Микромир, элементарные частицы, вакуум: различия между версиями

Нет описания правки
(→‎Лептоны и кварки: Смотрите, для картинок можно делать рамки с подписями.)
 
==Введение==
Учение о совершенной пустоте — вакууме — заняло одно из центральных мест в современной физике. Здесь мы описываем зарождение нынешних представлений о микромире, физическом вакууме, элементарных частицах и законах, управляющих их поведением. Мы пытаемся рассказать о, пожалуй, самой романтичной поре развития физической науки, наступившей в начале двадцатого столетия после завершения фундаментальной части физической науки — классической физики.
 
В одной восточной книге есть такие слова:
Свет спросил у Небытия:
– Вы, Учитель, существуете или не существуете? – Но не получил ответа. Вгляделся пристально в его облик: темное, пустое. Целый день смотри на него – не увидишь, слушай его – не услышишь, трогай его – не дотронешься.
– Совершенство! – воскликнул Свет. – Кто бы еще мог достичь такого совершенства! Я способен быть или не быть, но не способен абсолютно не быть. А Небытие, как оно этого достигло?
Разумеется, в наше время в физике мало что осталось от таких наивных представлений о пустоте, «небытии». Учение же о вакууме заняло одно из центральных мест в современной физике. В этом обзоре рассказывается, как формировались современные представления о микромире, физическом вакууме, элементарных частицах и законах, которые управляют их поведением. Сделана попытка более или менее полно рассказать об одном из самых романтичных этапов становления физической науки, представить драму идей физики XX в., сама постановка которой стала возможной лишь после завершения в XIX в. построения фундамента классической физики. И хотя объем трудностей по мере более и более глубокого проникновения в суть явлений быстро растет, осознание красоты законов Природы, умение их применять искупают все затраты.
 
 
==Физика к началу XX века==
 
К началу двадцатого века физика представляла собою стройное здание науки, в котором чётко различались три части: механика, учение об электромагнитных явлениях и природе света, учение о тепловых явлениях и свойствах систем большого числа частиц.
Что же представляла собой физика к началу ХХ в.? Это было стройное здание, состоявшее из трех основных частей:
# механика;
# учение об электромагнитных явлениях и природе света;
# учение о тепловых явлениях и свойствах систем большого числа частиц.
Охарактеризуем кратко эти части.
 
===Механика===
 
Основные положения механики — законы Исаака Ньютона — были представлены в его книге ''Philosophiæ Naturalis Principia Mathematica'' («Философии естественной принципы математические»), выпущенной в 1687 году. Она обобщала и связывала много наблюдательных данных многих исследователей: Аристотеля, Йоханнеса Кеплера, Галилео Галилея, Христиана Гюйгенса и других. Вот изначальные формулировки законов Ньютона.
Основные положения механики, известные сейчас как законы Ньютона, были сформулированы в книге «Математические начала натуральной философии», опубликованной И. Ньютоном в 1687 г. Это был результат обобщения огромного числа экспериментальных данных, полученных многими исследователями: Аристотелем, И.Кеплером, Г.Галилеем, Х.Гюйгенсом и др. Приведем формулировки законов механики в том виде, в каком они были даны самим Ньютоном:
# всякоеВсякое тело продолжает удерживаться в своем состоянии покоя или равномерного и прямолинейного движения, пока и поскольку оно не понуждается приложенными силами изменить это состояние;.
# изменениеИзменение количества движения пропорционально приложенной движущей силе и происходит по направлению той прямой, по которой эта сила действует;.
# действиюДействию всегда есть равное и противоположное противодействие, иначе воздействия двух тел друг на друга между собою равны и направлены в противоположные стороны.
 
Книга Ньютона содержала также изложение ньютоновской теории всемирного тяготения. Все положения механики Ньютона и их следствия подвергались бесчисленным проверкам, и вплоть до конца XIX в.века никаких сколько-нибудь существенных отклонений от этих законов не было обнаружено.
# всякое тело продолжает удерживаться в своем состоянии покоя или равномерного и прямолинейного движения, пока и поскольку оно не понуждается приложенными силами изменить это состояние;
# изменение количества движения пропорционально приложенной движущей силе и происходит по направлению той прямой, по которой эта сила действует;
# действию всегда есть равное и противоположное противодействие, иначе воздействия двух тел друг на друга между собою равны и направлены в противоположные стороны.
 
И сейчас эта наука имеет широчайшую область применений: на её основе рассчитываются орбиты планет и космических аппаратов, разрабатываются механические устройства, анализируется движение жидкости и воздушных масс и т. д. Разумеется, в той или иной степени используются определенные данные о законах, которым следуют силы взаимодействия тел, поскольку свойства этих сил не предопределяются законами Ньютона.
Книга Ньютона содержала также изложение ньютоновской теории всемирного тяготения. Все положения механики Ньютона и их следствия подвергались бесчисленным проверкам, и вплоть до конца XIX в. никаких сколько-нибудь существенных отклонений от этих законов не было обнаружено.
 
В этой связи обратим внимание на то, что ньютоновскаяНьютоновская теория тяготения – это по сутиесть одна из первых серьёзных теорий, описывающаяописывающих взаимодействие тел на расстоянии, без их контактасоприкосновения. Иными словамиПолучается, что это первая теория поля. И эта теорияона стоит особняком от основных законов механики.
И сейчас эта наука имеет широчайшую область применений: на её основе рассчитываются орбиты планет и космических аппаратов, разрабатываются механические устройства, анализируется движение жидкости и воздушных масс и т. д. Разумеется, в той или иной степени используются определенные данные о законах, которым следуют силы взаимодействия тел, поскольку свойства этих сил не предопределяются законами Ньютона.
 
В этой связи обратим внимание на то, что ньютоновская теория тяготения – это по сути одна из первых серьёзных теорий, описывающая взаимодействие тел на расстоянии, без их контакта. Иными словами, это первая теория поля. И эта теория стоит особняком от основных законов механики.
 
===Электромагнетизм и оптика===
 
Второй раздел классической физики – учение об электромагнитных явлениях и природе света – был создан в XIX в. благодарявеке усилиямусилиями многих ученыхучёных: М.Майкла Фарадея, Г.Гейнриха Герца, Дж.Джеймса Максвелла и дрдругих. Этот раздел описывает свойства определённого класса сил, которые могутмогущих действовать на тела – сил, обусловленныеобусловленных электрическими и магнитными полями. И это была уже вторая теория поля, описывающая происхождение и свойства еще одного класса сил (в дополнение к силам тяготения).
 
Обобщая результаты многочисленных экспериментов, Максвелл в 1865 г. предложил систему уравнений, описывающих законы возникновения и распространения электромагнитного поля. На основе этой теории было предсказано и получило исчерпывающее объяснение множество разнообразных явлений. Важное следствие теории – это то, что свет является электромагнитной волной. Последний факт оказался исключительно важным для развития радиосвязи.
 
Обобщая результаты многочисленных экспериментов, Максвелл в 1865 г.году предложил систему уравнений, описывающих законы возникновения и распространения электромагнитного поля. На основе этой теории было предсказано и получило исчерпывающее объяснение множество разнообразных явлений. Важное следствие теории – это то, что свет является электромагнитной волной. Последний факт оказался исключительно важным для развития радиосвязи.
До создания теории Максвелла считалось, что электрическое и магнитное поля – это два существенно различных поля {{Ref|pole}}. В частности, электрическое поле действует как на покоящиеся, так и на движущиеся заряды; магнитное же поле действует только на движущиеся заряды (токи). Однако Эрстед обнаружил, что токи, т. е. движущиеся заряды, создают магнитное поле. С другой стороны, из опытов Фарадея следовало, что переменное магнитное поле создает электродвижущую силу. Последнее означает, что возникает электрическое поле. Таким образом, электрическое и магнитное поля оказались тесно связанными друг с другом. Теория Максвелла показала, что в действительности эти поля являются различными проявлениями одного и того же поля – электромагнитного. Тем самым Максвелл построил первую единую теорию поля, которая объединила два качественно различных поля в одно.
 
До создания теории Максвелла считалось, что электрическое и магнитное поля – этосуть два существенно различных поля {{Ref|pole}}. В частности, электрическое поле действует как на покоящиеся, так и на движущиеся заряды; магнитное же поле действует только на движущиеся заряды (токи). Однако Ханс Эрстед обнаружил, что токи, т. е. движущиеся заряды, создают магнитное поле. С другой стороны, из опытов Фарадея следовало, что переменное магнитное поле создает электродвижущую силу. Последнее означает, чтовозникновение возникаетэлектрического электрическое полеполя. Таким образом,Так электрическое и магнитное поля оказались тесно связанными друг с другом. Теория Максвелла показала, что в действительности оба эти поля являютсясуть различнымипроявления проявлениями одного и того жеэлектромагнитного поля – электромагнитного. Тем самымТак Максвелл построил первую единую теорию поля, которая объединила два качественно различных поля в одно. Это была гениальная догадка, ибо основные уравнения той теории никак не вытекают из уравнений Ньютона и не зависят от них.
Следует подчеркнуть, что теория Максвелла – это гениальная догадка, т. к. основные уравнения этой теории никак не вытекают из уравнений Ньютона и независимы от них.
 
===Термодинамика и статистическая физика===
 
Третий раздел классической физики состоит из двух тесно связанных между собой частей: учения о тепловых явлениях (термодинамики) и физики систем большого числа частиц (статистической физики). Законы (или, как говорят, начала) термодинамики установлены напосле основе анализа большого числамножества наблюдений. В замкнутой форме они были сформулированы в XIX в.веке благодаря трудам Ю. Майера, Дж. Джоуля, Н. Карно, Р. Клаузиуса, В. Нернста и др. Термодинамика позволила количественно описать нагрев тел, законы переноса тепла между разными телами, законы фазовых переходов – плавления, испарения и других. Вообще, почти все наблюдаемые тепловые процессы удавалось успешно описать на основе законов термодинамики.
 
Обоснование законов термодинамики и общие законы поведения систем большого числа частиц (например, газов) даются в статистической физике, созданной Л. Больцманом, Дж. Максвеллом, Дж. Гиббсом и др. Использование законов статистической физики позволило существенно дополнить термодинамическое описание и объяснить (или предсказать) ряд явлений, которые не вытекали непосредственно из законов термодинамики.
3210

правок