Фундаментальные взаимодействия и универсальные физические постоянные

16

Содержание

Введение

1. Основные этапы развития физики

2. Концепция атомизма и универсальность физических законов

3. Виды фундаментальных взаимодействий

4. Некоторые фундаментальные закономерности развития процессов

Заключение

Список использованной литературы

Введение

Всю историю физики можно условно разделить на три основных этапа:

- древний и средневековый,

- классической физики,

- современной физики.

Первый этап развития физики иногда называют донаучным. Однако такое название нельзя считать пол­ностью оправданным: фундаментальные зерна физи­ки и естествознания в целом были посеяны еще в глу­бокой древности. Это самый длительный этап. Он охватывает период от времен Аристотеля до начала XVII в., поэтому и называется древним и средневеко­вым этапом.

Начало второго этапа – этапа классической физи­ки – связывают с одним из основателей точного есте­ствознания – итальянским ученым Галилео Галилеем и основоположником классической физики, англий­ским математиком, механиком, астрономом и физиком Исааком Ньютоном. Второй этап продолжался до кон­ца XIX в.

К началу XX столетия появились эксперименталь­ные результаты, которые трудно было объяснить в рам­ках классических представлений. В этой связи был предложен совершенно новый подход – квантовый, основанный на дискретной концепции. Квантовый под­ход впервые ввел в 1900 г. немецкий физик Макс Планк (1858–1947), вошедший в историю развития физики как один из основоположников квантовой теории. Его трудами открывается третий этап развития физики – этап современной физики, включающий не только квантовые, но и классические представления.

В истории физики наиболее плодотворный и важ­ный для понимания явлений природы была концепция атомизма, согласно которой материя имеет прерыви­стое, дискретное строение, т. е. состоит из мельчай­ших частиц – атомов. До конца XIX в. в соответствии с концепцией атомизма считалось, что материя состо­ит из отдельных неделимых частиц – атомов. С точки зрения современного атомизма, электроны – «атомы» электричества, фотоны – «атомы» света и т. д.

Концепция атомизма, впервые предложенная древ­негреческим философом Левкиппом в V в. до н. э., развитая его учеником Демокритом и затем древнегре­ческим философом-материалистом Эпикуром (341– 270 до н. э.) и запечатленная в замечательной поэме «О природе вещей» римского поэта и философа Лук­реция Кара (I в. до н. э.), вплоть до нашего столетия оставалось умозрительной гипотезой, хотя и подтвер­ждаемой косвенно некоторыми экспериментальными доказательствами (например, броуновским движени­ем, законом Авогадро и др.).

Концепция атомизма – концепция дискретного, квантованного строения материи – пронизывает есте­ствознание на протяжении всей его истории – от антич­ной натурфилософии Левкиппа и Демокрита до совре­менных учений физики, химии, биологии и других наук:

Многие ведущие физики и химики даже в конце XIX в. не верили в реальность существования атомов. К тому же многие экспериментальные результаты химии и рассчитанные в соответствии с кинетической теорией газов данные утверждали другое понятие для мельчайших частиц – молекулы.

В каком соотношении находятся между собой ато­мы и молекулы? Насколько те и другие малы? Дейст­вительно ли они существуют? Только вначале XXв. были получены ответы на поставленные вопросы.

Реальное существование молекул было окончатель­но подтверждено в 1906 г. опытами французского фи­зика Жана Перрена (1870– 1942) по изучению законо­мерностей броуновского движения. В современном представлении молекула – наименьшая частица веще­ства, обладающая его основными химическими свойст­вами и состоящая из атомов, соединенных между со­бой химическими связями. Число атомов в молекуле составляет от двух (Н , О , HF, KC1) до сотен и тысяч (некоторые витамины, гормоны и белки). Атомы инерт­ных газов часто называют одноатомными молекулами. Если молекула состоит из тысяч и более повторяющих­ся единиц (одинаковых или близких по строению групп атомов), ее называют макромолекулой.

Атом – составная часть молекулы, в переводе с греческого означает «неделимый». Действительно, вплоть до конца XIX в. неделимость атома не вызывала серьезных возражений. Однако физические опыты конца XIX и начала XX столетий не только подвергли сомнению неделимость атома, но и доказали сущест­вование его структуры. В своих опытах в 1897 г. англий­ский физик Джозеф Джон Томсон (1856–1940) открыл электрон, названный позднее атомом электричества. Электрон, как хорошо известно, входит в состав элек­тронной оболочки атомов. В 1898 г. Томсон определил заряд электрона, а в 1903 г. предложил одну из первых моделей атома.

Так постепенно, шаг за шагом, современная фи­зика открывала совершенно новый мир физических объектов – микромир или мир микроскопических час­тиц, для которых характерны преимущественно кван­товые свойства. Поведение и свойства физических тел, состоящих из микрочастиц и составляющих мак­ромир, описываются классической физикой.

1. Основные этапы развития физики

Дадим краткую характеристику каждого из этапов. Принято считать, что первый этап открывает геоцен­трическая система мировых сфер, разработанная Ари­стотелем. Учение о геоцентрической системе мира начиналось с геоцентрической системы кольцевых мироустроений еще гораздо раньше–в VI в. до н. э. Ее предложил Анаксимандр (ок. 610 – после 547 до н. э.), древнегреческий философ, представитель Милет­ской школы. Данное учение было развито Евдоксом Книдским (ок. 406 – ок. 355 до н. э.), древнегреческим математиком и астрономом. Геоцентрическая система Аристотеля родилась, таким образом, на подготов­ленной его предшественниками идейной почве.

Переход от эгоцентризма – отношения к миру, ко­торое характеризуется сосредоточенностью на своем индивидуальном «я», к геоцентризму – первый и, пожалуй, самый трудный шаг на пути зарождения ро­стков естествознания. Непосредственно видимая полу­сфера неба, ограниченная местным горизонтом, была дополнена аналогичной невидимой полусферой до пол­ной небесной сферы. Мир стал как бы более завершен­ным – специфическим, но оставаясь ограниченным небесной сферой. Соответственно и сама Земля, про­тивопоставленная остальной (небесной) сферической Вселенной как постоянно занимающая в ней особое, центральное положение и абсолютно неподвижная, стала считаться сферической. Пришлось признать не только возможность существования антиподов – оби­тателей диаметрально противоположных частей земно­го шара, но и принципиальную равноправность всех земных обитателей мира. Такие представления, носив­шие в основном умозрительный характер, подтвержда­лись гораздо позднее – в эпоху первых кругосветных путешествий и великих географических открытий, т. е. на рубеже XV и XVI вв., когда само геоцентрическое учение Аристотеля с канонической системой идеаль­ных равномерно вращающихся небесных сфер, сочле­ненных друг с другом своими осями вращения, с прин­ципиально различной физикой или механикой для земных и небесных тел уже доживало свои последние годы.

Почти полторы тысячи лет отделяет завершен­ную геоцентрическую систему греческого астронома Клавдия Птоломея (ок. 90 – ок. 160) от достаточно со­вершенной гелио­центрической си­стемы польского матема­тика и астронома Николая Копер­ника (1473–1543). Вершиной гелио­центрической сис­темы можно счи­тать законы дви­жения планет, от­крытые немецким астрономом Иоганном Кеплером (1571 – 1630), одним из творцов астроно­мии нового времени.

Астрономические открытия Галилео Галилея и его физические эксперименты, а также общие динамиче­ские законы механики вместе с универсальным зако­ном всемирного тяготения, сформулированные Исаа­ком Ньютоном, положили начало классическому этапу развития физики.

Между названными этапами нет четких гра­ниц. Для физики и естествознания в целом характерно в большей степени поступательное развитие: законы Кеплера – венец гелиоцентрической системы с весь­ма длительной историей, начавшейся еще в древние времена; законам Ньютона предшествовали законы Ке­плера и труды Галилея; Кеплер открыл законы движе­ния планет в итоге логически и исторически естествен­ного перехода от геоцентризма к гелиоцентризму, но не без эвристических идей аристотелевской механики.

Механика Аристотеля разделялась на земную и небесную, т. е. не обладала надлежащим принци­пиальным единством: аристотелевское взаимное про­тивопоставление Земли и Неба сопровождалось прин­ципиальной противоположностью относящихся к ним законов его механики, которая тем самым оказалась в целом внутренне противоречивой, несовершенной.

Галилей опроверг аристотелевское противопоставле­ние Земли и Неба. Он предложил применять закон инер­ции Аристотеля, характеризующий равномерное движе­ние небесных тел вокруг Земли, для земных тел при их свободном движении в горизонтальном направлении. Мысленно расчленяя всевозможные земные тела на от­дельные части, он установил для них закон одинаково быстрого (или одинаково равномерно ускоренного) сво­бодного падения независимо от их массы, когда свобод­ное падение в вертикальном направлении к центру Зем­ли происходит в идеальных условиях, без какого бы то ни было сопротивления, т. е. в пустоте. Этот закон находит­ся в противоречии с канонизированным аристотелев­ским учением, в соответствии с которым «природа не терпит пустоты», и весомые тела падают в реальных ус­ловиях под действием присущей им силы тяжести на самом деле тем быстрее, чем больше их массы.

Кеплер и Галилей, отталкиваясь таким образом от первоначальных представлений, радикально пере­смотрели всю механику. В результате перехода от гео­центризма к гелиоцентризму они пришли к своим кинематическим законам, которые предопределили принципиально единую для земных и небесных тел ме­ханику Ньютона со всеми сформулированными им классическими динамическими законами, включая универсальный закон всемирного тяготения. При этом из «Математических начал натуральной филосо­фии» – фундаментального труда Исаака Ньютона – можно заключить, что его динамические законы не только следуют из соответствующих кинетических законов Кеплера и Галилея, но и сами могут быть по­ложены в основу всех трех кинематических законов Кеплера и обоих кинематических законов Галилея, а также всевозможных теоретически ожидаемых от­клонений от них из-за сложного строения и взаимных гравитационных возмущений взаимодействующих тел.

Законы Кеплера послужили основой для открытия новых планет. Так, по результатам наблюдений откло­нений в движении планеты Уран, сделанных в 1781 г. английским астрономом и оптиком Уильямом Гершелем (1738–1822), английский астроном и математик Джон Кауч Адаме (1819–1892) и французский астро­ном Урбен Жан Жозеф Леверье (1811–1877) незави­симо друг от друга и почти одновременно теоретически предсказали существование еще одной – заурановой планеты, которую обнаружил на небе в 1846 г. немец­кий астроном Иоганн Галле (1812–-1910). Эта планета носит название Нептун. Затем американский астроном Персиваль Ловелл (1855–1916) аналогично предсказал в 1905 г. существование еще одной заурановой плане­ты и организовал в созданной им обсерватории ее систематические поиски, в результате которых мо­лодой американский любитель астрономии открыл в 1930 г. искомую новую планету – Плутон.

Стремительными темпами развивалась не только классическая механика Ньютона. Этап классической физики характеризуется также крупными достиже­ниями и в других отраслях физики: термодинамике, молекулярной физике, оптике, электричестве, магне­тизме и т. п. Ограничимся перечислением некоторых наиболее важных достижений. Были установлены опытные газовые законы. Предложено уравнение кинетической теории газов. Сформулирован принцип равномерного распределения энергии по степеням свободы, первое и второе начала термодинамики. От­крыты законы Кулона, Ома и электромагнитной ин­дукции. Явления интерференции, дифракции и по­ляризации света получили волновое истолкование. Установлены законы поглощения и рассеивания света. Конечно, можно было бы назвать и другие не менее важные достижения, среди которых особое место занимает электромагнитная теория, разработанная выдающимся английским физиком Джеймсом Клер­ком Максвеллом. Максвелл является не только созда­телем классической электродинамики, но и одним из основоположников статистической физики. Он уста­новил статистическое распределение молекул по ско­ростям, названное его именем. Развивая идеи Майкла Фарадея (1791–1867), он создал теорию электромаг­нитного поля (уравнения Максвелла), которая не толь­ко объясняла многие известные к тому времени электромагнитные явления, но и предсказала элект­ромагнитную природу света. С электромагнитной теорией Максвелла вряд ли можно поставить рядом другую более значительную в классической физике. Однако и теория Максвелла оказалась не всемогущей.

В конце прошлого столетия при изучении спектра излучения абсолютно черного тела была эксперимен­тально установлена закономерность распределения энергии в спектре излучения. Экспериментальные кривые распределения имели характерный максимум, который по мере повышения температуры смещался в сторону более коротких волн. В рамках классической электродинамики Максвелла не удалось объяснить закономерность распределения энергии в спектре излучения абсолютно черного тела. Правильное, согла­сующееся с опытными данными выражение для спек­тральной плотности энергетической светимости абсо­лютно черного тела было найдено в 1900 г. Максом Планком. Для этого ему пришлось отказатьсяот уста­новившегося положения классической физики, соглас­но которому энергия любой системы может изменять­ся непрерывно, т. е. может принимать любые сколь угодно близкие значения. Согласно выдвинутой План-ком квантовой гипотезе, атомные осцилляторы из­лучают энергию не непрерывно, а определенными порциями - квантами, причем энергия кванта пропор­циональна частоте колебания.

Характерная особенность третьего этапа развития физики – современного этапа – заключается в том, что наряду с классическими широко внедряются кван­товые представления, на основании которых объясня­ются многие микропроцессы, происходящие в пределах атома, ядра и элементарных частиц, и в связи с которые ми возникли новые отрасли современной физики: кван­товая электродинамика, квантовая теория твердого тела, квантовая оптика и многие другие.

2. Концепция атомизма и универсальность физических законов

К двум совершенно разным объектам – микроми­ру и макромиру можно добавить и мегамир – мир звезд, галактик и Вселенной, расположенный за пре­делами Земли.

При оценке грандиозности масштабов Вселенной всегда возникает классический философский вопрос: конечна или бесконечна Вселенная? Понятием бес­конечности оперируют в основном математики и фи­лософы. Физики-экспериментаторы, владеющие экс­периментальными методами и техникой измерений, получают всегда конечные значения измеренных ве­личин. Огромное значение науки и в особенности современной физики заключается в том, что к настоя­щему времени уже получены многие количественные характеристики объектов не только макро- и микроми­ра, но и мегамира.

Пространственные масштабы нашей Вселенной и размеры основных материальных образований, в том числе и микрообъектов, можно представить из следую­щей таблицы, где размеры даны в метрах (для просто­ты приведены лишь порядки чисел, т. е. приближенные числа в пределах одного порядка):

Радиус космологического горизонта