где волна падает на Землю плашмя, спин нейтрино оказывается поперечным по отношению к своему движению и проницаемость волны через тело резко сокращается. В этом случае происходит взаимодействие гравитационного поля с материальными телами, но это не притяжение Земли, а толкание к ней. Вот это и будет вторичное гравитационное поле Хэвисайда. Если пробное тело находится на высоте от Земли и не закреплено, оно будет падать на неё с той же скоростью, что и гравитационное поле, но при этом оно не будет иметь веса. Если тело имеет опору, то гравитационное поле, проходя через него, образует вес, пропорциональный количеству вещества в нём, или то, что мы называем тяжестью. Здесь настало время объяснить, почему гравитационное излучение Земли, заведомо превосходящее лунное, при их взаимодействии не сталкивает Луну с её орбиты? Дело в том, что Земля своим излучением взаимодействует не только с Луной, но и с Солнцем, а в некоторых случаях (при сближении) – с Венерой и Марсом. Это взаимодействие происходит далеко за пределами лунной орбиты. Отражаясь от солнечного гравитационного излучения, земное излучение возвращается обратно, но уже в новом качестве, как гравитационное поле Хэвисайда. (Математическое выражение этого взаимодействия будет резко отличаться от Ньютоновского)
Где - сила гравитационного излучения Земли в районе контакта со встречным аналогичным излучением Луны ; – сила гравитационного поля Земли, препятствующая сдвигу Луны с её орбиты от действия (гравитационное поле Хэвисайда). По пути это поле действует на аналогичное поле Луны, окружающее её в виде некой сферы, и тем самым прижимает её к Земле. В результате Луна оказывается в равновесии между двух сил – силой отталкивания от земного излучения и силой, прижимающей полем Хэвисайда. Граница, где устанавливается это равновесие, и определяет удалённость орбиты Луны от Земли. Из этого следует, что если Луна исчерпает свой энергетический потенциал (горячее ядро), то она неизбежно упадёт на Землю. Такое событие учёные называют гравотермальной катастрофой. Можно предположить, что и взаимодействие Солнца с планетами, в том числе и с Землёй вместе с Луной, происходит по тому же сценарию. При этом граница, где происходит превращение гравитационного излучения в гравитационное поле, т.е. отталкивание двух излучений определяет размер некой энергетической сферы, образующейся вокруг планет от действия Солнца или вокруг Луны от действия Земли. Такая же сфера образуется и вокруг Солнца при взаимодействии его гравитационного излучения с подобными излучениями других космических объектов, находящихся за пределами Солнечной системы. Сфера – это область пространства вокруг гравитирующего объекта, внутри которой действуют силы « тяготения» (как было принято считать ранее), а в соответствии с новой парадигмой это силы давления или подталкивания. Возможно, подобная сфера образуется и вокруг НЛО. Она и выводит из строя электронику приблизившихся к нему самолётов, а также негативно воздействует на психику людей. Теперь, в результате всех этих новшеств, небесная механика предстаёт перед нами в более понятном виде. Солнце, вращаясь, ометает своим гравитационным излучением всё пространство своей системы, заставляя планеты водить хоровод, каждую по своей орбите и одновременно вращаться вокруг своей оси в том же направлении. Но самое важное здесь состоит в том, что и планеты, окружённые энергетической сферой, созданной из собственного излучения, находятся как бы в подвешенном состоянии и по отношению к Солнцу ничего не весят (как мяч на воде). Следовательно, для приведения хоровода планет в действие потребуется ничтожная энергия, по сравнению с той, какую требовала ньютоновская теория. Только Венера и Уран имеют аномальное вращение вокруг своей оси в обратную сторону. При этом Уран «улёгся набок», так, что его ось направлена к Солнцу. Но и этим аномалиям можно найти логическое объяснение на механистической основе. При этом надо заметить, что все взаимодействия в небесной механике происходят на полевом уровне. Например, гравитационное излучение Солнца действует на планеты через их энергетические сферы. Можно предположить, что и другие космические объекты (галактики) подобны нашей солнечной системе. Из этих рассуждений следует, что орбиты планет и звёзд предопределены (в отличие от Ньютона, который считал их случайными) и зависят от гравитационного потенциала каждого из взаимодействующих космических объектов. Кроме того, первичное гравитационное излучение космических объектов не допускает их столкновения, наводит порядок во вселенском масштабе и тем самым обеспечивает устойчивость Вселенной, которой предыдущие теории давали весьма сомнительные объяснения. Этот же механизм (отталкивания) подтверждает предположение Хаббла, что все галактики удаляются не только от нас, но и друг от друга. Иначе говоря, вселенная расширяется. Самым, пожалуй, убедительным и наглядным моментом новой небесной механики является объяснение лунно-солнечных приливов на Земле. Согласно новых воззрений вода не притягивается Луной и Солнцем, а выжимается падающим гравитационным полем Земли в стороны наименьшего давления, то есть в зенитную и противоположную ему (по отношению к Луне и Солнцу). Это подтверждается гравиметрическими измерениями, показывающими периодические колебания силы тяжести тел в различных точках Земли с цикличностью, соответствующей смене лунных фаз и положению Солнца относительно Земли. Причём, увеличение этой силы сдвинуто по отношению к приливным волнам на 90°. Если представить для наглядности отражённое гравитационное поле Земли состоящим из силовых линий, то при возврате эти силовые линии искривляются по параболе, как бы обнимая Землю. Это явление Эйнштейн объяснял искривлением пространства. Но это физически необъяснимо. Образование приливов на Земле в том месте, где Луна находится в зените, Ньютон объяснял силами её притяжения. Но на ехидный вопрос его оппонентов – почему же тогда одновременно такой же приливной горб образуется и с обратной стороны Земли – вразумительного ответа не последовало. В свою очередь французский учёный Р. Декарт иначе объясняет это явление, он говорит: «Образование приливов и отливов происходит за счёт давления лунного вихря». Что это за вихрь и откуда он берётся – неясно, но, в общем, это утверждение ближе к истине. Зато новая небесная механика, основанная на термодинамической природе гравитации, даёт вполне убедительное объяснение приливам и отливам, подтверждённое многочисленными экспериментами. Из этой механики следует, что, то действие, которое мы называем «притяжение», есть, образно говоря, эхо гравитационного излучения Земли. Но эхо может образоваться только в том случае, если Земля находится в окружении других гравитирующих объектов (Луны, других планет и особенно Солнца). А это значит, что, вопреки теории Ньютона, масса Земли не имеет никакого отношения к её способности притяжения. Если бы Земля была одинока в космическом пространстве, она не обладала бы способностью притяжения, даже будучи в тысячу раз массивнее. Такая картина полностью нарушает современную астрофизическую науку. В частности, принято считать, что эволюция звёзд, их рождение и смерть, зависят от величины их массы, которая определяет способность космического объекта к притяжению. Новая гипотеза это утверждение опровергает. При этом под словом «гравитация» ни в коем случае не подразумевается понятие «притяжения». Здесь гравитация – это силовая механистическая волна, которая при взаимодействии с веществом или аналогичной волной может только отталкивать от себя. В частности, наличие в природе таких экзотических звёзд как «белые карлики», нейтронные звёзды, чёрные дыры, явилось следствием математических вычислений, исходящих из теорий Ньютона, Эйнштейна и их последователей, принявших за постулат то, что масса является источником сил притяжения. В новой гипотезе масса воспринимается просто как количество вещества, в котором, при определённых условиях, энергия теплового потока, исходящего от ядра космического объекта, частично преобразуется в энергию его гравитационного излучения. Из этого следует, что два космических объекта, имеющих одинаковую массу, могут иметь различные по своей силе гравитационные излучения. Всё зависит не от массы, а от величины горячего ядра и содержащейся в нём энергии. Так, например, с позиции новой гипотезы, «белые карлики» и «нейтронные звёзды» - это космические объекты, имеющие малый размер и в то же время высокую энергетическую сферу по сравнению с обычными звёздами. Но это вовсе не означает, что масса в таких объектах «упакована» с высокой плотностью, чтобы соответствовать размерам образующейся энергетической сферы (или силе притяжения по теории Ньютона). Здесь, скорее, фактором образования высокой энергетической сферы является высокая энергетика горячего ядра. Расчёты, выполненные учёными, по определению плотности нейтронной звезды, которая соответствовала бы её способности притяжения, составила 3х1017 кг/м3. Это совершенно несоразмерная величина, лишний раз указывающая, что масса, как таковая, не является источником гравитационного излучения. Что касается «чёрных дыр», вокруг которых разгорелись страсти учёных, не утихающих по сей день, то о них ещё более двухсот лет назад писал П.Лаплас: «Светящаяся звезда с плотностью Земли и диаметром в 250 раз больше Солнца не даёт ни одному световому лучу достичь нас из за своего тяготения; поэтому возможно, что самые яркие небесные тела во вселенной оказываются по этой причине невидимыми». Это объяснение в рамках ньютоновской теории гравитации. Теория относительности даёт иное, более парадоксальное объяснение: «Чёрная дыра» - это область пространства, вблизи которой все физические процессы полностью останавливаются, а внутри этой области законы физики полностью теряют свой смысл». Но обе эти теории сходятся в одном, главном предположении, что величина массы определяет силу гравитационного притяжения. Однако, стоит это предположение исключить из физической картины мира (как это сделано в новой гипотезе гравитации автора), так все парадоксы, являющиеся следствием математических ухищрений, исчезнут и «чёрная дыра» превратится в обычную звезду, обладающую огромной массой и вполне умеренным гравитационным излучением. По сути, согласно новым представлениям, любая планета или звезда является своего рода «чёрной дырой». Если какое-то космическое негравитирующее тело войдёт в энергетическую сферу Земли, то при скорости его меньше второй космической (11км/с), оно будет захвачено Землёй и превратится в её спутник. Если эта скорость будет меньше первой космической (8км/с), то тело упадёт на Землю. И, наконец, если его скорость превосходит 11 км/с, то тело уйдёт из сферы влияния Земли и превратится в спутник Солнца. Конечно, это заключение не касается тел с траекторией движения, направленной непосредственно в Землю. В свою очередь, если космическое тело - гравитирующее, оно будет либо отброшено за пределы энергетической оболочки Земли, либо, имея большую скорость, войдёт в эту сферу и превратится в вечный спутник подобно Луне. Следовательно, можно предположить, что она не земного происхождения, как считается, а «приблудная» в результате каких-то космических катаклизмов. Надо заметить, что ньютоновская масса фигурирует и в микромире. Так, например, рождение звёзд объясняется притягательной способностью частиц вещества, рассеянных в пространстве. Согласно новой гипотезе, самосотворение из проматерии, на роль которой опять же претендует частица нейтрино, происходит на спиновой основе частиц в результате флуктуации. Соответственно, ни элементарные частицы, ни атомы и молекулы притягательной способностью не обладают. Все эти заблуждения явились следствием введения Ньютоном в науку понятия так называемой «тяжёлой массы» и массы инертной. А Эйнштейн ввёл в науку ещё одну массу – релятивистскую, что вообще уже ни в какие ворота не лезет. В результате у одного и того же тела может быть три массы, что неизбежно создаёт путаницу в умах людей. Как заметил наш писатель М.И.Писемский: «Есть такие гениальные ошибки, которые оказывают возбудительное влияние на умы целых поколений». Можно добавить, что эти ошибки бывают длительное время незамечаемы. Вот к таким ошибкам и относятся и закон всемирного тяготения Ньютона, и общая теория относительности Эйнштейна. Работа исследователя в рамках ложной парадигмы закономерно приводит к ложным результатам. Если этого не замечать, со временем эти ошибки накапливаются, как снежный ком и в физической науке наступает кризис.
Итак, из всего вышесказанного следует, что в природе существуют как гравитирующие, так и негравитирующие тела. К первым относятся все звёзды и планеты, а также объекты человеческой деятельности, например атомные реакторы, которые по подсчётам учёных за 1 секунду излучают до 1018 частиц нейтрино. Ко второй группе относятся все окружающие нас предметы, объекты, в том числе и небесные, не имеющие горячего ядра, например метеориты, астероиды и др. Интересно отметить, что гравитирующими объектами являются и биологические структуры живой природы, в том числе и человек, пока он жив. Человек имеет постоянный источник тепловой энергии внутри, но при этом рост энтропии не наблюдается. Это значит, что тепловое движение, исходящее изнутри наружу, стабилизировано, т.е. не хаотично. Из этого следует, что человек, как и планеты, излучает гравитационные волны. Но эти волны, в отличие от волн неживой природы, обладают ещё и высокой информативностью. Всякое проявление мысли, эмоции, желания, любого душевного состояния сопровождаются энергетическими вибрациями, которые как бы впечатываются в гравитационные волны, излучаемые человеком. Эту совокупность гравитационного излучения с его информативностью называют биополем (более подробно об этом см. книгу «Природа микромира»). Наличие биополя долгое время отрицалось скептиками, поскольку его свойства никак не объяснялись через свойства известных полей и явно не вписывались в строгую материалистическую картину мира. Камнем преткновения было то, что, согласно теории Ньютона, сила биополя не соответствует массе человека. Однако ТМГ убрала эту препону, показав, что масса тела не является мерилом величины (интенсивности) гравитационного излучения. Следовательно, это излучение включает в себя биополе, обладающее информативностью, которая в свою очередь способствует проявлению феноменов парапсихологии (телепатии, ясновидения, биолокации и др.). И, наконец, когда гравитационное поле человека взаимодействует с аналогичным излучением Земли (это происходит всегда с различной степенью интенсивности), то вокруг человека образуется аура – энергетическая оболочка, по аналогии со сферой вокруг планет и звёзд. Пока ещё не ясно, почему у человека может возникнуть (спонтанно или сознательно) сила гравитационного излучения, сопоставимая с земной. В этом случае проявляется такой феномен, как левитация – способность человека совершать свободный полёт в пространстве. Разумеется, наука отрицает возможность таких явлений, и всё же, в силу дошедших до нас сведений, левитацию следует считать принципиально возможной. Упоминание о ней можно найти в отчётах и дневниках многих европейцев, побывавших в Индии. Известный английский исследователь, экстрасенс Дуглас Юм в течение 40 лет многократно демонстрировал левитацию в присутствии многих выдающихся учёных. Перед левитацией он погружался в транс. Среди тех, кто присутствовал на сеансах Юма, был А.К.Толстой. Юм дважды побывал в России и дал несколько сеансов левитации в присутствии профессоров петербургского университета Бутлерова и Вагнера. О явлениях левитации свидетельствовали такие выдающиеся личности, как супруги Кюри, Томас Эдисон и др. Самым древним, дошедшим до нас упоминанием о левитации, является документ, датируемый 1650 годом. В нём сообщается, что монах Иосиф Скипартино из Италии, будучи в религиозном экстазе, парил в воздухе на высоте 40 ярдов. Современные свидетельства этого феномена в нашей стране более чем скромны и связаны не с полётами, а с частичной потерей веса. Так, например, был зафиксирован факт падения девочки с восьмого этажа, когда она плавно приземлилась на ноги (это спонтанная левитация). Или другой случай, когда мальчик в состоянии лунатизма мог идти по воде как посуху. Недавно по телевидению, в передаче «Чудеса» показали женщину, которая не тонет. Её связали по рукам и ногам и вдобавок на грудь положили утюг. В средневековье её признали бы ведьмой. Известный учёный А.П.Дубров, анализируя международный опыт исследования левитации и телекинеза, пишет: «Анализ достижения современной науки в частности, в области изучения левитации, показывает, что даже общепринятые успехи квантовой физики не позволяют объяснить механизмы, лежащие в основе левитации». Нужна новая физика, революционный прорыв в понимании наблюдаемых явлений и роли сознания. Такой же точки зрения придерживался и знаменитый Эйнштейн. На склоне своих лет он говорил, что в будущем физика пойдёт другим путём. Все современные попытки объяснить возможность преодоления земного притяжения и воспарить в воздух строились на теории Ньютона, что не давало никакого шанса обосновать явление левитации. Термодинамическая модель гравитации (ТМГ)– это и есть та новая физика, о которой мечтал Дубров. Работа сердца заключается в постоянном сокращении и расслаблении сердечной мышцы, что свидетельствует о наличии в ней вещества, обладающего пьезоэффектом. Можно предположить, что именно пьезоэффект создаёт условия образования гравитационного излучения тела человека. Но эта тема относится скорее к парапсихологии. Для того, чтобы присвоить новой гипотезе природы гравитации статус теории, требуется проверка её многочисленными экспериментами, причём разными исследователями. До сих пор все эксперименты в этой области сводились либо к фиксации предполагаемых гравитационных волн, постулированных Ньютоном, с помощью детектора Вебера, либо замерам сил притяжения на крутильных весах. Следует отметить, что все эти эксперименты, ввиду крайней малости измеряемой величины, были связаны с прецизионными измерениями на пороге чувствительности приборов. Совершенно иные возможности для постановки экспериментов ТМГ, где выявлена физическая сущность гравитации, причём они будут целенаправленны, с заранее ожидаемым результатом. В первую очередь, для проверки термодинамической природы гравитации необходимо создать искусственное гравитирующее тело. До сих пор такая идея не могла прийти в голову ни одному исследователю, поскольку она противоречила бы всем известным на сегодня теориям гравитации. Однако, согласно ТМГ, процессы, связанные с излучением гравитационных волн Землёй можно сымитировать в миниатюре. Сама природа подсказывает, как это можно осуществить, причём очень просто и наглядно. Для этого необходимо взять шар, желательно побольше, из материала, выдерживающего высокую температуру. Внутрь его поместить источник тепловой энергии и установить этот шар на весы. Предположительно, он должен терять в весе (конечно незначительно) вследствие того, что своим гравитационным излучением будет отталкиваться от подобного излучения Земли (так же как Луна). Так и произошло. Для решающего эксперимента был изготовлен стальной шар диаметром 100мм. В шаре было сделано конусное отверстие до центра. Затем его поставили на лабораторные весы рычажного типа ВЛТ-5 с ценой деления 0,3г и уравновесили обычными гирями. Вес шара составил 4,2кг. В качестве источника тепловой энергии был использован лазер ЛТ1-2 с энергией луча 5 кВт. Луч был направлен в конусное отверстие шара сверху вниз. По мере повышения температуры поверхности шара (измерение проводилось термопарой) стрелка весов, как и предполагалось, медленно отклонялась в сторону уменьшения веса. Приблизительно через полтора часа, при достижении температуры поверхности шара 300°С лазер был выключен. Разница (уменьшение) в весе шара по сравнению с первоначальным показанием (в холодном состоянии) составила 3г (десять делений шкалы). При отключении лазера, вес вернулся к исходному.
Далее, чтобы разнообразить эксперименты, гравитирующее тело было изготовлено в форме тора, или, попросту говоря, большого бублика из каолинового волокна с «запеченной» внутри по оси электроспиралью мощностью 500Вт. Тепловой поток в нём, как и в шаре, распространяется изнутри по радиусу, т.е. будет направленным. Взвешивание «бублика» производилось на тех же весах, что и в предыдущем опыте. В этом эксперименте, как и в опыте с шаром, тепловая энергия на создание гравитационного излучения расходовалась со всей поверхности тора. При этом рабочая часть поверхности, которая взаимодействует с гравитационным излучением Земли, составляет 20-25% от всей его поверхности. Если бы вся энергия спирали была направлена в рабочую, нижнюю, зону тора, то эффект потери веса тора увеличился бы раз в 10. Это предположение можно отнести и к эксперименту с шаром. Выводы, полученные из этих двух опытов, послужили толчком для создания гравитирующего тела в виде «тарелки». Эта «летающая тарелка» была изготовлена из двух алюминиевых полусфер диаметром 350мм. В нижней полусфере установили графитовый сердечник (излучатель) диаметром и высотой 100мм. Нижний его торец выпустили на 10мм наружу, а на верхнем уложили электроспираль в фарфоровых бусах мощностью 0,8кВт. Всё остальное пространство обеих полусфер было заполнено каолиновым волокном. Вес «тарелки» в холодном состоянии составил 3,5кг, а гравитирующая способность (уменьшение веса) к концу эксперимента составила 5г. Взвешивание проводилось всё на тех же весах. Надо сказать, что здесь я ожидал лучшего результата. Очевидно, большая часть теплового потока, проходящего через сердечник, отклонялась в стороны для прогрева теплоизоляции его боковой поверхности. В результате, только часть теплового потока преобразовалась в гравитационное излучение, которое взаимодействовало с подобным излучением Земли.
Наилучшие результаты, т.е. потеря веса, были получены на модели гравитирующего тела, в шутку названного «летающая кастрюля», по аналогии с «летающей тарелкой». Эта модель и в самом деле была изготовлена из кастрюли с диаметром и высотой 160мм. В днище вырезали отверстие диаметром 100мм, на которое уложили диск из графита диаметром 130мм и толщиной 35мм. На диск, как и в предыдущем эксперименте, уложили электроспираль в фарфоровых бусах мощностью 600Вт. Всё свободное пространство «кастрюли» заполнили каолиновым волокном. Вес модели в холодном состоянии составил 2,534кг. На этот раз взвешивание проводилось на электронных весах МК-6-А20 с ценой деления 2г. Это позволило наблюдать за изменением веса модели во времени вплоть до минут в процессе её нагревания, а затем остывания в естественных условиях. Модель была установлена на специальной подставке.
Анализ их показывает, что буквально через 20 минут после включения электропитания вес модели уменьшился на 2г. Далее уменьшение веса составляло по 2г каждые 10 минут. К концу эксперимента уменьшение веса замедлилось и последнее показание весов – 14г – произошло через полчаса после предыдущего. Затем, в течение часа вес не менялся. Почти сразу после отключения питания произошла прибавка веса на 2г. В процессе остывания интервалы времени между показаниями весов составляли часы. Если нагрев модели до конечного результата – 14г занял 2 часа, то остывание длилось 5 часов. При этом к исходному весу модель так и не вернулась. Разница составила 4г. Это, по-видимому, связано с жёсткостью электропровода, питающего спираль.
Целью всех этих экспериментов было показать возможность создания искусственного гравитирующего тела, вопреки теории Ньютона, обладающего малой массой. Это, так сказать, исходный материал, на базе которого следует искать решение по устройству действующей модели генератора гравитационного излучения, который французским учёным Бриллюэном был назван «гразером» (по аналогии с «лазером») .
Посмотрим, какие возможности откроются перед учёными, когда они получат в своё распоряжение гразер. Во-первых, это физический прибор, о котором мечтал Бриллюэн. С его помощью, как он считал, можно проводить измерения различных параметров гравитационных волн (частоту, скорость распространения, дальность действия и др.). Интересно проанализировать взаимодействие искусственного гравитационного излучения с естественным излучением Земли. Желательно найти зависимость дальнобойности гравитационного луча от подводимой к прибору энергии. После этого можно рассмотреть перспективу практического использования гразера в различных областях науки. После создания гразера и проведения всех указанных выше экспериментов можно будет наконец превратить термодинамическую модель гравитации ТМГ в полноценную теорию гравитации ТТГ. В конечном итоге все это приведет к коренному пересмотру многих астрофизических положений. В частности полностью исключается возможность гравитационного коллапса. Как утверждает современная наука, если массивная звезда исчерпает свой энергетический потенциал (горячее ядро остынет), произойдет катастрофически быстрое её сжатие под действием гравитационных сил. В результате звезда может превратиться в нейтронную звезду или черную дыру. Однако, согласно ТТГ, при таком исходе звезда лишится этих гравитационных сил и превратится в огромный безжизненный астероид.
С позиции ТТГ следует рассмотреть еще один фактор, касающийся истории физики. Как известно, американский физик Майкельсон (совместно с Морли) в 1887 году провел эксперимент с целью обнаружить движение Земли относительно неподвижного эфира, иначе говоря, обнаружить так называемый эфирный ветер. Этот эксперимент имел отрицательный результат.
Согласно ТТГ все гравитирующие объекты (звезды, планеты) окружены энергетической сферой, состоящей из нейтрино, представляющей эфир, а, следовательно, и движутся в мировом пространстве вместе с ней. Вполне естественно, что в своем эксперименте Майкельсона не смог зафиксировать движение Земли относительно эфира. Следовательно, неудача этого эксперимента не может служить доказательством отсутствия эфира и свидетельствовать с пользу теории относительности.
Современные достижения физики высоких энергий все больше
укрепляют представление, что многообразие свойств Природы обусловлено
взаимодействующими элементарными частицами. Дать неформальное определение
элементарной частицы, по-видимому, невозможно, поскольку речь идет о самых
первичных элементах материи. На качественном уровне можно говорить, что истинно
элементарными частицами называются физические объекты, которые не имеют
составных частей.
Очевидно, что вопрос об элементарности физических объектов -
это в первую очередь вопрос экспериментальный. Например, экспериментально
установлено, что молекулы, атомы, атомные ядра имеют внутреннюю структуру,
указывающую на наличие составных частей. Поэтому их нельзя считать элементарными
частицами. Сравнительно недавно открыто, что такие частицы, как мезоны и барионы , также обладают внутренней структурой и, следовательно, не
являются элементарными. В то же время у электрона внутренняя структура никогда
не наблюдалась, и, значит, его можно отнести к элементарным частицам. Другим
примером элементарной частицы является квант света - фотон.
Современные экспериментальные данные свидетельствуют, что
существует только четыре качественно различных вида взаимодействий, в которых
участвуют элементарные частицы. Эти взаимодействия называются фундаментальными,
то есть самыми основными, исходными, первичными. Если принять во внимание все
многообразие свойств окружающего нас Мира, то кажется совершенно удивительным,
что в Природе есть только четыре фундаментальных взаимодействия, ответственных
за все явления Природы.
Помимо качественных различий, фундаментальные взаимодействия
отличаются в количественном отношении по силе воздействия, которая
характеризуется термином интенсивность
. По мере увеличения интенсивности
фундаментальные взаимодействия располагаются в следующем порядке:
гравитационное, слабое, электромагнитное и сильное. Каждое из этих
взаимодействий характеризуется соответствующим параметром, называемым константой
связи, численное значение которого определяет интенсивность взаимодействия.
Каким образом физические объекты осуществляют фундаментальные
взаимодействия между собой? На качественном уровне ответ на этот вопрос выглядит
следующим образом. Фундаментальные взаимодействия переносятся квантами. При этом
в квантовой области фундаментальным взаимодействиям отвечают соответствующие
элементарные частицы, называемые элементарными частицами - переносчиками
взаимодействий. В процессе взаимодействия физический объект испускает частицы -
переносчики взаимодействия, которые поглощаются другим физическим объектом. Это
ведет к тому, что объекты как бы чувствуют друг друга, их энергия, характер
движения, состояние изменяются, то есть они испытывают взаимное влияние.
В современной физике высоких энергий все большее значение
приобретает идея объединения фундаментальных взаимодействий. Согласно идеям
объединения, в Природе существует только одно единое фундаментальное
взаимодействие, проявляющее себя в конкретных ситуациях как гравитационное, или
как слабое, или как электромагнитное, или как сильное, или как их некоторая
комбинация. Успешной реализацией идей объединения послужило создание ставшей уже
стандартной объединенной теории электромагнитных и слабых взаимодействий. Идет
работа по развитию единой теории электромагнитных, слабых и сильных
взаимодействий, получившей название теории великого объединения. Предпринимаются
попытки найти принцип объединения всех четырех фундаментальных взаимодействий.
Мы последовательно рассмотрим основные проявления фундаментальных
взаимодействий.
Гравитационное взаимодействие
Это взаимодействие носит универсальный характер, в нем
участвуют все виды материи, все объекты природы, все элементарные частицы!
Общепринятой классической (не квантовой) теорией гравитационного взаимодействия
является эйнштейновская общая теория относительности. Гравитация определяет
движение планет в звездных системах, играет важную роль в процессах, протекающих
в звездах, управляет эволюцией Вселенной, в земных условиях проявляет себя как
сила взаимного притяжения. Конечно, мы перечислили только небольшое число
примеров из огромного списка эффектов гравитации.
Согласно общей теории относительности, гравитация связана с
кривизной пространства-времени и описывается в терминах так называемой римановой
геометрии. В настоящее время все экспериментальные и наблюдательные данные о
гравитации укладываются в рамки общей теории относительности. Однако данные о
сильных гравитационных полях по существу отсутствуют, поэтому экспериментальные
аспекты этой теории содержат много вопросов. Такая ситуация порождает появление
различных альтернативных теорий гравитации, предсказания которых практически
неотличимы от предсказаний общей теории относительности для физических эффектов
в Солнечной системе, но ведут к другим следствиям в сильных гравитационных
полях.
Если пренебречь всеми релятивистскими эффектами и
ограничиться слабыми стационарными гравитационными полями, то общая теория
относительности сводится к ньютоновской теории всемирного тяготения. В этом
случае, как известно, потенциальная энергия взаимодействия двух точечных частиц
с массами m 1 и m 2
дается соотношением
где r - расстояние между частицами, G - ньютоновская гравитационная
постоянная, играющая роль константы гравитационного взаимодействия. Данное
соотношение показывает, что потенциальная энергия взаимодействия V(r) отлична от
нуля при любом конечном r и спадает к нулю очень медленно. По этой причине
говорят, что гравитационное взаимодействие является дальнодействующим.
Из многих физических предсказаний общей теории
относительности отметим три. Теоретически установлено, что гравитационные
возмущения могут распространяться в пространстве в виде волн, называемых
гравитационными. Распространяющиеся слабые гравитационные возмущения во многом
аналогичны электромагнитным волнам. Их скорость равна скорости света, они имеют
два состояния поляризации, для них характерны явления интерференции и дифракции.
Однако в силу чрезвычайно слабого взаимодействия гравитационных волн с веществом
их прямое экспериментальное наблюдение до сих пор не было возможно. Тем не менее
данные некоторых астрономических наблюдений по потере энергии в системах двойных
звезд свидетельствуют о возможном существовании гравитационных волн в природе.
Теоретическое исследование условий равновесия звезд в рамках
общей теории относительности показывает, что при определенных условиях
достаточно массивные звезды могут начать катастрофически сжиматься. Это
оказывается возможным на достаточно поздних стадиях эволюции звезды, когда
внутреннее давление, обусловленное процессами, ответственными за светимость
звезды, не в состоянии уравновесить давление сил тяготения, стремящихся сжать
звезду. В результате процесс сжатия уже ничем не может быть остановлен.
Описанное физическое явление, предсказанное теоретически в рамках общей теории
относительности, получило название гравитационного коллапса. Исследования
показали, что если радиус звезды становится меньше так называемого
гравитационного радиуса
R g = 2GM / c 2 ,
где M - масса звезды, а c - скорость света, то для внешнего наблюдателя
звезда гаснет. Никакая информация о процессах, идущих в этой звезде, не может
достичь внешнего наблюдателя. При этом тела, падающие на звезду, свободно
пересекают гравитационный радиус. Если в качестве такого тела подразумевается
наблюдатель, то ничего, кроме усиления гравитации, он не заметит. Таким образом,
возникает область пространства, в которую можно попасть, но из которой ничего не
может выйти, включая световой луч. Подобная область пространства называется
черной дырой. Существование черных дыр является одним из теоретических
предсказаний общей теории относительности, некоторые альтернативные теории
гравитации построены именно так, что они запрещают такого типа явления. В связи
с этим вопрос о реальности черных дыр имеет исключительно важное значение. В
настоящее время имеются наблюдательные данные, свидетельствующие о наличии
черных дыр во Вселенной.
В рамках общей теории относительности впервые удалось
сформулировать проблему эволюции Вселенной. Тем самым Вселенная в целом
становится не предметом спекулятивных рассуждений, а объектом физической науки.
Раздел физики, предметом которого является Вселенная в целом, называется
космологией. В настоящее время считается твердо установленным, что мы живем в
расширяющейся Вселенной.
Современная картина эволюции Вселенной основывается на
представлении о том, что Вселенная, включая такие ее атрибуты, как пространство
и время, возникла в результате особого физического явления, называемого Большой
Взрыв, и с тех пор расширяется. Согласно теории эволюции Вселенной, расстояния
между далекими галактиками должны увеличиваться со временем, и вся Вселенная
должна быть заполнена тепловым излучением с температурой порядка 3 K. Эти
предсказания теории находятся в прекрасном соответствии с данными
астрономических наблюдений. При этом оценки показывают, что возраст Вселенной,
то есть время, прошедшее с момента Большого Взрыва, составляет порядка 10 млрд
лет. Что касается деталей Большого Взрыва, то это явление слабо изучено и можно
говорить о загадке Большого Взрыва как о вызове физической науке в целом. Не
исключено, что объяснение механизма Большого Взрыва связано с новыми, пока еще
неизвестными законами Природы. Общепринятый современный взгляд на возможное
решение проблемы Большого Взрыва основывается на идее объединения теории
гравитации и квантовой механики.
Понятие о квантовой гравитации
Можно ли вообще говорить о квантовых проявлениях гравитационного взаимодействия? Как принято считать, принципы квантовой механики носят универсальный характер и применимы к любому физическому объекту. В этом смысле гравитационное поле не представляет исключения. Теоретические исследования показывают, что на квантовом уровне гравитационное взаимодействие переносится элементарной частицей, называемой гравитон. Можно отметить, что гравитон является безмассовым бозоном со спином 2. Гравитационное взаимодействие между частицами, обусловленное обменом гравитоном, условно изображается следующим образом:
Частица испускает гравитон, в силу чего состояние ее
движения изменяется. Другая частица поглощает гравитон и также изменяет
состояние своего движения. В результате возникает воздействие частиц друг на
друга.
Как мы уже отмечали, константой связи, характеризующей
гравитационное взаимодействие, является ньютоновская константа G. Хорошо
известно, что G - размерная величина. Очевидно, что для оценки интенсивности
взаимодействия удобно иметь безразмерную константу связи. Чтобы получить такую
константу, можно использовать фундаментальные постоянные:
(постоянная Планка) и c (скорость света) - и ввести какую-нибудь эталонную
массу, например массу протона m p . Тогда безразмерная константа связи
гравитационного взаимодействия будет
Gm p 2 /(c) ~ 6·10 -39 ,
что, конечно, является очень малой величиной.
Интересно отметить, что из фундаментальных постоянных G, ,
c можно построить величины, имеющие размерность длины, времени, плотности,
массы, энергии. Эти величины называются планковскими. В частности, планковская
длина l Pl
и планковское время t Pl выглядят следующим образом:
Каждая фундаментальная физическая константа
характеризует определенный круг физических явлений: G - гравитационные явления,
- квантовые, c - релятивистские. Поэтому если в какое-то соотношение входят
одновременно G,
,
c, то это значит, что данное соотношение описывает явление, которое одновременно
является гравитационным, квантовым и релятивистским. Таким образом,
существование планковских величин указывает на возможное существование
соответствующих явлений в Природе.
Конечно, численные
значения l Pl и t Pl
очень малы по сравнению с характерными значениями величин в макромире. Но это
означает только то, что квантовогравитационные эффекты слабо проявляют себя. Они
могли быть существенны лишь тогда, когда характерные параметры стали бы
сравнимыми с планковскими величинами.
Отличительной
чертой явлений микромира является то обстоятельство, что физические величины
оказываются подверженными так называемым квантовым флуктуациям. Это означает,
что при многократных измерениях физической величины в определенном состоянии
принципиально должны получаться различные численные значения, обусловленные
неконтролируемым взаимодействием прибора с наблюдаемым объектом. Вспомним, что
гравитация связана с проявлением кривизны пространства-времени, то есть с
геометрией пространства-времени. Поэтому следует ожидать, что на временах
порядка t Pl и расстояниях порядка l Pl геометрия
пространства-времени должна стать квантовым объектом, геометрические
характеристики должны испытывать квантовые флуктуации. Другими словами, на
планковских масштабах нет никакой фиксированной пространственно-временной
геометрии, образно говоря, пространство-время представляет собой бурлящую пену.
Последовательная квантовая теория гравитации не построена. В силу чрезвычайно
малых значений l Pl , t Pl следует ожидать, что в любом
обозримом будущем не удастся поставить эксперименты, в которых проявили бы себя
квантовогравитационные эффекты. Поэтому теоретическое исследование вопросов
квантовой гравитации остается единственной возможностью продвижения вперед. Есть
ли, однако, явления, где квантовая гравитация могла бы оказаться существенной?
Да, есть, и мы о них уже говорили. Это гравитационный коллапс и Большой Взрыв.
Согласно классической теории гравитации, объект, подверженный гравитационному
коллапсу, должен сжиматься до сколь угодно малых размеров. Это означает, что его
размеры могут стать сравнимыми с l Pl , где классическая теория уже
неприменима. Точно так же в процессе Большого Взрыва возраст Вселенной был
сравним с t Pl и она имела размеры порядка l Pl . Это
означает, что понимание физики Большого Взрыва невозможно в рамках классической
теории. Таким образом, описание конечной стадии гравитационного коллапса и
начальной стадии эволюции Вселенной может быть осуществлено только с
привлечением квантовой теории гравитации.
Слабое взаимодействие
Это взаимодействие является наиболее слабым из фундаментальных взаимодействий, экспериментально наблюдаемых в распадах элементарных частиц, где принципиально существенными являются квантовые эффекты. Напомним, что квантовые проявления гравитационного взаимодействия никогда не наблюдались. Слабое взаимодействие выделяется с помощью следующего правила: если в процессе взаимодействия участвует элементарная частица, называемая нейтрино (или антинейтрино), то данное взаимодействие является слабым.
Типичный пример слабого взаимодействия - это бета-распад нейтрона
N p + e - + e ,
где n - нейтрон, p - протон, e - - электрон,
e
- электронное антинейтрино. Следует, однако, иметь в виду, что указанное выше
правило совсем не означает, что любой акт слабого взаимодействия обязан
сопровождаться нейтрино или антинейтрино. Известно, что имеет место большое
число безнейтринных распадов. В качестве примера можно отметить процесс распада
лямбда-гиперона
на протон p и
отрицательно заряженный пион π − . По современным представлениям
нейтрон и протон не являются истинно элементарными частицами, а состоят из
элементарных частиц, называемых кварками.
Интенсивность
слабого взаимодействия характеризуется константой связи Ферми G F .
Константа G F размерна. Чтобы образовать безразмерную величину,
необходимо использовать какую-нибудь эталонную массу, например массу протона m p .
Тогда безразмерная константа связи будет
G F m p 2 ~ 10 -5 .
Видно, что слабое взаимодействие гораздо интенсивнее гравитационного.
Слабое взаимодействие в отличие от гравитационного является короткодействующим.
Это означает, что слабое взаимодействие между частицами начинает действовать,
только если частицы находятся достаточно близко друг к другу. Если же расстояние
между частицами превосходит некоторую величину, называемую характерным радиусом
взаимодействия, слабое взаимодействие не проявляет себя. Экспериментально
установлено, что характерный радиус слабого взаимодействия порядка 10 -15
см, то есть слабое взаимодействие, сосредоточен на расстояниях меньше размеров
атомного ядра.
Почему можно говорить о слабом
взаимодействии как о независимом виде фундаментальных взаимодействий? Ответ
прост. Установлено, что есть процессы превращений элементарных частиц, которые
не сводятся к гравитационным, электромагнитным и сильным взаимодействиям.
Хороший пример, показывающий, что существуют три качественно различных
взаимодействия в ядерных явлениях, связан с радиоактивностью. Эксперименты
указывают на наличие трех различных видов радиоактивности:
-,
-
и
-радиоактивных
распадов. При этом
-распад
обусловлен сильным взаимодействием,
-распад
- электромагнитным. Оставшийся
-распад
не может быть объяснен электромагнитным и сильным взаимодействиями, и мы
вынуждены принять, что есть еще одно фундаментальное взаимодействие, названное
слабым. В общем случае необходимость введения слабого взаимодействия обусловлена
тем, что в природе происходят процессы, в которых электромагнитные и сильные
распады запрещены законами сохранения.
Хотя слабое
взаимодействие существенно сосредоточено внутри ядра, оно имеет определенные
макроскопические проявления. Как мы уже отмечали, оно связано с процессом
β-радиоактивности.
Кроме того, слабое взаимодействие играет важную роль в так называемых
термоядерных реакциях, ответственных за механизм энерговыделения в звездах.
Удивительнейшим свойством слабого взаимодействия является существование
процессов, в которых проявляется зеркальная асимметрия. На первый взгляд кажется
очевидным, что разница между понятиями левое и правое условна. Действительно,
процессы гравитационного, электромагнитного и сильного взаимодействия
инвариантны относительно пространственной инверсии, осуществляющей зеркальное
отражение. Говорят, что в таких процессах сохраняется пространственная четность
P. Однако экспериментально установлено, что слабые процессы могут протекать с
несохранением пространственной четности и, следовательно, как бы чувствуют
разницу между левым и правым. В настоящее время имеются твердые
экспериментальные доказательства, что несохранение четности в слабых
взаимодействиях носит универсальный характер, оно проявляет себя не только в
распадах элементарных частиц, но и в ядерных и даже атомных явлениях. Следует
признать, что зеркальная асимметрия представляет собой свойство Природы на самом
фундаментальном уровне.
Несохранение четности в слабых
взаимодействиях выглядело настолько необычным свойством, что практически сразу
после его открытия теоретики предприняли попытки показать, что на самом деле
существует полная симметрия между левым и правым, только она имеет более
глубокий смысл, чем это ранее считалось. Зеркальное отражение должно
сопровождаться заменой частиц на античастицы (зарядовое сопряжение C), и тогда
все фундаментальные взаимодействия должны быть инвариантными. Однако позднее
было установлено, что эта инвариантность не является универсальной. Существуют
слабые распады так называемых долгоживущих нейтральных каонов на пионы π + , π − ,
запрещенные, если бы указанная инвариантность реально имела место. Таким
образом, отличительным свойством слабого взаимодействия является его
CP-неинвариантность. Возможно, что это свойство ответственно за то
обстоятельство, что вещество во Вселенной значительно превалирует над
антивеществом, построенным из античастиц. Мир и антимир несимметричны.
Вопрос о том, какие частицы являются переносчиками слабого взаимодействия,
долгое время был неясен. Понимания удалось достичь сравнительно недавно в рамках
объединенной теории электрослабых взаимодействий - теории
Вайнберга-Салама-Глэшоу. В настоящее время общепринято, что переносчиками
слабого взаимодействия являются так называемые W ± -
и Z 0 -бозоны. Это заряженные
W ±
и нейтральная Z 0 элементарные частицы со спином 1 и массами, равными
по порядку величины 100 m p .
Электромагнитное взаимодействие
В электромагнитном взаимодействии участвуют все заряженные
тела, все заряженные элементарные частицы. В этом смысле оно достаточно
универсально. Классической теорией электромагнитного взаимодействия является
максвелловская электродинамика. В качестве константы связи принимается заряд
электрона e.
Если рассмотреть два покоящихся точечных заряда q 1
и q 2 , то их электромагнитное взаимодействие сведется к известной
электростатической силе. Это означает, что взаимодействие является
дальнодействующим и медленно спадает с ростом расстояния между зарядами.
Классические проявления электромагнитного взаимодействия
хорошо известны, и мы не будем на них останавливаться. С точки зрения квантовой
теории переносчиком электромагнитного взаимодействия является элементарная
частица фотон - безмассовый бозон со спином 1. Квантовое электромагнитное
взаимодействие между зарядами условно изображается следующим образом:
Заряженная частица испускает фотон, в силу чего состояние ее движения изменяется. Другая частица поглощает этот фотон и также изменяет состояние своего движения. В результате частицы как бы чувствуют наличие друг друга. Хорошо известно, что электрический заряд является размерной величиной. Удобно ввести безразмерную константу связи электромагнитного взаимодействия. Для этого надо использовать фундаментальные постоянные и c. В результате приходим к следующей безразмерной константе связи, называемой в атомной физике постоянной тонкой структуры α = e 2 /c ≈1/137.
Легко заметить, что данная константа значительно превышает
константы гравитационного и слабого взаимодействий.
С
современной точки зрения электромагнитное и слабое взаимодействия представляют
собой различные стороны единого электрослабого взаимодействия. Создана
объединенная теория электрослабого взаимодействия - теория
Вайнберга-Салама-Глэшоу, объясняющая с единых позиций все аспекты
электромагнитных и слабых взаимодействий. Можно ли понять на качественном
уровне, как происходит разделение объединенного взаимодействия на отдельные, как
бы независимые взаимодействия?
Пока характерные энергии
достаточно малы, электромагнитное и слабое взаимодействия отделены и не влияют
друг на друга. С ростом энергии начинается их взаимовлияние, и при достаточно
больших энергиях эти взаимодействия сливаются в единое электрослабое
взаимодействие. Характерная энергия объединения оценивается по порядку величины
как 10 2 ГэВ (ГэВ - это сокращенное от гигаэлектрон-вольт, 1 ГэВ = 10 9 эВ,
1 эВ = 1.6·10 -12 эрг = 1.6·10 19 Дж). Для сравнения
отметим, что характерная энергия электрона в основном состоянии атома водорода
порядка 10 -8
ГэВ, характерная энергия связи атомного ядра порядка 10 -2 ГэВ,
характерная энергия связи твердого тела порядка 10 -10 ГэВ. Таким
образом, характерная энергия объединения электромагнитных и слабых
взаимодействий огромна по сравнению с характерными энергиями в атомной и ядерной
физике. По этой причине электромагнитное и слабое взаимодействия не проявляют в
обычных физических явлениях своей единой сущности.
Сильное взаимодействие
Сильное взаимодействие ответственно за устойчивость
атомных ядер. Поскольку атомные ядра большинства химических элементов стабильны,
то ясно, что взаимодействие, которое удерживает их от распада, должно быть
достаточно сильным. Хорошо известно, что ядра состоят из протонов и нейтронов.
Чтобы положительно заряженные протоны не разлетелись в разные стороны,
необходимо наличие сил притяжения между ними, превосходящих силы
электростатического отталкивания. Именно сильное взаимодействие является
ответственным за эти силы притяжения.
Характерной чертой
сильного взаимодействия является его зарядовая независимость. Ядерные силы
притяжения между протонами, между нейтронами и между протоном и нейтроном по
существу одинаковы. Отсюда следует, что с точки зрения сильных взаимодействий
протон и нейтрон неотличимы и для них используется единый термин нуклон
,
то есть частица ядра.
Характерный масштаб сильного взаимодействия можно проиллюстрировать рассмотрев два покоящихся нуклона. Теория приводит к потенциальной энергии их взаимодействия в виде потенциала Юкавы
где величина r 0 ≈10 -13
см и совпадает по порядку величины с характерным размером ядра, g
- константа связи сильного взаимодействия. Это соотношение показывает, что
сильное взаимодействие является короткодействующим и по существу полностью
сосредоточено на расстояниях, не превышающих характерного размера ядра. При r >
r 0 оно практически исчезает. Известным макроскопическим проявлением
сильного взаимодействия служит эффект
-радиоактивности.
Следует, однако, иметь в виду, что потенциал Юкавы не является универсальным
свойством сильного взаимодействия и не связан с его фундаментальными аспектами.
В настоящее время существует квантовая теория сильного взаимодействия,
получившая название квантовой хромодинамики. Согласно этой теории, переносчиками
сильного взаимодействия являются элементарные частицы - глюоны. По современным
представлениям частицы, участвующие в сильном взаимодействии и называемые
адронами, состоят из элементарных частиц - кварков.
Кварки представляют собой фермионы со спином 1/2 и ненулевой массой. Наиболее
удивительным свойством кварков является их дробный электрический заряд. Кварки
формируются в три пары (три поколения дублетов), обозначаемые следующим образом:
| u | c | |
| d | s | b |
Каждый тип кварка принято называть ароматом, так что существуют
шесть кварковых ароматов. При этом u-, c-, t-кварки имеют электрический заряд
2/3|e| , а d-, s-, b-кварки - электрический заряд -1/3|e|, где e - заряд
электрона. Кроме того, существуют три кварка данного аромата. Они отличаются
квантовым числом, называемым цветом и принимающим три значения: желтый, синий,
красный. Каждому кварку соответствует антикварк, имеющий по отношению к данному
кварку противоположный электрический заряд и так называемый антицвет: антижелтый,
антисиний, антикрасный. Принимая во внимание число ароматов и цветов, мы видим,
что всего существуют 36 кварков и антикварков.
Кварки
взаимодействуют друг с другом посредством обмена восемью глюонами, которые
представляют собой безмассовые бозоны со спином 1. В процессе взаимодействия
цвета кварков могут изменяться. При этом сильное взаимодействие условно
изображается следующим образом:
Кварк, входящий в состав адрона, испускает глюон, в силу чего состояние
движения адрона изменяется. Этот глюон поглощается кварком, входящим в состав
другого адрона, и меняет состояние его движения. В результате возникает
взаимовоздействие адронов друг на друга.
Природа устроена
так, что взаимодействие кварков всегда ведет к образованию бесцветных связанных
состояний, которые как раз и являются адронами. Например, протон и нейтрон
составлены из трех кварков: p = uud, n = udd. Пион π − составлен из
кварка u и антикварка
: π − = u.
Отличительная черта кварк-кваркового взаимодействия через глюоны состоит в том,
что с уменьшением расстояния между кварками их взаимодействие ослабляется. Это
явление получило название асимптотической свободы и ведет к тому, что внутри
адронов кварки можно рассматривать как свободные частицы. Асимптотическая
свобода естественным образом вытекает из квантовой хромодинамики. Имеются
экспериментальные и теоретические указания на то, что с ростом расстояния
взаимодействие между кварками должно возрастать, в силу чего кваркам
энергетически выгодно находиться внутри адрона. Это означает, что мы можем
наблюдать только бесцветные объекты - адроны. Одиночные кварки и глюоны,
обладающие цветом, не могут существовать в свободном состоянии. Явление
удержания элементарных частиц, обладающих цветом, внутри адронов получило
название конфайнмента. Для объяснения конфайнмента предлагались различные
модели, однако последовательное описание, вытекающее из первых принципов теории,
до сих пор не построено. С качественной точки зрения трудности связаны с тем,
что, обладая цветом, глюоны взаимодействуют со всеми цветными объектами, в том
числе и друг с другом. По этой причине квантовая хромодинамика является
существенно нелинейной теорией и приближенные методы исследования, принятые в
квантовой электродинамике и электрослабой теории, оказываются не вполне
адекватными в теории сильных взаимодействий.
Тенденции объединения взаимодействий
Мы видим, что на квантовом уровне все фундаментальные
взаимодействия проявляют себя одинаковым образом. Элементарная частица вещества
испускает элементарную частицу - переносчик взаимодействия, которая поглощается
другой элементарной частицей вещества. Это ведет к взаимовлиянию частиц вещества
друг на друга.
Безразмерная константа связи сильного взаимодействия может
быть построена по аналогии с постоянной тонкой структуры в виде g2/(c)10.
Если сравнить безразмерные константы связи, то легко заметить, что самым слабым
является гравитационное взаимодействие, а затем располагаются слабое,
электромагнитное и сильное.
Если принять во внимание уже развитую объединенную теорию
электрослабых взаимодействий, называемую сейчас стандартной, и следовать
тенденции объединения, то возникает проблема построения единой теории
электрослабого и сильного взаимодействий. В настоящее время созданы модели такой
единой теории, получившие название модели великого объединения. Все эти модели
имеют много общих моментов, в частности характерная энергия объединения
оказывается порядка 10 15 ГэВ, что значительно превосходит характерную
энергию объединения электромагнитных и слабых взаимодействий. Отсюда вытекает,
что прямое экспериментальное исследование великого объединения выглядит
проблематичным даже в достаточно отдаленном будущем. Для сравнения отметим, что
наибольшая энергия, достижимая на современных ускорителях, не превышает 10 3
ГэВ. Поэтому если и будут получены какие-либо экспериментальные данные
относительно великого объединения, то они могут носить только косвенный
характер. В частности, модели великого объединения предсказывают распад протона
и существование магнитного монополя большой массы. Экспериментальное
подтверждение этих предсказаний было бы грандиозным триумфом тенденций
объединения.
Общая картина разделения единого великого взаимодействия на
отдельные сильное, слабое и электромагнитное взаимодействия выглядит следующим
образом. При энергиях порядка 10 15 ГэВ и выше существует единое
взаимодействие. Когда энергия становится ниже 10 15
ГэВ, сильное и электрослабое взаимодействия отделяются друг от друга и
представляются как различные фундаментальные взаимодействия. При дальнейшем
уменьшении энергии ниже 10 2 ГэВ происходит отделение слабого и
электромагнитного взаимодействий. В результате на масштабе энергий, характерных
для физики макроскопических явлений, три рассматриваемых взаимодействия выглядят
как не имеющие единой природы.
Заметим теперь, что энергия 10 15
ГэВ отстоит не так далеко от планковской энергии
при которой становятся существенными квантовогравитационные эффекты. Поэтому
теория великого объединения с необходимостью ведет к проблеме квантовой
гравитации. Если далее следовать тенденции объединения, мы должны принять идею о
существовании одного всеобъемлющего фундаментального взаимодействия, которое
разделяется на отдельные гравитационное, сильное, слабое и электромагнитное
последовательно по мере понижения энергии от планковского значения до энергий,
меньших 10 2 ГэВ.
Построение такой грандиозной
объединяющей теории, по-видимому, неосуществимо в рамках системы идей, приведших
к стандартной теории электрослабых взаимодействий и моделям великого
объединения. Требуется привлечение новых, возможно кажущихся сумасшедшими,
представлений, идей, методов. Несмотря на очень интересные подходы, развитые в
последнее время, такие, как супергравитация и теория струн, проблема объединения
всех фундаментальных взаимодействий остается открытой.
Заключение
Итак, мы сделали обзор основных сведений, касающихся
четырех фундаментальных взаимодействий Природы. Кратко описаны микроскопические
и макроскопические проявления этих взаимодействий, картина физических явлений, в
которых они играют важную роль.
Везде, где это было
возможно, мы старались проследить тенденцию объединения, отметить общие черты
фундаментальных взаимодействий, привести данные о характерных масштабах явлений.
Конечно, излагаемый здесь материал не претендует на полноту рассмотрения и не
содержит многих важных деталей, необходимых для систематического изложения.
Подробное описание затронутых нами вопросов требует использования всего арсенала
методов современной теоретической физики высоких энергий и выходит за рамки
данной статьи, научно-популярной литературы. Нашей целью было изложение общей
картины достижений современной теоретической физики высоких энергий, тенденции
ее развития. Мы стремились вызвать интерес читателя к самостоятельному, более
подробному изучению материала. Конечно, при таком подходе неизбежны определенные
огрубления.
Предлагаемый список литературы позволяет
более подготовленному читателю углубить свое представление о вопросах,
рассмотренных в статье.
- Окунь Л.Б. a, b, g, Z. М.: Наука, 1985.
- Окунь Л.Б. Физика элементарных частиц. М.: Наука, 1984.
- Новиков И.Д. Как взорвалась Вселенная. М.: Наука, 1988.
- Фридман Д., ван. Ньювенхейзен П. // Успехи физ. наук. 1979. Т. 128. N 135.
- Хокинг С. От Большого Взрыва до черных дыр: Краткая история времени. М.: Мир, 1990.
- Девис П. Суперсила: Поиски единой теории природы. М.: Мир, 1989.
- Зельдович Я.Б., Хлопов М.Ю. Драма идей в познании природы. М.: Наука, 1987.
- Готтфрид К., Вайскопф В. Концепции физики элементарных частиц. М.: Мир, 1988.
- Coughlan G.D., Dodd J.E. The Ideas of Particle Physics. Cambridge: Cambridge Univ. Press, 1993.
Учение без размышления – вредно, а размышление без учения – опасно. Конфуций
Фундаментальная отрасль естествознания – Физика, с греческого "природа".
Одно из основных сочинений древнегреческого философа и ученого Аристотеля так и называлось "Физика". Аристотель писал: Наука о природе изучает преимущественно тела и величины, их свойства и виды движении, а кроме того, начала такого рода бытия.
Одна из задач физики - выявление самого простого и самого общего в природе, в открытии таких законов, из которых можно было бы логически вывести картину мира - так считал А. Эйнштейн.
Самое простое - так называемые первичные элементы: молекулы, атомы, элементарные частицы, поля и т.п. Общими свойствами материи принято считать движение, пространство и время, массу, энергию и др.
При изучении сложное сводится к простому, конкретное - к общему.
Фридрих Кекуле (1829 - 1896) предложил иерархию естественных наук в форме четырех ее последовательных основных ступеней: механика, физика, химия, биология.
Первый этап развития физики и естествознания охватывает период от времен Аристотеля до начала XVII в., и называется древним и средневековым этапом.
Второй этап классической физики (классической механики) до конца XIX в. связан с Галилео Галилеем и Исааком Ньютоном.
В истории физики важной для понимания явлений природы была концепция атомизма , согласно которой материя имеет прерывистое, дискретное строение, т. е. состоит из атомов.(Демокрит, 4й в до н.э., - атомы и пустота).
Третий этап современной физики открыл в 1900 г. Макс Планк (1858- 1947), предложивший квантовый подход к оценке накопившихся эксперементальных данных, основанный на дискретной концепции.
Универсальность физических законов подтверждает единство природы и Вселенной в целом.
Макромир – это мир физических тел, состоящих из микрочастиц. Поведение и свойства таких тел описываются классической физикой.
Микромир или мир микроскопических частиц, описывает преимущественно квантовая физика.
Мегамир - мир звезд, галактик и Вселенной, расположенный за пределами Земли.
Виды фундаментальных взаимодействий
К настоящему времени известны четыре вида основных фундаментальных взаимодействий:
гравитационное, электромагнитное, сильное, слабое.
1.Гравитационное взаимодействие характерно для всех материальных объектов, заключается во взаимном притяжении тел и определяется фундаментальным законом всемирного тяготения : между двумя точечными телами действует сила притяжения, прямо пропорциональная произведению их масс и обратно пропорциональная квадрату расстояния между ними.
Гравитационное взаимодействие в процессах микромира существенной роли не играет. Однако в макропроцессах ему принадлежит определяющая роль. Например, движение планет Солнечной системы происходит в строгом соответствии с законами гравитационного взаимодействия.
Р адиус действия его, как и электромагнитного взаимодействия, неограничен.
2.Электромагнитное взаимодействие связано с электрическими и магнитными полями. Электромагнитная теория Максвелла связывает электрическое и магнитное поля.
Различные агрегатные состояния вещества (твердого, жидкого и газообразного), явление трения, упругие и другие свойства вещества определяются силами межмолекулярного взаимодействия , которое по своей природе является электромагнитным.
3.Сильное взаимодействие отвечает за устойчивость ядер и распространяется только в пределах размеров ядра. Чем сильнее взаимодействуют нуклоны в ядре, тем оно устойчивее, тем больше его энергия связи .
Энергия связи определяется работой, которую необходимо совершить, чтобы разделить нуклоны и удалить их друг от друга на такие расстояния, при которых взаимодействие становится равным нулю.
С возрастанием размера ядра энергия связи уменьшается. Так, ядра элементов, находящихся в конце таблицы Менделеева, неустойчивы и могут распадаться. Такой процесс часто называется радиоактивным распадом.
4.Слабое взаимодействие короткодействующее и описывает некоторые виды ядерных процессов.
Чем меньше размеры материальных систем, тем более прочно связаны их элементы.
Разработка единой теории всех известных фундаментальных взаимодействий (теория всего) позволит обеспечить концептуальную интеграцию современных данных о природе.
В естествознании различают три вида материи : вещество(физические тела, молекулы, атомы, частицы), поле (свет, радиация, гравитация, радиоволны) и физический вакуум.
В микромире , многие свойства которого носят квантово-механический характер, вещество и поле можно объединить (в духе концепции корпускулярно-волнового дуализма).
Системная организация материи выражает упорядоченность существования материи.
Структурность организации материи - те конкретные формы, в которых она проявляется (существует).
Под структурой материи обычно понимается ее строение в микромире, существование в виде молекул, атомов, элементарных частиц и т. д.
Сила - физическая мера взаимодействия тел.
Масса тел является источником силы в соответствии с законом всемирного тяготения. Таким образом, понятие массы, введенное впервые Ньютоном, более фундаментально, чем силы.
Согласно квантовой теории поля частицы, обладающие массой, могут рождаться из физического вакуума при достаточно высокой концентрации энергия.
Энергия тем самым выступает как еще более фундаментальная и общая концепция, чем масса, поскольку энергия присуща не только веществу, но и безмассовым полям.
Энергия - универсальная мера различных форм движения и взаимодействия.
Закон всемирного тяготения, сформулированный Ньютоном – это сила гравитационного взаимодействия F. F = G* т1 * т2 / r2 где G - гравитационная постоянная.
Движение в самом общем виде - это изменение состояния физической системы.
Для количественного описания движения сформировались представления о пространстве и времени , которые за длительный период развития естествознания претерпели существенные изменения.
В своих фундаментальных "Математических началах натуральной философии" Ньютон писал:
«..Время и пространство составляют как бы вместилища самих себя и всего существующего.»
Время выражает порядок смены физических состояний
Время вляется объективной характеристикой любого физического процесса или явления; оно универсально.
Говорить о времени безотносительно к изменениям в каких-либо реальных телах или системах - с физической точки зрения бессмысленно.
Однако в процессе развития физики с появлением специальной теории относительности возникло утверждение:
Во-первых , течение времени зависит от скорости движения системы отсчета. При достаточно большой скорости, близкой к скорости света, время замедляется, т. е. возникает релятивистское замедление времени.
Во-вторых , поле тяготения приводит к гравитационному замедлению времени.
Можно говорить только о локальном времени в некоторой системе отсчета. В этой связи время не есть сущность, не зависящая от материи. Течет оно с различной скоростью в различных физических условиях. Время всегда относительно .
Пространство - выражает порядок сосуществования физических тел.
Первая законченная теория пространства - геометрия Евклида . Она была создана примерно 2000 лет назад. Геометрия Евклида оперирует идеальными математическими объектами, которые существуют как бы вне времени , и в этом смысле пространство в этой геометрии - идеальное математическое пространство.
Ньютон ввел понятие абсолютного пространства , которое может быть совершенно пустым и существует независимо от наличия в нем физических тел. Свойства такого пространства определяются Евклидовой геометрией.
Вплоть до середины XIX в., когда были созданы неевклидовы геометрии, никто из естествоиспытателей не сомневался в тождественности реального физического и Евклидова пространств.
Для описания механического движения тела в абсолютном пространстве нужно указать другое в качестве тела отсчета - рассмотрение одного единственного тела в пустом пространстве бессмысленно.
1. Гравитационное взаимодействие является универсальным, однако в микромире не учитывается, так как из всех взаимодействий является самым слабым и проявляется только при наличии достаточно больших масс. Его радиус действия не ограничен, время также не ограничено. Обменный характер гравитационного взаимодействия до сих пор остается под вопросом, так как гипотетическая фундаментальная частица- гравитон- пока не обнаружена.
(И. Ньютон) – самое слабое взаимодействие.
2. Электромагнитное взаимодействие: константа порядка 10 -2 , радиус взаимодействия не ограничен, время взаимодействия t ~ 10 -20 с. Оно реализуется между всеми заряженными частицами. Частица-переносчик – фотон (γ-квант).
3. Слабое взаимодействие связано со всеми видами β-распада, им обусловлены многие распады элементарных частиц и взаимодействие нейтрино с веществом. Константа взаимодействия порядка 10 -13 , t ~ 10 -10 с. Это взаимодействие, как и сильное, является короткодействующим: радиус взаимодействия r~10 -18 м. Частицы-переносчики – промежуточный векторный бозон: W + , W - , Z 0 . (Ферми).
4. Сильное взаимодействие обеспечивает связь нуклонов в ядре. Константа взаимодействия принимается равной1, радиус действия порядка 10 -15 м, время протекания t ~10 -23 с. Сильное взаимодействие осуществляется между кварками – частицами, из которых состоят протоны и нейтроны – c помощью т.н. глюонов. (Юкава).
Основы квантовой механики: открытия М. Планка, Н. Бора, Э. Резерфорда, В. Паули, Э. Шрёдингера и др.
Квантовая теория родилась в 1901 г., когда Макс Планк предложил теоретический вывод о соотношении между температурой тела и испускаемым этим телом излучением, вывод, который долгое время ускользал от других ученых. Как и его предшественники, Планк предположил, что излучение испускают атомные осцилляторы, но при этом считал, что энергия осцилляторов (и, следовательно, испускаемого ими излучения) существует в виде небольших дискретных порций, которые Эйнштейн назвал квантами. Энергия каждого кванта пропорциональна частоте излучения. Хотя выведенная Планком формула вызвала всеобщее восхищение, принятые им допущения оставались непонятными некоторое время, так как противоречили классической физике. В 1905 г. АльбертЭйнштейн воспользовался квантовой теорией для объяснения некоторых аспектов фотоэлектрического эффекта – испускания электронов поверхностью металла, на которую падает ультрафиолетовое излучение. Попутно Эйнштейн отметил кажущийся парадокс: свет, о котором на протяжении долгого времени было известно, что он распространяется как непрерывные волны, при поглощении и излучении проявляет дискретные свойства.
Примерно через восемь лет НильсБор распространил квантовую теорию на атом и объяснил частоты волн, испускаемых атомами, возбужденными в пламени или в электрическом разряде. ЭрнестРезерфорд показал, что масса атома почти целиком сосредоточена в центральном ядре, несущем положительный электрический заряд и окруженном на сравнительно больших расстояниях электронами, несущими отрицательный заряд, вследствие чего атом в целом электрически нейтрален.
Бор предположил, что электроны могут находиться только на определенных дискретных орбитах, соответствующих различным энергетическим уровням, и что «перескок» электрона с одной орбиты на другую, с меньшей энергией, сопровождается испусканием фотона, энергия которого равна разности энергий двух орбит. Частота, по теории Планка, пропорциональна энергии фотона. Таким образом, модель атома Бора установила связь между различными линиями спектров, характерными для испускающего излучение вещества, и атомной структурой. Несмотря на первоначальный успех, модель атома Бора вскоре потребовала модификаций, чтобы избавиться от расхождений между теорией и экспериментом. Кроме того, квантовая теория на той стадии ещё не давала систематической процедуры решения многих квантовых задач. Однако стало ясно, что классическая физика неспособна объяснить тот факт, что движущийся с ускорением электрон не падает на ядро, теряя энергию при излучении электромагнитных волн.
Новая существенная особенность квантовой теории проявилась в 1924 г., когда ЛуидеБройль выдвинул радикальную гипотезу о волновом характере материи: если электромагнитные волны, например свет, иногда ведут себя как частицы (что показал Эйнштейн), то частицы, например электрон при определенных обстоятельствах, могут вести себя как волны. Таким образом, в микромире стёрлась граница между классическими частицами и классическими волнами. В формулировке де Бройля частота, соответствующая частице, связана с её энергией, как в случае фотона (частицы света), но предложенное де Бройлем математическое выражение было эквивалентным соотношением между длиной волны, массой частицы и её скоростью (импульсом). Существование электронных волн было экспериментально доказано в 1927 г. Клинтоном Дж. Дэвиссоном и Лестером Х. Джермером в Соединенных Штатах и Джорджем Паджетом Томсоном в Англии.
В свою очередь это открытие привело к созданию в 1933 г. ЭрнстомРуской электронного микроскопа.
Под впечатлением от комментариев Эйнштейна по поводу идей де Бройля ЭрвинШрёдингер предпринял попытку применить волновое описание электронов к построению последовательной квантовой теории, не связанной с неадекватной моделью атома Бора. В известном смысле он намеревался сблизить квантовую теорию с классической физикой, которая накопила немало примеров математического описания волн. Первая попытка, предпринятая им в 1925 г., закончилась неудачей. Скорости электронов в теории Шрёдингера были близки к скорости света, что требовало включения в неё специальной теории относительности Эйнштейна и учета предсказываемого ею значительного увеличения массы электрона при очень больших скоростях.
Одной из причин постигшей Шрёдингера неудачи было то, что он не учел наличия специфического свойства электрона, известного ныне под названием спина (вращение электрона вокруг собственной оси наподобие волчка, однако такое сравнение не совсем корректно), о котором в то время было мало известно. Следующую попытку Шрёдингер предпринял в 1926 г. Скорости электронов на этот раз были выбраны им настолько малыми, что необходимость в привлечении теории относительности отпадала сама собой. Вторая попытка увенчалась выводом волнового уравнения Шрёдингера, дающего математическое описание материи в терминах волновой функции. Шрёдингер назвал свою теорию волновой механикой. Решения волнового уравнения находились в согласии с экспериментальными наблюдениями и оказали глубокое влияние на последующее развитие квантовой теории. В настоящее время волновая функция лежит в основе квантово-механического описания микросистем, подобно уравнениям Гамильтона в классической механике.
Незадолго до того ВернерГейзенберг , МаксБорн и ПаскуальИордан опубликовали другой вариант квантовой теории, получивший название матричной механики, которая описывала квантовые явления с помощью таблиц наблюдаемых величин. Эти таблицы представляют собой определенным образом упорядоченные математические множества, называемые матрицами, над которыми по известным правилам можно производить различные математические операции. Матричная механика также позволяла достичь согласия с наблюдаемыми экспериментальными данными, но в отличие от волновой механики не содержала никаких конкретных ссылок на пространственные координаты или время. Гейзенберг особенно настаивал на отказе от каких-либо простых наглядных представлений или моделей в пользу только таких свойств, которые могли быть определены из эксперимента, так как по его соображениям микромир имеет принципиально иное устройство, чем макромир в виду особой роли постоянной Планка, несущественной в мире больших величин.
Шрёдингер показал, что волновая механика и матричная механика математически эквивалентны. Известные ныне под общим названием квантовой механики, эти две теории дали долгожданную общую основу описания квантовых явлений. Многие физики отдавали предпочтение волновой механике, поскольку её математический аппарат был им более знаком, а её понятия казались более «физическими»; операции же над матрицами – более громоздкими.
Вскоре после того, как Гейзенберг и Шрёдингер разработали квантовую механику, ПольДирак предложил более общую теорию, в которой элементы специальной теории относительности Эйнштейна сочетались с волновым уравнением. Уравнение Дирака применимо к частицам, движущимся с произвольными скоростями. Спин и магнитные свойства электрона следовали из теории Дирака без каких бы то ни было дополнительных предположений. Кроме того, теория Дирака предсказывала существование античастиц, таких, как позитрон и антипротон, – двойников частиц с противоположными по знаку электрическими зарядами.
