Тема5.Концепция физики

Тема5.Концепция физики

 

Главная Вверх Тема6.Космология 
          "Каждая цивилизация в определенном возрасте имеет возможность возвысить, или разрушить себя. Если делается выбор в пользу возвышения, то возникает импульс, позволяющий появиться учениям об утерянных законах сущего".   (Высший разум, ченнелинг).   
                                                                            М.И. Беляев, 2015г,©

ТЕМА 5. КОНЦЕПЦИЯ КЛАССИЧЕСКОЙ И СОВРЕМЕННОЙ ФИЗИКИ

    5.1. Уровни строения материи.
      В современной науке в основе представлений о строении материального мира лежит системный подход, согласно которому любой объект материального мира, будь то атом, планета, организм или галактика,  может быть рассмотрен как сложное образование, включающее составные части, организованные в целостность, т.е. представляют собой упорядоченные, структурированные, иерархически организованные системы.  
                   
                                                                            рис. 1-1
Данный рисунок дает самые первые представления о единстве  материального мира.
Вещество и поле, пространство и время оказываются тесно взаимосвязаны законами сохранения симметрии.
Эволюция представлений о материи приводится на рисунке ниже.
                                                                                        рис. 1-2
       Эволюция представлений  о материи наглядно свидетельствует, как натурфилософия разворачивается
в классическую механику, отражающую взаимоотношения и взаимосвязь "вещество-вещество". Следующий этап
отражает  волновую концепцию материи (электродинамика).
        И на современном этапе наука уже совершенно отчетливо осознает единство и взаимосвязь вещества и поля.
         
5.1.1. СТРУКТУРНОСТЬ И СИСТЕМНОСТЬ МАТЕРИИ
        В самом общем случае системные уровни организации материи можно представить в виде следующей схемы.
         
                                                                                  рис. 1-3
      Данный рисунок позволяет осознать единство двух системных  уровней организации материи (структурного и функционального).
 
     5.1.2. СТРУКТУРНЫЕ УРОВНИ ВЕЩЕСТВА
       Двойственность организации материи проявляется и в двойственности структурных уровней материи.
 Вещество-это совокупность микротел, макротел мегател и систем мегател. Из физики известно, что кроме вещества
 существует и антивещество.     Поэтому между веществом и антивеществом существует следующий баланс взаимоотношений
                                                          
        Из этого тождества непосредственно следует вывод о том, что антивещество тоже может иметь структурные (и функциональные) уровни организации.
    Ниже будем рассматривать структурные уровни организации только применительно к веществу.
       
                                                                                    рис.2-1
    Категория двойственности позволяет осознать единство структурно-функциональной организации вещества на всех уровнях иерархии.
Структурные уровни организации материи в физике (неживая природа), взаимоотношения между этими уровнями, приведены на рисунке ниже.
                                                                             рис. 2-2
              Из этого рисунка видно, что законы сохранения симметрии проявляются на всех уровнях организации материи.
 
5.1.3. КЛАССЫ МАТЕРИАЛЬНЫХ СИСТЕМ
         В естественных науках выделяются два больших класса материальных систем: системы неживой природы и системы живой природы.
         В неживой природе в качестве структурных уровней организации материи выделяют:
  •  элементарные частицы,
  •  атомы,
  • молекулы,
  •  поля,
  •  физический вакуум,
  •  макроскопические тела,
  • планеты и планетные системы,
  • звезды и звездные системы - галактики,
  • системы галактик - метагалактику.
      В живой природе к структурным уровням организации материи относят:
  •  системы доклеточного уровня - нуклеиновые кислоты и белки;
  • клетки как особый уровень биологической организации, представленные в форме одноклеточных организмов и элементарных единиц живого вещества;
  •  многоклеточные организмы растительного и животного мира; надорганизменные структуры, включающие виды,
  • популяции и биоценозы и, наконец,
  • биосферу как всю массу живого вещества.
      В природе все взаимосвязано, поэтому можно выделить такие системы, которые включают элементы как живой, так и неживой природы - биогеоценозы.
      Естественные науки, начав изучение материального мира с наиболее простых непосредственно воспринимаемых человеком
материальных объектов,  переходят далее к изучению сложнейших объектов глубинных структур материи, выходящих за пределы человеческого восприятия  и несоизмеримых с объектами повседневного опыта.
Применяя системный подход, естествознание не просто выделяет типы материальных систем, а раскрывает их связь и соотношение.
             В науке выделяются три уровня строения материи.
    Макромир - мир макрообъектов, размерность которых соотносима с масштабами человеческого опыта: пространственные
величины выражаются в миллиметрах, сантиметрах и километрах,
а время - в секундах, минутах, часах, годах.
    Микромир - мир предельно малых, непосредственно не наблюдаемых микрообъектов, пространственная размерность которых
исчисляется от 10-8 до 10-18см,
а время жизни - от бесконечности до 10 -24с.
    Мегамир - мир огромных космических масштабов и скоростей, расстояние в котором измеряется световыми годами,
а время существования космических объектов - миллионами и миллиардами лет.
    И хотя на этих уровнях действуют свои специфические закономерности, микро-, макро- и мегамиры теснейшим образом взаимосвязаны.
         В настоящее время в области фундаментальной теоретической физики разрабатываются концепции, согласно которым объективно существующий мир не исчерпывается материальным миром,
воспринимаемым нашими органами чувств или физическими приборами. Авторы данных концепций пришли к следующему выводу: наряду с материальным миром  существует реальность высшего порядка, обладающая принципиально иной природой по сравнению с реальностью материального мира.
С их точки зрения мир высшей реальности определяет  структуру и эволюцию материального мира.  
          Эту концепцию можно выразить, используя тождество
                                                   
   Утверждается, что объектами мира высшей реальности выступают не материальные системы, как в микро-, макро- и мегамирах, а некие идеальные физические и математические структуры, которые проявляются в материальном мире в виде естественно-научных законов.
      Эти структуры выступают как носители идеи необходимости, общезначимости и регулярности, выражающих сущность объективных  физических законов.
        Но одних законов, порожденных такого рода физическими и математическими структурами, явно недостаточно
для существования материального мира. Необходимо множество программ, определяющих «поведение» и эволюцию материальных объектов. Подобно тому, как знание уравнений не обеспечивает решения задачи, для чего нужно еще и  знание начальных условий, так и в общем случае, наряду с фундаментальными законами, должны существовать дополнительные к ним
 сущности - программы.
   С точки зрения указанного подхода, каждая материальная система является воплощением некоторой идеальной структуры,
а ее эволюция определяется некой программой. Программа предполагает определенную направленность развития, т.е. его цель.
Поскольку любая программа не может возникнуть сама собой, а является продуктом творческого акта, то, как считают некоторые физики-теоретики, Вселенной присущ творческий Разум. С их точки зрения материальный мир есть лишь самый «нижний» слой бытия, взаимодействующий со всеми другими слоями и определяемый ими.
      Над миром материальных объектов возвышаются:
- этаж идеальных физических и математических структур, задающих фундаментальные законы природы;
- этаж многочисленных программ, определяющих эволюцию Вселенной в целом    и материальных систем в частности;
- этаж духовного мира человека - мира духовной свободы.
   Вершиной в иерархической структуре Вселенной является Высший Разум как трансцендентное, т.е. сверхчувственное, сверхличностное - Первоначало всего мироздания, возвышающееся над природой и человеком.
 
   5.2. ФОРМИРОВАНИЕ ВЗГЛЯДОВ НА СТРОЕНИЕ МАТЕРИИ
    5.2.1. НАУЧНАЯ КОНЦЕПЦИЯ  МЕХАНИКИ НЬЮТОНА
    Классическая механика Ньютона сыграла и играет до сих пор огромную роль в развитии естествознания. Она объясняет множество физических явлений и процессов в земных и внеземных условиях и служит основой для мно­гих технических достижений в течение длительного времени.  Во многом она определяла мышление и мировоззрение.
           В основе классической механики лежит концепция Ньютона. Сущность ее наиболее отчетливо выразил А. Эйнштейн:
"Согласно ньютоновской системе физическая реальность характеризуется понятиями пространства, времени, материальной точки и силы (взаимодействия материальных точек).
        В ньютоновской концепции под физическими событиями следует понимать движение материальных точек в пространстве,
управляемое неизменными законами. Материальная точка есть единственный способ нашего представления реальности,
поскольку реальное способно к изменению".
    В 1667 г. Ньютон сформулировал три закона динамики, составляющие основной раздел классической механики. Законы Ньютона
играют исключительную роль в механике и являются (как и большинство физических зако­нов) обобщением результатов огромного человеческого опыта,
 о чем сам Ньютон образно сказал: "Если я видел дальше других, то потому, что стоял на плечах гигантов".
     Законы Ньютона рассматривают обычно как систему взаимосвязанных законов.
                                         
                                                                               рис. 3
          Первый закон Ньютона:  Стремление тела сохранить состояние покоя или равномерного прямолинейного
 движения называется инертностью, или инерцией. Поэтому первый закон Ньютона называют также законом инерции.
       Второй закон Ньютона: ускорение (а), приобретаемое материальной точкой (телом), пропорционально вызывающей
его силе и обратно пропорционально массе (m) материальной точки (тела).
        Ускорением характеризуется быстрота изменения скорости движения тела.
        Масса тела - физическая величина - одна из основных характеристик материи, определяющая ее инерционные (инертная масса)
и гравитационные (тяжелая или гравитационная масса) свойства.
       Сила - это векторная величина, мера механического воздействия на тело со стороны других тел или полей,
в результате которого тело приобретает ускорение или изменяет свою форму и размеры.
         Второй закон Ньютона справедлив только в инерциальных системах отсчета. Первый закон Ньютона можно получить из второго.
Действительно, в случае равенства нулю равнодействующих сил (при отсутствии воздействия на тело со стороны других тел)
 ускорение также равно нулю. Однако первый закон Ньютона рассматривается как самостоятельный закон,
а не как следствие второго закона, поскольку именно он утверждает существование инерциальных систем отсчета.
        Третий закон Ньютона определяет взаимодействие между материальными точками (телами) и позволяет осуществить переход
от динамики отдельной материальной точки к динамике системы материальных точек, характеризующихся парным взаимодействием.    
 
    5.2.2. РЫЧАЖНЫЕ ВЕСЫ ЗАКОНОВ МЕХАНИКИ
  Рычажные весы законов механики отражают принципы их сохранения
                                      
     Данное тождество отражает Силу взаимодействия двух объектов. Если силы взаимодействующих объектов являются одинаковыми, то сила действия равна силе противодействия и в этом случае вторая перекладина рычажных весов будет единичной, т.е. плечи рычажных весов будут одинаковы, а их отношение друг к другу будет единичным.
Если же силы будут не равны, то для того, чтобы сбалансировать взаимодействующие объекты, необходимо изменить  длину коромысел рычажных весов. В результате мы получим закон рычага
                           -проигрываешь в силе, выигрываешь в расстоянии;
                           -выигрывая в силе, проигрываешь в расстоянии.
    Рычажные весы   двойственного отношения позволяют более глубоко осознать, например,  природу всемирного закона тяготения Ньютона. Рассмотрим следующее тождество, в котором "сила действия" будет уравновешена "силой противодействия", с использованием перекладины Меры.
                                                      
       Если отношение "Мера-М1"/"Мера-М2" будет равно единице, то рычажные весы будут находиться в равновесии, если массы взаимодействующих тел будут одинаковыми.
 В противном случае возникнет Сила, которая создаст перекладину Меры, уравновешивающую взаимодействующие Объекты.
                            
Это  тождество непосредственно отражает третий закон Ньютона: "Сила действия... равна силе противодействия..."
       Из этого тождества видно, как Сила осуществляет  уравновешивание взаимодействующих масс.
       Это тождество отражает природу возникновения категории Силы, природу возникновения законов Ньютона.
Рассмотрим  следующее тождество
                                                   
     Из этого тождества можно осознать, что равновесный режим может существовать только в одном случае, когда массы взаимодействующих тел будут равны. Если массы не будут равны, то в тождестве
                                     
возникнет дисбаланс. Разделив обе части этого тождества на правую часть тождества (произведя нормировку правой части тождества), мы  получим следующую величину дисбаланса.
                                           
  Если мы теперь разделим тождество на левую часть (нормировка левой части тождества), то  мы получим
                                         
Здесь знак минус указывает на то, что Сила, порождаемая правой и левой частью имеют различную природу. В одном случае дисбаланс вызывает взаимное притяжение тел (гравитация), в другом -расталкивание тел (антигравитация).
   Отметим еще, что закону всемирного тяготения Ньютона полностью аналогичен закон Кулона, отражающего взаимодействие зарядов.
                                          
    Из этого выражения нетрудно осознать природу взаимодействия электрических зарядов:
одноименные заряды отталкиваются , а разноименные -притягиваются.
 
 5.2.3. ДЕТЕРМИНИРОВАННОСТЬ НЬЮТОНОВСКОЙ КАРТИНЫ МИРА
Механика Ньютона легла в основу  механистической картины мира.
                   
                                                                                     рис. 4
      Согласно этой картине причина движения во Вселенной - Бог, который подобен часовщику, раз и навсегда заведшему механизм часов.
После этого мир развивается по своим законам, в которых все существующее имеет свою причину (детерминизм) и потому механистическая
картина мира является детерминистической.
       Причинно-следственный характер такой рисунок можно осознать, используя многомерное причинно-следственное
 тождество  законов сохранения симметрии двойственного отношения "причина-следствие", которое уже приводилось
 при раскрытии Темы 4 (рис. 3).
             
                                                                                                 рис. 5
       В рамках данной картины мира все События и Перемены были взаимосвязаны и взаимообусловлены механическим движением.
                                                                          
        Это двойственное отношение порождает многомерные собственные миры, в соответствии с законами сохранения симметрии.
 Законы Ньютона гармонически вписываются в этот причинно-следственный мир "Событий и Перемен" и потому  позволяют решить
многие задачи механики - от простых до сложных. Спектр таких задач значительно расширился
после разработки Ньютоном и его последователями нового для того времени математического аппарата - дифференциального и
 интегрального исчисления, весьма эффективного при решении многих динамических задач и особенно задач небесной механики.
     Открытые Ньютоном принципы механики  означали переход от натурфилософии к точному экспериментальному описанию процессов (Перемен). 
 Но чтобы описывать процессы, необходимо задавать координаты тела и  его скорость (События), но Перемены рождают новые События и возникает
 необходимость составления уравнение движения, после чего
все последующие События и Перемены  определяются уже  однозначно, и потому изучение механики отныне свелось к точному 
математическому описанию процессов.
        
        Согласно современным представлениям классическая механика имеет свою область применения: ее законы выполняются для
относительно медленных движений тел, скорость которых много меньше скорости света.
      В то же время практика показывает: классическая механика - безусловно истинная теория и таковой останется, пока будет существовать наука.
 
5.2.4принцип относительности. инвариантность
       Механистическая картина мира содержит в себе не только описанные выше законы Ньютона. Над созданием этой картины трудились и
многие другие ученые (рис. 4), заложившие в эту картину многие фундаментальные концепции и принципы.
     Инерциальные системы отсчета. Это система отсчета, в которой справедлив закон инерции (первый закон Ньютона): материальная точка, когда на нее не действуют никакие силы
(или действуют силы взаимно уравновешенные), находится в состоянии покоя или равномерного прямолинейного движения.
Всякая система отсчета, движущаяся по отношению к инерциальной системе отсчета поступательно, равномерно и прямолинейно, есть также инерциальная система отсчета.
       Таким образом,  Первый закон Ньютона утверждает существование инерциальных систем отсчета.
         Считается, что система отсчета, движущаяся по отношению к инерциальной системе отсчета с ускорением, не инерциальна и закон инерции в ней не соблюдается.
    Принцип относительности и инвариантность. Важную роль в развитии естествознания сыграл принцип
относительности, впервые сформулированный Г. Галилеем (1564-1642) для механического движения.
Механическое движение относительно, и его характер зависит от системы отсчета.  Было установлено, что во всех инерциалъных системах отсчета законы классической динамики имеют одинаковую форму;
в этом сущность механического принципа относительности - принципа относительности Галилея. Он означает, что уравнения динамики
при переходе от одной инерциальной системы к другой не изменяются, т.е. инвариантны по отношению к преобразованию координат.
       Галилей обратил внимание на то, что никакими механическими опытами, проведенными в данной инерциальной системе отсчета,
нельзя установить, покоится она или движется равномерно и прямолинейно. Например, сидя в каюте корабля, движущегося равномерно
 и прямолинейно, мы, не выглянув в окно, не можем определить, движется ли корабль, не выглянув в окно.
    А. Пуанкаре распространил принцип относительности на все электромагнитные процессы, а А. Эйнштейн использовал его для
специальной теории относительности.
    Современная формулировка принципа относительности такова:
   все инерциальные системы отсчета равноправны между собой (неотличимы друг от друга) в отношении протекания физических процессов,
 или, другими словами, физические процессы не зависят от равномерного и прямолинейного движения системы отсчета.
        Вместе с принципом относительности в физике утвердились понятия инвариантности, инвариантов и симметрии, а также связь их
с законом сохранения и вообще с законами природы.
       Инвариантность означает неизменность физических величин или свойств природных объектов при переходе от одной системы отсчета к другой
 
5.2.5.  ФУНДАМЕНТАЛЬНЫЕ концепции
        К наиболее общим, важным, фундаментальным концепциям физического описания природы относятся материя, движение, пространство и время.
      Окружающий нас мир, все существующее вокруг нас и обнаруживаемое нами посредством ощущений представляет собой материю.
          Для количественного описания движения сформировались представления о пространстве и времени, которые за длительный период развития
естествознания претерпели существенные изменения.
В физике движение рассматривается в общем виде как изменение состояния физической системы, и для описания состояния вводится набор
измеряемых параметров, к которым со времен Декарта относятся пространственно-временные координаты, или точки пространственно-временного континуума,
означающего непрерывное множество. В физике используются
и другие параметры состояния систем: импульс, энергия, температура, спин и т.п.
 
    5.2.5.1.  КОНЦЕПЦИЯ МАТЕРИИ
     Материя есть философская категория для обозначения объективной реальности, которая отображается нашими ощущениями, существуя независимо от них.
        В классическом представлении в естествознании различают два вида материи: вещество и поле.
Вещество и поле -это взаимодополнительные формы материи.
                                                                               
           Вряд ли вызывает сомнение существование таких вещественных образований в различных конкретных формах: песчинка, камень, капля воды и т.п.
      Что касается проблемы делимости вещества или дилеммы "атомизм - безграничная делимость", то она в значительной степени решена физиками
 и химиками только в начале нашего столетия, когда было экспериментально подтверждено существование атомов и молекул - мельчайших частиц химического элемента
и химических соединений.
      Идеальными и предельно абстрактными физическими образами реально существующих частиц и тел в классической механике служат материальная точка
 и абсолютно твердое тело как система материальных точек.
     Поэтому взаимодействия в механике Ньютона рассматриваются, главным образом, на уровне тождества
                                                
      Повседневный опыт показывает, что тела действуют друг на друга, порождая всевозможные изменения и движения.
Взаимодействие тел в макромире происходит под действием силы тяготения или электромагнитных сил.
 
5.2.5.2.  КОНЦЕПЦИЯ вакуума
      В современном представлении к двум типам материи (вещество и поле) следует  добавить третий вид материи - физический вакуум.
Согласно квантовой теории поля частицы, обладающие массой, могут рождаться из физического вакуума, представляющего собой совокупность частиц
 с соответствующими им античастицами, при достаточно высокой концентрации энергии,
которая тем самым выступает как еще более фундаментальная и общая концепция, чем масса, поскольку энергия присуща не только веществу, но и безмассовым полям.
  Физический вакуум тесно взаимосвязан с веществом и полем, которые  отражают свойства только "проявленной перекладины"  тождества законов сохранения симметрии.
         Физический вакуум -это вторая, "непроявленная" перекладина этих весов и, следовательно, в этой переекладине будут отражаться свойства  "непроявленной" материи,
т.е. должно иметь место следующее тождество
                                                            
      Тогда, учитывая подобную взаимодополнительность, для физического вакуума можно записать тождество
                                                                         
     Из которого можно осознать, что "проявленная" и "непроявленная" формы материи формируют единое тождество
                                                                         
   Поэтому, в соответствии с концепцией  корпускулярно-волнового дуализма (единства частицы и волны)  вещество и поле объединяются  в единую материю,
 которая действует на наши органы чувств и проявляется в одних условиях как вещество (физические тела, молекулы, атомы, частицы),
 а в других - как поле (свет, радиация, гравитация, радиоволны).
Такое объединение в явной форме проявляется в  микромире, многие свойства которого носят квантово-механический характер.
И здесь же проявляются свойства физического вакуума.
      В классической механике Ньютона в качестве вещественных образований выступают материальная частица
малых размеров - корпускула, часто называемая материальной точкой, и физическое тело, или просто тело, как единая
система корпускул, определенным  образом связанных между собой.
 
5.2.5.3.  КОНЦЕПЦИЯ массы
      Считается, что масса, в отличие в отличие от электрического заряда масса не квантуется. Однако, возможно, данное утверждение соответствует
только современному представлению о микромире, ибо  масса и электрический  заряды тесно взаимосвязаны. Электрические заряды характеризуют дискретность,
а масса в некоторой замкнутой области, характеризуется непрерывностью.
   Поэтому, видимо, можно записать следующее тождество, отражающее симметрию взаимоотношений между массой и зарядом.
                                                                                                          
На первый взгляд это тождество может показаться странным. Перепишем его в другом виде и мы получим полновесное тождество, имеющее уже все четыре компоненты
                                                      
     Масса выступает не только как мера гравитационного взаимодействия, но и как мера инертности тел, т.е. способности тел сопротивляться воздействию сил,
 стремящихся изменить скорость их движения.
                                                     
    В этой связи часто говорят о массе тяжелой как мере гравитационного взаимодействия и о массе инертной как мере инертности.
Из этого тождества можно осознать
взаимодополнительность гравитационной и инертной масс
                                                  
Это значит, что инерционная масса, движущаяся по инерции (F-инерциии, внутренняя), под воздействием внешней Силы (F-внешняя)
приобретает  свойства гравитационной  массы.
 
   5.2.5.4.   концепция времени
        Так что же такое время? Самый простой ответ таков: время - это то, что показывают часы. Принцип работы часов может быть
основан на многих физических явлениях и процессах.
     Наиболее удобны периодические процессы, длительно повторяющиеся с высокой степенью точности, например, вращение Земли вокруг
своей оси, электромагнитное излучение возбужденных атомов и т.п.
Для измерения времени могут быть использованы и непериодические процессы, происходящие по известному временному закону, например, радиоактивный
 распад атомов или свободное падение тел в поле тяготения. Многие крупные достижения в естествознании связаны с изображением и
конструированием более точных часов.
     Но такое  определение времени связано только с проблемой точности его измерения, а не с проблемой его сущности.
       В более строгом определении время выражает порядок смены физических состояний и является 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.
         Абсолютное и относительное время.
        Ньютон различал абсолютное и относительное время. В своих фундаментальных "Математических началах натуральной философии" он писал:
"Абсолютное, истинное математическое время само по себе и по своей сущности, без всякого отношения к чему-либо внешнему,
протекает равномерно и иначе называется длительностью.
Относительное, кажущееся или обыденное время есть или точная, или изменчивая постигаемая чувствами внешняя,
совершаемая при посредстве ка­кого-либо движения,
мера продолжительности, употребляемая в обыденной жизни вместо истинного математического времени, как то: час, день, месяц, год,...
     Течение абсолютного времени изменяться не может. Длительность или продолжительность существования вещей одна и та же,
быстры ли движения (по которым измеряется время),
медленны ли, или их совсем нет... Время и пространство составляют как бы вместилища самих себя и всего существующего."
     Важная особенность времени выражена в постулате времени: одинаковые во всех отношениях явления происходят за одинаковое время.
  В процессе развития физики с появлением специальной теории относительности возникло утверждение:
       1. Абсолютное время не имеет физического смысла, оно - лишь идеальное математическое представление, ибо в природе нет реального
физического процесса,
пригодного для измерения абсолютного времени.
      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. В некоторой системе отсчета можно говорить только о локальном времени.
В этой связи время не есть сущность, не зависящая от материи, оно течет с различной скоростью в различных физических условиях.
      2.Время всегда относительно.
     Однако абсолютное время и время относительное  взаимосвязаны законами сохранения симметрии. Относительное время всегда связано с какой-то
 Мерой времени, которая по сравнению и
 используемой может считаться абсолютной, т.е. будет справедливо тождество
                                                   
 ибо Мера измерения времени является многоуровневой (..., секунды, часы, сутки, годы,....).
Секунды соизмеряются с минутами, минуты с часами,
часы с сутками, сутки с годами и т.д.
       Это тождество свидетельствует о том, что время является двойственным, а     многоуровневость времени позволяет, в общем случае,
осознать четыре типа времен (Монада Времени).   
 
   5.2.5.5. концепция пространства
      Концепция пространства, прошла длительный путь становления и развития. Первое представление о пространстве возникло из очевидного
существования в природе и в первую очередь
в микромире твердых физических тел, занимающих определенный объем. Из такого представления вытекало определение: пространство выражает порядок
 сосуществования физических тел.
        Первая законченная теория пространства - геометрия Евклида. Она была создана примерно 2014 лет назад и до сих пор считается образцом научной теории.
Геометрия Евклида оперирует
идеальными математическими объектами, которые существуют как бы вне времени, и в данном смысле пространство
 в этой геометрии - идеальное математическое пространство.
Вплоть до середины XIX в., когда были созданы неевклидовы геометрии, никто из естествоиспытателей не сомневался в тождественности реального
физического и Евклидова пространств.
        По аналогии с абсолютным временем Ньютон ввел понятие абсолютного пространства, которое может быть совершенно пустым,
существуя независимо от наличия в нем физических тел
 и являясь как бы мировой сферой, где разыгрываются физические процессы. Свойства подобного пространства определяются Евклидовой геометрией.
Такое представление
 о пространстве до сих пор лежит в основе многих экспериментов, позволивших сделать крупные открытия.
     Конечно, пустое пространство - идеальное пространство. Реальный окружающий нас мир полон материальных вещей даже в безвоздушном
 космическом пространстве. Его заполняют звезды, метеоритные образования, элементарные частицы и, как полагают астрономы, невидимая, скрытая материя. Идеальность пустого пространства подтверждает
 и относительный характер механического движения тел. Для описания движения тела нужно в качестве отсчета указать другое тело, ибо рассмотрение одного единственного тела
 в пустом пространстве бессмысленно.
 
 5.2.5.6.концепция пространства- времени
      Однако пространство и время тесно взаимосвязаны между собой. Если с пространством отождествить структурный аспект, а со временем функциональный аспект,
то мы можем осознать единство
Пространства и Времени.
                                                           
 И эта взаимосвязь проявляется в принципе инвариантности
  Принцип инвариантности:
                 "смещение во времени и в пространстве не влияет на протекание физических процессов".
Этот принцип является весьма важным для понимания законов природы   относительно сдвигов в пространстве и во времени, т.е. параллельных переносов начала координат и начала отсчета времени.
        Инвариантность непосредственно связана с симметрией, представляющей собой неизменность структуры материального объекта относительно его преобразований, т.е. изменения ряда физических условий.
           Более строго-  инвариантность является следствие законов сохранения симметрии, которые проявляются в однородности пространства и времени.
        Однородность пространства заключается в том, что при параллельном переносе в пространстве замкнутой системы тел как целого ее физические свойства
и законы движения не изменяются,
иными словами, не зависят от выбора положения начала координат инерциальной системы отсчета.
     Из свойства одноролдности пространства следует, например, закон сохранения импульса: импульс замкнутой системы сохраняется, т.е. не изменяется с течением времени.
Закон сохранения импульса справедлив не только в классической физике, хотя он и получен как следствие законов Ньютона. Закон сохранения импульса носит универсальный характер и является фундаментальным законом природы.
   Однородность времени означает инвариантность физических законов относительно выбора начала отсчета времени. Например, при свободном падении тела  в поле силы тяжести его скорость
 и пройденный путь зависят лишь от начальной скорости и продолжительности свободного падения тела и не зависят от момента начала падения тела.
      Из однородности времени следует, например, закон сохранения механической энергии: в системе тел, между которыми действуют только консервативные силы, полная механическая энергия сохраняется, т.е. не изменяется со временем.
       Законы сохранения симметрии - самые  фундаментальные законы природы. Они свидетельствуют о том, что материя  никогда не исчезает и не появляется вновь,  она лишь превращается, в пространстве и времени,
из одного вида в другой. В этом заключается физическая сущность законов сохранения симметрии - сущность неуничтожения материи и ее движения.
     Обратимся еще к одному свойству симметрии пространства - его изотропности.
        Изотропность пространства означает инвариантность физических законов относительно выбора направлений осей координат системы отсчета
 (относительно поворота замкнутой системы в пространстве на любой угол).
     Из изотропности пространства следует еще один фундаментальный закон природы - закон сохранения момента импульса: момент импульса замкнутой системы сохраняется, т.е. не изменяется с течением времени.
        Связь между симметрией пространства и законами сохранения установила немецкий математик Эмми Нётер (1882-1935). Она сформулировала и доказала фундаментальную теорему  математической физики, названную ее именем, из которой следует, что  из однородности пространства и времени вытекают законы сохранения соответственно импульса и энергии, а из изотропности пространства - закон сохранения момента импульса.
     Существенное ограничение однородности и изотропности пространственного распределения материи во Вселенной, налагаемое на уравнения общей теории материи и  составляющее основу космологического принципа, позволило российскому математику и геофизику А.А. Фридману (1888- 1925) предсказать расширение Вселенной.
        Специальная теория относительности, принципы которой сформулировал в 1905 г. А. Эйнштейн, представляет собой современную физическую теорию пространства и времени,  в которой, как и в классической
ньютоновской механике, предполагается, что время однородно, а пространство однородно и изотропно. В основе специальной теории относительности лежат постулаты Эйнштейна:
       1) принцип относительности: никакие опыты (механические, электрические, оптические), проведенные в данной инерциальной системе отсчета, не дают возможности обнаружить, покоится
ли эта система или движется равномерно и прямолинейно; все законы природы инвариантны по отношению к переходу от одной инерциальной системы к другой;
      2) принцип инвариантности скорости света: скорость света в вакууме не зависит от скорости движения света или наблюдателя и одинакова во всех инерциальных системах отсчета.
         Первый постулат, являясь обобщением механического принципа относительности Галилея, распространяющегося на любые физические процессы, Утверждает таким образом,
что физические законы инвариантны  по отношению к выбору инерциальной системы отсчета, а уравнения, описывающие эти законы, одинаковы по форме во всех инерциональных системах отсчета.
      Согласно данному постулату все инерциальные системы отсчета совершенно равноправны, т.е. явления механические, электромагнитные, оптические и др. во всех инерциальных системах  отсчета протекают одинаково.
     Согласно второму постулату постоянство скорости света в вакууме - фундаментальное свойство природы. Специальная теория относительности потребовала отказа  от привычных классических представлений
 о пространстве и времени, поскольку они противоречили принципу постоянства скорости света. Потеряло смысл не только абсолютное пространство, но и абсолютное время.
        Специальная теория относительности объединила пространство и время в единый континуум пространство - время. Основанием для такого объединения послужили и постулат  о предельной скорости передачи взаимодействий  материальных тел - скорости света, равной и вакууме примерно 300 000 км/с, и принцип относительности. Из данной теории следует  относительность одновременности двух событий, происшедших в разных точках пространства, а также относительность измерений длин и интервалов времени, произве­денных в разных системах отсчета, движущихся относительно друг друга.
  Все это означает, что для реального мира пространство и время имеют не абсолютный, а относительный характер.
      Общая теория относительности, называемая иногда теорией тяготения, - результат развития специальной теории относительности. Из нее вытекает, что свойства пространства - времени в данной области определяются действующими в ней полями тяготения. При переходе к космическим масштабам геометрия пространства - времени может изменяться от одной области к  другой в зависимости от концентрации масс в этих областях и их движения.
       Современные преставления о пространстве и времени расширяют не только прежние понятия и категории, но и наполняются новыми смыслами. Поэтому пространство-время сегодня  является не только физической категорией теории относительности.  Каждое пространство-время имеет не только собственное пространство и собственное время, характеризующихся разными  масштабы.
     Каждое из них имеет и собственные смыслы (пространство-время живых организмов, социальных организмов и т.п.). Подобная дифференциация смыслов пространства-времени предполагает существование   Единого Пространства-Времени.
 
5.2.6. РЫЧАЖНЫЕ ВЕСЫ ЕДИНОЙ ТЕОРИИ ОТНОСИТЕЛЬНОСТИ
     Рычажные весы природных операционных механизмов Единого закона эволюции двойственного отношения,  любое отношение разворачивают и сворачивают по образу и подобию на всех уровнях иерархии, используя  соответствующие Меры. многоуровневость и многомерность рычажных весов должно проявляться и в формирровании Единой Теории Отнросительности.      Поэтому не будет преувеличением сказать, что  свойства каждой СТО  отражают в себе свойства ЕТО, а ЕТО органически включает в себя каждое СТО.
       Это высказывание в самом общем виде можно отобразить в форме следующих рычажных весов.
                                                     
Из этого тождества можно непосредственно можно осознать  единство каждой СТО  и ЕТО, которое проявляется в том, что ЕТО может "конвертироваться " в каждое СТО, а каждое СТО может обменяться по "текущему курсу обмена" на ЕТО.
                                                       
     Из этого тождества следует также вывод о  том, что рычажные весы способны уравновесить любые СТО, принадлежащие к разным инерционным системам отсчета.
                                                       
      Рычажные весы Единого закона эволюции двойственного отношения позволяют осознать причины мгновенного перемещения в Едином Пространстве-Времени, в частности причину мгновенности взаимодейсраспространения гравитационых волн (если они существуют).
     Если тело движется с определенной скоростью в одной инерциальной системе, то, используя перекладину Меры и осуществляя "переключение" на иную мировую константу, мы тем самым мгновенно  перемещаем тело в иную инерциальную систему, обладающую иной мировой константой.
      Парадокс  может оказаться  в том, что нам будет казаться, что в новой инерциальной системе мы движемся с той же самой скоростью, что и в прежней системе, не замечая, что сама инерциальная система движется по отношению к старой системе со скоростью, которая на много порядков может быть больше скорости света.
    В результате такого мгновенного перемещения в Едином Пространстве-Времени, даже самое далекое Мироздание может оказаться самым близким.   
      Таким образом, взаимоотношения СТО и ЕТО можно отразить следующим высказыванием:
                    "Каждое СТО содержится в ЕТО, а в каждом СТО содержится ЕТО" 
   
5.3. ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ ФИЗИКИ ОПТИЧЕСКИХ ЯВЛЕНИЙ.
       Волновая теория X. Гюйгенса
 5.3.1. ВОЛНОВАЯ ОПТИКА
         Волны - возмущения,распространяющиеся с конечной скоростью в пространстве и несущие с собой энергию. Наиболее важные и часто встречающиеся волны:
упругие (в частности, звуковые) - распространяющиеся в среде упругие деформации;
волны на поверхности жидкости - возмущения уровня свободной поверхности жидкости;
электромагнитные волны - распространяющиеся в пространстве электромагнитные поля.
     Различным видам возмущений соответствуют и различные механизмы распространения этих возмущений. Так, например, упругая волна в жидкости или газе распространяется в результате того, что движение частиц среды создает чередующиеся сжатия и разряжения, которые вызывают движение частиц в следующем слое среды  (обычно эти разряжения и сжатия малы, т.е. изменения давления и плотности малы по сравнению с постоянными плотностью и давлением среды).
        X. Гюйгенс (1629-1695) вдвинул волновую теорию, рассматривающую свет как упругую волну, распространяющуюся в мировом эфире.
    Электромагнитные волны распространяются в пространстве в результате того, что появляющееся в каком-либо
месте пространства электромагнитное поле возбуждает в соседних полях магнитное поле и, наоборот, возникающее в этом месте магнитное поле возбуждает  в соседних областях электрическое поле;
возбуждая друг друга, эти поля в виде единого электромагнитного поля  распространяются в пространстве.      Оптика - учение о свете и его взаимодействии с веществом. Оптика изучает распространение света в различных средах, законы испускания и поглощения света, а также различные действия света на вещество. Первоначально оптика ограничивалась изучением видимой области спектра электромагнитных волн, т.е. воспринимаемых человеческим глазом.Таким образом, можно считать, что свет - это электромагнитные колебания определенной длины волны.  Современная оптика изучает также широкую область спектра, примыкающую к видимой: ультрафиолетовую область (включая мягкие рентгеновские лучи) и инфракрасную область вплоть до радиоволн миллиметрового
диапазона.      bsp;
       По современным представлениям свет имеет двойственную корпускулярно-волновую природу (в связи с этим
принято говорить о корпускулярно-волновам дуализме): в одних случаях он ведет себя как электромагнитная волна,
в других - как поток особых частиц или корпускул (фотонов).
     Явления, в основе которых лежит волновая природа света  принято относить к  волновой оптике.
Речь идет, прежде всего, о различных электро­магнитных явлениях, которые наиболее характерны для диапазона
волн, со ответствующих видимому свету и наиболее ярко отражающих его волновую природу. К этим явлениям
принято относить интерференцию, дифракцию и поляризацию света.
 
 
5.3.1. Интерференция и дифракция света
        Когерентность.  Когерентностью называется согласованное протекание нескольких колебательных или волновых процессов.
Степень согласования может быть различной. Поэтому вводится понятие степени когерентности двух волн.
Волны называются когерентными, если разность фаз  возбуждаемых волнами колебаний, остается постоянной во времени.
                                               
                                                                                      рис. 8
      Понятие когерентности является относительным: две волны могут проявлять себя как когерентные при наблюдении одним прибором
малой инерционностью) и как некогерентные при наблюдении другими приборами (с большой инерционностью).
        Интерференция световых волн.
      Рассмотрим две волны одинаковой частоты w, которые, накладываясь друг на друга, возбуждают
   в некоторой точке пространства колебания одинакового направления:
    Если световые волны будут когерентными, то  при их наложении когерентных происходит перераспределение
светового потока в пространстве,
 в результате чего в одних местах возникают максимумы, а в других - минимумы интенсивности.
Это явление усиления или ослабления амплитуды результирующей волны при сложении двух (или нескольких)
когерентных волн называется интерференцией световых волн.
     Особенно отчетливо проявляется интерференция в том случае, когда интенсивность обоих интерферирующих
волн одинакова.
      Из сказанного вытекает, что при освещении какой-либо поверхности несколькими источниками света
(например, двумя лампочками) должна, казалось бы, наблюдаться интерференционная картина
 с характерными для нее чередованиями максимумов и минимумов интенсивности. Однако из повседневного
опыта известно, что в указанном случае освещенность поверхности монотонно убывает по мере удаления от
 источников света и никакой интерференционной картины не наблюдается. Это объясняется тем, что
естественные источники света не являются когерентными.
    Некогерентность естественных источников света обусловлена тем, что излучение светящегося тела слагается
из волн, испускаемых многими атомами.
     Дифракция света. Дифракцией называется совокупность явлений, наблюдаемых при распространении света в среде с явно
выраженными неоднородностями (например, вблизи границ непрозрачных или прозрачных тел, сквозь малые
отверстия и т.д.). При этом лучи света «дифрагируют» (отклоняются от своего первоначального направления).
Огибание препятствий звуковыми волнами (дифракция звуковых волн) наблюдается постоянно в обыденной
жизни. Для наблюдения дифракции световых волн необходимо создание специальных условий. Это обусловлено
малостью длин световых волн. В частности, при дифракции на одной щели явление наблюдается, если размеры
той щели сопоставимы с длиной волны падающего на эту щель света.
      Между интерференцией и дифракцией нет существенного физического различия. Оба явления заключаются в перераспределении светового потока в результате суперпозиции (наложения) волн.
 По историческим причинам перераспределение интенсивности, возникающее в результате суперпозиции волн,
возбуждаемых конечным числом дискретных когерентных источников света, принято называть интерференцией волн.
     Перераспределение интенсивности, возникающее вследствие суперпозиции волн, возбуждаемых когерентными источниками, расположенными непрерывно, принято называть дифракцией волн.
 
5.4. Электромагнетизм.
     Теоретическое исследование свойств электромагнитных волн привели Максвелла к созданию электромагнитной
теории света, в соответствии с которой свет представляет собой также электромагнитные волны.
 Электромагнитные волны были впервые обнаружены немецким физиком Г. Герцем (1857-1894), доказавшим,
что законы их возбуждения и распространения полностью описываются уравнениями Максвелла.
 
5.4.1.Понятие электромагнитного поля.
      Для описания электромагнитных явлений выдающийся английский Майкл Фарадей (1791-1867) в 30-е годы XIX в.
 впервые ввел понятие поля.
        Наука о свойствах и закономерностях поведения особого вида материи - электромагнитного поля, посредством
которого осуществляется взаимодействие между электрически заряженными телами, называется электродинамикой.
      Среди четырех видов фундаментальных взаимодействий - гравитационного, электромагнитного, сильного и слабого
- электромагнитное взаимодействие занимает первое место по широте и разнообразию противлений.
В повседневной жизни и в технике мы чаще всего встречаемся с различными     видами электромагнитных
взаимодействии: силы упругости, трения, силы наших мышц и мышц различных животных и т.д.
        Электромагнитное взаимодействие позволяет видеть окружающие нас предметы и тела, так как свет - одна из форм электромагнитного поля. Сама жизнь немыслима без сил электромагнитной природы.
               Но если бы на мгновение прекратитесь действие электромагнитных сил, то сразу исчезла бы и жизнь.
Строение атом­ной оболочки, сцепление атомов в молекулы (химическая связь) и  образование из вещества тел различной формы
 определяются исключительно электромагнитным взаимодействием.
         Лишь после создания Максвеллом электромагнитной теории поля во второй половине XIX в. началось широкое
практическое использование электромагнитных явлений.
      Теория Максвелла и ее экспериментальное подтверждение приводят к мощной теории электрических, магнитных и
оптических явлений, базируются на представлении об электромагнитном поле.
    Все окружающее нас пространство пронизано электромагнитным излучением. Солнце, окружающие нас тела, антенны
радиостанций и телевизион­ных передатчиков испускают электромагнитные волны, которые в зависимости от частоты
 носят разные названия: радиоволны (РВ); инфракрасное излучение (ИК); видимый свет (В); ультрафиолетовое
 излучение (УФ); рентгеновские лучи (РЛ); гамма-излучение (g).
В отличие от механических волн, которые распространяются в веществе - газе, жидкости или твердом теле,
электромагнитные волны могут распространяться и в вакууме.
 
  5.4.2. ЭЛЕКТРОМАГНИТНАЯ КАРТИНА МИРА
   Будучи блестящим теоретиком и виртуозно владея математическим аппаратом, Дж. К. Максвелл создал теорию электромагнитно­го поля, которая была изложена в работе «Динамическая теория электромагнитного поля», опубликованной в 1864 г.
Эта теория существенно изменила представления о картине электрических и магнитных явлений, объединив их в единое целое. Основные положения и выводы этой теории следующие.
•   Электромагнитное поле реально и существует независимо от того, имеются или нет проводники и магнитные полюса, обнаруживающие его. Максвелл определял это поле следующим образом:
«...электромагнитное поле - это та часть пространства, которая содержит в себе и окружает тела, находящиеся в электрическом или магнитном состоянии».
•   Изменение электрического поля ведет к появлению магнитного поля и наоборот.
   Векторы напряженности электрического и магнитного полей перпендикулярны. Это положение объясняло, почему электро­магнитная волна исключительно поперечна.
•   Передача энергии происходит с конечной скоростью. Таким образом обосновывался принцип близкодействия.
 •   Скорость передачи электромагнитных колебаний равна ско­рости света (с). Из этого следовала принципиальная тождест­венность электромагнитных и оптических явлений. Оказа­лось, что различия между ними только в частоте колебаний электромагнитного поля.
      Возникновение электромагнитной картины мира характеризует качественно новый этап эволюции науки.
                                                                            рис. 9
                  Из уравнений Максвелла следует, что источниками электрического поля могут быть либо электрические заряды, либо изменяющиеся во времени магнитные поля, а магнитные поля могут возбуждаться или движущимися электрическими зарядами (электрическими токами), или переменными электрическими полями.
       Уравнения Максвелла не симметричны относительно электрического и магнитного полей. Это связано с тем, что в природе существуют электрические заряды, но нет зарядов магнитных.
Из уравнений Максвелла следует, что переменное магнитное поле всегда связано с порождаемым им  электрическим полем, а переменное электрическое поле - с порождаемым им магнитным,  т.е. электрическое и магнитное поля неразрывно взаимосвязаны и образуют единое электромагнитное поле.
     Однако модель электромагнитного эфира, используемая Максвеллом, была несовершенна и противоречива
 (он и сам ее рассматривал как временную).
            В конце концов, после множества безуспешных попыток построить механическую модель эфира,
стало ясно, что эта задача не выполнима, а электромагнитное поле представляет собой особую форму материи,
распространяющуюся в пространстве, свойства которой не сводимы к свойствам механических процессов.
  
5.5.Квантово-механическая концепция описания микромира
       Теоретическое исследование свойств электромагнитных волн привели Максвелла к созданию электромагнитной теории света, в соответствии с которой свет представляет собой также электромагнитные волны.
 Электромагнитные волны были впервые обнаружены немецким физиком Г. Герцем (1857-1894), доказавшим,
что законы их возбуждения и распространения полностью описываются уравнениями Максвелла.
       Однако теория Максвелла не смогла объяснить процессы испускания и поглощения света, фотоэлектрического эффекта, комптоновского рассеяния и т.д. Теория Лоренца в свою очередь не смогла объяснить многие явления, связанные с взаимодействием света с веществом, в частности вопрос о распределении энергии по длинам волн при тепловом излучении абсолютно черного тела.
    Перечисленные затруднения и противоречия были преодолены благодаря смелой гипотезе, высказанной в 1900 г. немецким физиком М. Планком, согласно которой излучение света происходит не непрерывно, а дискретно, т.е. определенными порциями (квантами), энергия которых определяется частотой v:
                                                                                
      Теория Планка не нуждалась в понятии об эфире,  объяснила тепловое излучение абсолютно черного тела и
положила начало формирования квантово-механической картины мира.
         
                                                                                    рис. 10
      Ниже будут рассмотрены самые существенные аспекты этой концепции.
 
 5.5.1. Фотонная теория А. Эйнштейна.
          Идея Планка получила развитие в работах А.Эйнштейна, создавшегов 1905 году  квантовую теорию света:
не только излучение света, но и его распространение происходят  в виде потока световых квантов - фотонов.
        Он первым понял, что дискретность - свойство света, что электромагнитное поле - это поток квантов (фотонов).
 Эйнштейну удалось объяснить все экспериментальные данные, относящиеся  к явлению фотоэффекта, испусканию веществом электронов под  воздействием электромагнитного  излучения.
        Квантовые представления о свете хорошо согласуются с законами излучения и поглощения света, законами
взаимодействия излучения с веществом.
        Такие хорошо изученные явления, как интерференция, дифракция и поляризация света, хорошо объясняются в рамках волновых представлений. Все многообразие изученных свойств и законов распространения света, его взаимодействия с веществом показывает, что свет имеет сложную природу: он представляет собой единство противоположных свойств - корпускулярного (квантового) и волнового (электромагнитного).
        Длительный путь развития привел к современным представлениям о двойственной корпускулярно-волновой природе света. Приведенные выше выражения связывают корпускуляр­ные характеристики излучения - массу и энергию кванта - с волновыми - частотой колебаний и длиной волны.
Таким образом, свет представляет собой единство дискретности и непрерывности.
 
5.5.2. Гипотеза Луи де Бройля о волновых свойствах материи
       В результате углубления представлений о природе света выяснилось, что в оптических явлениях обнаруживается своеобразный дуализм. Наряду с такими свойствами света, которые самым непосредственным образом свидетельствуют о его волновой природе (интерференция, дифракция),  имеются и другие свойства, столь же непосредственно обнаруживающие его корпускулярную природу (фотоэффект, явление Комптона).
      В 1924 г. выдающийся французский физик Луи де Бройль(1892-1987) выдвинул смелую гипотезу о том, что двойственность не является особенностью одних только оптических явлений, но имеет универсальное значение.
По де Бройлю, движение электрона или какой-либо другой частицы связано с волновым процессом, характеризующимся длиной волны X, которая связана с импульсом частицы р соотношением
                                                                           
 или
                                                       
Здесь h - постоянная Планка.
           k-волновое число.
   Величина h / 2 встречается очень часто, поэтому для нее введено специальное обозначение
                                                                        
 Это соотношение  называется формулой де Бройля, которая лежит в основе квантовой механики.
      Луи де Бройль  определил длину волны микрочастицы по аналогии с длиной волны фотона.
                                                                         
где m - масса частицы;
      V - ее скорость;
      h - постоянная Планка;
     l- длина волны, связанная с данной частицей.
     Эта формула справедлива для любой частицы с импульсом р.
   
 5.5.3. Концепция корпускулярно-волнового дуализма
        Гипотеза о всеобщем дуализме частицы и волны, выдвинутая Луи де Бройлем, позволила построить теорию, охватывающую свойства материи и света в их единстве.
Кванты света становились при этом особым моментом всеобщего строения микромира.
        В конце XVII в. почти одновременно возникли две, казалось бы, взаимоисключающие теории света:
И. Ньютон предложил теорию, согласно которой свет представляет собой поток световых частиц (корпускул), летящих от светящегося тела по прямолинейным траекториям;
X. Гюйгенс (1629-1695) вдвинул волновую теорию, рассматривающую свет как упругую волну, распространяющуюся  в мировом эфире.
         В течение ста с лишним лет корпускулярная теория имела гораздо больше приверженцев, чем волновая.
Однако в начале XIX в. французскому физику О.Ж. Френелю (1788-1827) удалось на основе волновых представлений выявить все известные в то время оптические явления.
        В результате волновая теория света получила всеобщее признание, а корпускулярная теория  была забыта почти на столетие.
     В конце XIX-начале XX вв. ряд новых опытов заставил вновь вернуться представлению об особых световых частицах - фотонах. Было установлено, что свет имеет двойственную природу, сочетая в себе как волновые свойства, так и свойства, присущие частицам.
       В одних явлениях, таких как интереренция, дифракция и поляризация, свет ведет себя, как волна, в других фотоэффект, эффект Комптона) - как поток частиц (фотонов).
      По современным представлениям свет имеет двойственную корпускулярно-волновую природу
 (в связи с этим принято говорить о корпускулярно-волновам дуализме):
в одних случаях он ведет себя как электромагнитная волна, в других - как поток особых частиц или корпускул (фотонов).
 Согласно современным представлениям электромагнитная природа света - это лишь одна разновидность
проявления света. Другая разновидность характеризуется его квантовой природой.
                  
5.5.4. Принцип соотношения неопределенностей В. Гейзенберга и принцип дополнительности Н. Бора
    Принцип неопределенности.
    Познакомимся с важным принципом физики макромира - принципам неопределенностей Гейзенберга.
В классической механике состояние материальной точки (классической частицы) определяется заданием значений координат, импульса, энергии и т.д. Перечисленные величины называются динамическими переменными.
Строго говоря, микрообъекту не могут быть приписаны указанные динамические переменные.
 Однако информация о микрочастицах может быть получена путем наблюдения их взаимодействия с приборами,
представляющими собой макроскопические тела. Поэтому результаты измерений, естественно, выражаются в терминах, разработанных для характеристики макротел, т.е. через значения динамических переменных. В соответствии с этим измеренные значения динамических переменных приписываются микрочастицам. Например, говорят о состоянии электрона, в котором он имеет определенное значение энергии и т.д.
Своеобразие свойств микрочастиц проявляется в том, что не для всех переменных получаются при измерениях
 определенные значения.  Так, например, электрон (и любая другая микрочастица) не может иметь одновременно точные значения  координаты х и импульса р.
Неопределенности координат и импульса удовлетворяют соотношению В. Гейзенберга (1927):
                                                              
где Dх и Dр - неопределенности значений х и р, являющиеся среднеквадратичными отклонениями.
Это выражение  называется соотношением неопределенностей или принципом неопределенности.
Этот принцип утверждает, что если частица локализована в пространстве со среднеквадратичным отклонением Dх, то ее импульс может принимать значения, находящиеся в пределах «ширины» Dр.
Физический смысл принципа неопределенности состоит в том, что невозможно одновременно определить
 значения координаты и импульса частицы.
       Для энергии и времени справедливо  аналогичное соотношение:
                                                            
где Dt и DЕ - неопределенности значений времени и энергии частицы.
Соотношение  означает, что определение энергии с точностью DЕ в данный   момент времени должно занять интервал, не меньший, чем И / DЕ.
     Ограниченность механического детерминизма.
Соотношение неопределенностей указывает, в какой мере можно пользоваться понятиями классической
механики применительно к микрочастицам и,  в частности, с какой степенью точности можно говорить о траекториях микрочастиц.
     Движение по траектории характеризуется вполне определенными значениями координат и скорости в каждый момент времени.  Подставив в соотношение (2.3) вместо р произведение m • v, получим:
                                                               
т.е. чем больше масса частицы, тем меньше неопределенность ее координаты и скорости, и, следовательно,
с тем большей точностью применимо понятие траектории.
        Квантовая механика позволяет выйти из одного философского затруднения, с которым столкнулась классическая физика.
В период господства классической физики считалось, что если в некоторый момент времени to известны
точные значения координат и скоростей всех частиц во Вселенной, то, используя точные физические законы,
в принципе можно полностью описать картину прошлого и будущего.
Основываясь на подобных аргументах, некоторые философы приходили к выводу, что все действия человека
как материального объекта, состоящего из протонов, нейтронов и электронов, полностью предопределены.
         При этом, разумеется, учитывалось, что подобные расчеты будущего и прошлого никогда не удастся осуществить из-за бесконечно большого числа частиц во Вселенной.
       Из принципа неопределенности следует, что существует более серьезное препятствие самой возможности выполнения таких расчетов, и, таким образом, классический детерминизм больше не «довлеет» над физиками.
Есть и другие примеры, в такой же степени опровергающие классический детерминизм.
   Например, не существует способа определить момент времени,  когда произойдет распад данного ядра урана.
 Согласно квантовой теории все, что вообще нам может быть известно  - это вероятность, с которой в данный интервал времени может произойти распад. Предсказываемые вероятности  можно затем сопоставить со средними значениями по многим наблюдениям.
Обобщая, следует отметить, что  когда речь идет о взаимодействиях и  структуре микрочастиц, представления квантовой теории коренным образом отличаются от классических.
Если же квантовая теория верна, то нельзя надеяться на то, что с помощью классической физики можно изучить явления микромира и строение вещества.
        Принцип дополнительности  Н. БОРА.
        Для описания микрообъектов Н. Бор сформулировал в 1927 г. принципиальное положение квантовой  механики - принцип дополнительности, согласно которому получение экспериментальной информации об одних физических  величинах, описывающих микрообъект (элементарную частицу, атом, молекулу), неизбежно связано с потерей информации о некоторых других величинах, дополнительных к первым.
          Такими взаимно дополнительными величинами можно считать, например, координату частицы
и ее скорость (или импульс).
        В общем случае дополнительными друг к другу являются физические величины, которым  соответствуют
операторы, не коммутирующие между собой, например, направление и величина момента импульса,
кинетическая и потенциальная энергия.
 
5.6. Атомистическая концепция строения материи.
         5.6.1. Первые модели атома Дж. Томсона и Э. Резерфорда.
       В 1897 г. английский физик Джозеф Джон Томсон (1856-1940) открыл электрон, входящий в состав атома и свидетельствующий о его сложном строении.
 В 1898 г. Дж. Томсон определил заряд электрона, а в 1903 г. предложил одну из первых моделей атома, которая успеха в физике не имела.
              В 1911 г. Э. Резерфорд сформулировал следующие положения, касающиеся строения атома
 Атом содержит положительно заряженное ядро, в котором заключена практически вся масса атома. Размеры ядра - 3,2 • 10-14 м (по современным данным, 10-15).
 Ядро атома содержит такое число положительных элементарных зарядов, которое соответствует порядковому номеру элемента в таблице Менделеева, т. е.
                                                           
       Вокруг ядра по круговым орбитам вращаются электроны. Их количество также соответствует порядковому номеру элемента в периодической системе. Размеры атома - 10 10 м.
         
      5.6.2. Постулаты Н. Бора при обосновании теории атома
          В 1913 г. Н.Бор предложил свою теорию атома. Суть ее состояла в следующем.
 Существуют стационарные состояния атома, в которых он не излучает и не поглощает энергии.
В таком состоянии атома электрон, осуществляя движение по круговой орбите,
 должен иметь квантовое значение момента импульса, удовлетворяющее условию (правило квантования орбит):
                                                          ,
где m - масса электрона, v - его скорость, г - радиус орбиты, n = 1, 2, 3, ... - целые числа,
                                             /
      В случае перехода электрона с одной стационарной орбиты на другую происходит излучение (или поглощение) кванта энергии, равного разности энергий этих стационарных состояний/
 
      5.6.3. Дальнейшее развитие концепции атомизма.
           Атомный уровень
       Атом представляет собой единую квантово-механическую систему, состоящую из положительно
заряженного ядра и отрицательно заряженной электронной оболочки. Атомы состоят из протонов, нейронов (известных под общим названием барионов) и одного  электрона;
протоны и нейтроны состоят из кварков («предельных кирпичиков» материи).
   Размеры атомов - порядка 10-10 м.
 Размеры ядер атомов всех элементов - порядка 10-14 м, что в десятки тысяч раз меньше размеров атома.
 Ядро атома заряжено положительно, а вращающиеся вокруг ядра электроны несут с собой отрицательный электрический заряд, который никогда не бывает меньше строго определенной величины, называемой элементарным электрическим зарядом.
 Положительный заряд ядра атома равен сумме отрицательных зарядов электронов, находящихся в электронной оболочке атома. Поэтому в нормальном состоянии атом электронейтрален.
 Электроны на своих орбитах удерживаются силами электростатического притяжения между ними и ядром атома. Каждый из электронов обладает определенным запасом энергии: чем дальше электрон находится от ядра, тем большей энергией,он обладает.
 Электрон не может пребывать в одном и том же энергетическом состоянии (на одной и той же орбите), как и другие электроны.  Поэтому в электронной оболочке электроны располагаются слоями. Каждый электронный уровень содержит определенное  количество электронов: на первом, ближайшем от ядра, слое - 2, на втором - 8, на третьем - 18, на четвертом - 32 и т. д.
 Начиная с второго слоя электронные орбиты расчленяются на подуровни.
        Нуклонный уровень
        Атомное ядро представляет центральную часть атома, в которой сосредоточена практически вся масса атома
и весь его положительный заряд.     Ядро атома состоит из элементарных частиц, называемых нуклонами. Это протоны и нейтроны.
       Протоны представляют собой элементарные частицы, которые являются ядрами атомов водорода.
 Число протонов в ядре равно порядковому номеру элемента в периодической системе химических элементов и обозначается Z (число нейтронов - N).
Протон несет элементарный положительный заряд. Он в 1836,1 раз тяжелее электрона; его размеры - 10-13см.               Протон состоит из двух u-кварков с зарядом q = +2/3 и одного d-кварка с зарядом q = -1/3 (p=uud).
     Число протонов в ядре равно порядковому  номеру элемента в таблице Менделеева
 и обозначается Z (число нейтронов - N). Протон имеет положительный электрический заряд,
по абсолютному значению равный элементарному электрическому заряду.
      Нейтрон - частица,  по всем своим свойствам такая же, как ядро атома водорода - протон,
  но только без электрического заряда. Нейтрон был открыт примерно через 20 лет после того, как Резерфорд "разглядел" в недрах атома его ядро -протон.
    Нейтроны состоят из одного u-кварка и двух d-кварков (n=udd). Электрический заряд его равен 0.
 Нейтрон стабилен в атомных ядрах. Свободный нейтрон распадается на электрон, протон и
электронное антинейтрино.   Нейтрон, как и протон, участвует во всех видах взаимодействий.
       В ядре нуклоны связаны  силами особого рода - ядерными. Одна из характерных их особенностей - короткодействие:
на расстояниях порядка 10~15 м и меньше эти силы превышают любые другие силы, вследствие чего одноименно заряженные протоны не разлетаются под воздействием электростатического отталкивания.
    При больших расстояниях ядерные силы очень быстро уменьшаются до нуля.
     Размеры ядер атомов - порядка 10-15 - 10-14 м. Эта величина в десятки тысяч раз меньше размеров атома.
    Электрон - отрицательно заряженная субатомная частица, обнаруживаемая за пределами атомного ядра.
 Входит в состав всех атомов. Масса - 1/1836 части массы протона.
    
5.7. МИР элементарныХ ЧАСТИЦ
5.7.1 Понятие об элементарных частицах
         Элементарные частицы - первичные материальные частицы и специфические формы существования материи, не ассоциированной в ядра и атомы.
 В современной физике термин «элементарные частицы» употребляется не в точном смысле этого слова,
а в менее строгом значении - для наименования большой группы мельчайших частиц, обладающих квантовыми свойствами  и подчиненных условию, что они не являются атомами или атомными ядрами (за исключением протона).
   К такому виду частиц относятся протоны, нейтроны, электроны, фотоны, лептоны, адроны, кварки и т. п.
   В настоящее время насчитывается более 350 элементарных частиц, в основном нестабильных. Микроскопические размеры  и массы таких частиц обусловливают их квантовые свойства и соответствующую специфику поведения.
     Существенное свойство всех элементарных частиц - способность испускаться и поглощаться при взаимодействии с другими частицами.
1. Общие характеристики элементарных частиц.
    Масса. В зависимости от массы элементарные частицы делятся на легкие (лептоны), средние (мезоны), тяжелые (барионы).
Массы большинства элементарных частиц имеют порядок величины массы протона, равной 1,7 • 10~24 г.
 
Время жизни. В зависимости от времени жизни элементарные частицы делятся на:
стабильные: электрон, протон, фотон и нейтрино;
квазистабильные, распадающиеся при слабом и электромагнитном взаимодействиях;
резонансы (неустойчивые короткоживущие (10~22 - 10~24с) частицы, распадающиеся за счет сильного взаимодействия).
  Электрический заряд. Основной единицей электрического заряда в микромире является заряд электрона;
  Спин (англ, spin - вращение)- собственный момент импульса микрочастицы, имеющий квантовую природу;
  квантовая величина, отражающая вращение электрона вокруг своей оси
  (обозначается буквой s и может иметь только два значения: + 1/2 или -1/2).
  Характеристики элементарных частиц, принимающие дискретные значения
квантовые числа (спиновое, орбитальное, магнитное и др.);
внутренние квантовые числа (лептонные и барионные заряды, четность,
кварковые ароматы - характеристики, определяющие тип кварка
  (странность, изотопический спин, «очарование», «красота», цвет).
 
5.7.2. Фундаментальные элементарные частицы.
Общая классификация семейств элементарных частиц приведена на рисунке ниже.
На этом рисунке впервые приводится не только структурный состав семейств микромира,
 но и принципы сопряжения этих семейств, в соответствии с законами сохранения симметрии взаимоотношений.
                  
                                                                                   рис. 11
      Известно, что взаимодополнительность протона и электрона
                                                                                  
порождает Периодическую систему химических элементов. 
          
     5.7.3. Кварковая модель  МИКРОМИРА
Гипотезу кварков предложил в 1967 г. американский физик-теоретик М. Гелл-Ман (р. 1929).
 Кварк - частица со спином 1/2 и дробным электрическим зарядом, составной элемент адронов.
 Это название было заимствовано М. Гелл-Маном в одном из фантастических романов и означает нечто пустяковое и странное.
Помимо спина кварки имеют еще две внутренние степени свободы - "аромат" и "цвет"
(степень свободы - независимое возможное изменение состояния физической системы, обусловленное вариациями  ее параметров). Каждый кварк может находиться в одном из трех цветовых состояний, которые условно называют красным, синим и желтым (только для удобства -  никакого отношения к оптическим свойствам это не имеет).
       В наблюдаемых  адронах кварки скомбинированы таким образом, что возникающие состояния не несут цвета - являются "бесцветными". Ароматов известно пять и предполагается наличие шестого. Свойства кварков разных ароматов различны.
          Обычное вещество состоит из  кварков, входящих в состав нуклонов ядер.
Более тяжелые кварки создаются искусственно или наблюдаются в космических лучах.
       Здесь слова "создаются" и "наблюдаются" нельзя понимать буквально - ни один кварк не был зарегистрирован в свободном виде, их можно наблюдать только внутри адронов.
     Считается, что при попытке выбить кварк из адрона происходит следующее: вылетающий кварк рождает на своем пути из вакуума пары  кварк - антикварк, расположенные в порядке убывания скоростей. Один из медленных кварков занимает место исходного, а тот вместе с остальными рожденными кварками и антикварками образует адроны.
                 
                                                                             рис. 12-1
           Данные рисунки отражают общие принципы формирования семейств элементарных частиц из кварков.
Рисунок слева отражает принципы сопряжения кварков, порождающих мезонное семейство,
в формировании которого участвуют кварки и антикварки.
       Рисунок справа отражает общие принципы и последовательность формирования барионного семейства частиц.
В формировании частиц этого семейства уже не участвуют. Каждая частица этого семейства формируется из трех кварков, характеризуя их триединство.
 
    5.7.3.1. Кварковая модель мезонного семейства
Законы сохранения симметрии микромира позволяют осознать, что последовательность формирования частиц,
 также как и последовательность формирования цветов радуги, нот музыкальных гамм, не могут быть нарушены.
 Здесь нет произвола. Последовательность порождения частиц НИКОГДА не может быть нарушена.
 Это невозможное событие и приводимые ниже рисунки и схемы позволяют осознать эту истину более отчетливо.
Из рисунка 12-1 (слева) можно увидеть строго последовательную цепочку формирования частиц мезонного семейства.
                                       
Здесь каждые смежные частицы объединяются (формируют)  весы. В этих весах одна из "перекладин"  состоит из одноименных кварков  (единичная "перекладина").
                           
                                                             
                                                                                         рис. 12-2
           Из этих схем также наглядно видно, что   закон сохранения симметрии соблюдаются
не только на уровне "частица-античастица", но он соблюдается и между двумя смежными  частицами.
На рисунке не приводится внутренняя кварковая структура  самой первой пары элементарных частиц.
        Мезонную  цепочку можно отобразить и в следующем виде, используя  симметрию их преобразования
                                  
или
                                             ,
          учитывая самонормировку одноименных кварков, стоящих в разных частях тождеств и формирующих "единичные перекладины".
    Из этой цепочки непосредственно можно осознать, что  одноименные кварки, стоящие в разных частях тождеств, самонормируются в единичные диагонали, формируют весы.
                                                        
                                                                                         рис. 12-3
              Посмотрите и увидьте, что в формировании мезонного семейства частиц участвуют три триады кварков
      и три триады антикварков. Этот рисунок, и приведенные  выше алгебраические тождества,  дает дополнительную  информацию о свойствах элементарных частиц.   Так, на этом рисунке такдже наглядно виден феномен взаимодополнительности мезонов, расположенных напротив друг друга, по  одной и той же диагонали.
       Эта взаимодополнительность проявляется не только по отношению кварковых дуад, стоящих на концах диагонали, не только по отношению к кварковым дуадам, стоящих в центре, но и по отношению к кварковым дуадам стоящих в центре и на концах диагонали.
        На рис. 12-2 каждой  элементарной  частице сопоставлена триграмма (Книга перемен).
      Если теперь частицы мезонного семейства расположить в соответствующих вершинах куба, то мы получим куб, который можно называть бинарным кубом.
      
  5.7.3.2. Кварковая модель барионного семейства
   Аналогично формируется и барионное семейство, но только уже из кварковых триад.
И по аналогии с предыдущим, для этого семейства можно построить следующие  схемы.
        
                                                             
                                                                                      рис. 13-1
По образу и подобию  с принципами формирования мезонного семейства можно
представить следующую эволюционную цепочку.
 
                   
 
                                                            
                                                                                      рис. 13-2
             Видите, как строго последовательно, парами, вложенными друг в  друга, рождается все семейство элементарных частиц барионного семейства.
        Рисунок 13-2 снова поражает симметрией нас многоуровневой симметрией формирования каждой частицы,
по образу и подобию,  взаимодополнительностью симметрии и асимметрии.
                                                                 
  Из тождества
                                                                     
можно непосредственно осознать взаимодополнительность не только между протоном и нейтроном,
но и всеми членами барионного семейства элементарных частиц, к которому относится протон и нейтрон.
    
 
    © Беляев М.И., "МИЛОГИЯ", 2015г.
 Опубликован: 26/10/2013г., обновлен: 28 .02.2015.
           Сайт ЯВЛЯЕТСЯ ТВОРЧЕСКОЙ МАСТЕРСКОЙ АВТОРА, открытой для всех посетителей. Убедительная просьба сообщать  о всех замеченных ошибках, некорректных формулировках.
         Книги "Основы милогии", "Милогия" могут  быть высланы в Ваш адрес наложенным платежом,
URL1: milogy.net 
e-mail: [email protected]  

Карта сайта

 
Карта