Единая физическая картина мира - основные понятия и определение с примерами

Содержание:

Наиболее непознаваемым явлением природы является тот факт, что она познаваема. А. Эйнштейн

В курсе физики Вы познакомились с различными видами взаимодействий тел и объектов в природе, определяющими не только разнообразие физических явлений окружающего мира, но и направление эволюции. Физика — наука о природе, однако каждый ее раздел подробно рассматривает физические явления только с одной стороны, выделяя те или иные свойства материи по определенному признаку. Познание законов природы исторически складывалось на базе того или иного физического подхода.

По мере накопления знаний человечество стремилось соединить все разрозненные факты и законы в рамках обобщенной научной картины мира. Под картиной мира понимают совокупность теорий, законов и принципов, описывающих эволюцию окружающего мира.

Первая, механическая картина мира была основана на классической механике И. Ньютона. В основе построения этой картины мира лежало объяснение причин и расчет закономерностей механического движения таких тел и макросистем, как Земля, Луна, Солнце, Солнечная система, Галактика и т. д. В качестве первопричины механического движения рассматривалось гравитационное взаимодействие между телами, бесконечно быстро передаваемое на любые расстояния во Вселенной.

Напомним, что с помощью силовых или энергетических представлений можно получить законы движения различных объектов: от планет и звезд до молекул и атомов. Важнейшую роль играют принципы инерции и относительности, введенные в механику Г. Галилеем.

На основе механической картины мира в XVIII—XIX вв. была разработана земная, небесная и молекулярная механика. Однако в то же время в физике накапливалось значительное количество экспериментальных данных, противоречащих идеям атомизма (дискретности строения вещества), которые лежали в ее фундаменте.

Изучение электрических и магнитных взаимодействий существенно изменило представления о материи и привело к появлению электромагнитной картины мира. В ее основе лежали представления о мире, в котором все явления описываются с помощью сил (гравитационных и электромагнитных). Основной вклад в создание электродинамики внесли Ш. Кулон (электростатические взаимодействия), А. Вольта (источник постоянного тока), А. Ампер (магнитные поля и токи), М. Фа радей (электромагнитная индукция), Дж. Максвелл (теория электромагнетизма), Г. Герц (электромагнитные волны) и Г. Лоренц (классическая электронная теория строения вещества).

М. Фарадей пришел к мысли о необходимости замены дискретных (корпускулярных) представлений о материи непрерывными (континуальными). Материя по Фарадею представлялась как непрерывное бесконечное поле с силовыми точечными центрами. Новая картина мира сменила и принципы передачи взаимодействий: они передаются посредством поля непрерывно от точки к точке и с конечной скоростью. Как следует из электромагнитной картины мира, внутреннее строение вещества определяется действием электромагнитных сил.

Фактическим завершением формирования электромагнитной картины мира стала специальная теория относительности А. Эйнштейна. Он дополнил законы электродинамики идеей относительности как пространства, так и времени.

Однако на рубеже XIX и XX вв. обнаружился ряд теоретических проблем и экспериментальных фактов, которые не находили объяснения в рамках электромагнитной картины мира: радиоактивность, тепловое излучение, атомные спектры, устойчивость атомов.

Первые радикальные шаги в создании квантово-полевой картины мира были сделаны в начале XX в. Излучение света порциями — квантами (М. Планк); квантование света в процессах распространения и поглощения (А. Эйнштейн); стационарные орбиты электронов в атоме (Н. Бор); совершенно фантастическая для своего времени идея полной аналогии между частицами и волнами — корпускулярно-волновой дуализм (Л. де Бройль) и, наконец, создание квантовой механики (Э. Шредингер, В. Гейзенберг, П. Дирак, В. Паули).

Изучение явления радиоактивности (П. Кюри и М. Склодовская-Кюри, Э. Резерфорд, Дж. Чедвик) привело к становлению физики атомного ядра и элементарных частиц. Были открыты принципиально новые типы взаимодействий, свойственные только микромиру субатомных частиц — сильное и слабое. Энергия ядерных реакций была поставлена на службу людям (Э. Ферми, И. В. Курчатов).

Особенность современной физической картины мира заключается в ее вероятностном характере, выраженном в виде статистических законов. Здесь, в oтличие от механической картины мира, нет «жесткой определенности будущего». (П. Лаплас в XVIII в. говорил: «...если бы нашелся гигантский ум, способный объять мир, то он однозначно мог бы предсказать будущее этого мира».) Случайность событий выступает как объективное свойство материи. В современной физике основным материальным объектом является квантовое поле, переход которого из одного состояния в другое и приводит к появлению частиц.

Отметим две закономерности, присущие развитию физики как таковой. Первая выражена принципом соответствия: частные теории, справедливость которых экспериментально подтверждена, с появлением более общих теорий сохраняют свое значение как частный или предельный случай. Примером может служить специальная теория относительности, выводы которой при малых скоростях соответствуют выводам механики Ньютона.

Вторая закономерность — интеграция, или взаимопроникновение, разделов физики. Например, развитие физики элементарных частиц и ее слияние с астрономией способствовало становлению астрофизики, занимающейся закономерностями эволюции звезд и Вселенной.

Поскольку процесс познания бесконечен, то квантово-полевая картина мира по мере накопления новых научных фактов и появления новых научных гипотез продолжает развиваться.

Современная естественнонаучная картина мира

Под естественнонаучной картиной мира понимают совокупное современное знание об окружающем мире, накопленное естественными науками: физикой, математикой, химией, биологией. Таким образом, физическая картина мира является составной частью естественнонаучной картины мира.

Физическая картина мира не исчерпывается представлениями о структурном строении материи. Она проявляется также и в законах движения частиц, и в законах их взаимодействия.

Несмотря на удивительное разнообразие взаимодействий объектов в окружающем нас мире (частиц, тел, галактик), в природе, по современным данным, присутствуют лишь четыре типа фундаментальных взаимодействий. Именно эти фундаментальные взаимодействия и являются главными «действующими лицами» в построении современной физической картины мира.

Гравитационное взаимодействие описывается законом всемирного тяготения, который был открыт И. Ньютоном в 1687 г. Гравитационные силы действуют между любыми телами, в том числе и между элементарными частицами, однако решающую роль они играют лишь у астрономических объектов, имеющих колоссальные массы. Согласно современным представлениям гравитационное взаимодействие обеспечивается за счет обмена специальными частицами — гравитонами, которые являются квантами гравитационного поля. В настоящее время гравитон не открыт, однако работы в этом направлении активно ведутся.

В электромагнитном взаимодействии участвуют любые электрически заряженные частицы и тела, а его «переносчиками» (квантами электромагнитного поля) являются фотоны. Электромагнитные силы обеспечивают возможность стабильного существования атомов, молекул, определяют механические свойства твердых тел, жидкостей и газов.

Сильное взаимодействие проявляется при взаимодействиях адронов. В отличие от гравитационного и электромагнитного взаимодействий, которые можно отнести к дальнодействующим, т. е. действующим на расстояниях, характерных для макромира, сильное взаимодействие является короткодействующим, так как оно проявляется на расстояниях не больше размеров ядра (

В слабом взаимодействии участвуют любые элементарные частицы, кроме фотонов. Радиус действия слабых сил определяется характерным размером элементарных частиц. Слабые взаимодействия проявляются при распадах одних элементарных частиц, в результате чего появляются другие элементарные частицы. Таким образом, слабое взаимодействие определяет стабильность элементарных частиц и играет решающую роль при их взаимопревращениях. Оно осуществляется посредством обмена достаточно массивными частицами — векторными бозонами (

Все многообразие окружающих нас взаимодействий согласно современной квантово-полевой картине мира сводится к взаимодействию двух групп квантовых объектов, первую из которых составляют участники фундаментальных взаимодействий, а вторую — их переносчики.

К участникам взаимодействий относятся лептоны и кварки, которые и являются первичным «строительным материалом» для создания всего материального многообразия в природе. Обмен частицами-переносчиками (гравитоны, фотоны, глюоны и векторные бозоны) позволяет частицам-участникам осуществлять четыре типа фундаментальных взаимодействий, к которым сводятся все наблюдаемые взаимодействия в природе. Образно можно представить себе окружающий мир как царство «кишащих и взаимодействующих друг с другом» фундаментальных частиц.

На следующем уровне организации материи располагаются элементарные частицы, составленные из фундаментальных, общее число которых, согласно современным данным, превышает 350. Далее следуют ядра, состоящие из нуклонов, общее число которых соответствует числу химических элементов и их изотопов — 2000. На следующем уровне организации материи появляются атомы, составленные из ядер и лептонов, количество которых соответствует количеству ядер.

Атомы, взаимодействуя между собой, образуют молекулы, общее число которых оценивается примерно в 10 000 000 и постоянно возрастает за счет синтеза новых соединений. Молекулы образуют различные вещества, вещества — тела, тела — астрономические объекты, астрономические объекты — Вселенную.

В настоящее время актуальной является проблема объединения различных типов фундаментальных взаимодействий в рамках одной теории. Успехом на этом пути стало объединение электромагнитного и слабого взаимодействий в единое электрослабое взаимодействие. На повестке дня — построение теории большого объединения, включающей в себя электромагнитное, слабое и сильное взаимодействия.

Еще более грандиозна идея объединения всех четырех фундаментальных взаимодействий, включая гравитацию, в рамках теории суперобъединения. Эта теория может быть создана на основе новейшей физической теории «суперструн», разработанной американскими физиками М. Грином и Дж. Шварцем, объединяющей все фундаментальные взаимодействия при сверхвысоких энергиях.

Помимо построения современной физической картины мира, которая является составной частью современной естественнонаучной картины мира, физика «сформулировала» ряд принципов, которые являются общими для любого научного исследования, т. е. могут считаться философскими принципами. Сюда следует отнести принцип причинности, принцип относительности, принцип сохранения, принцип инвариантности, принцип дополнительности, принцип соответствия и некоторые другие.

Современная естественнонаучная картина мира в соответствии с принципом дополнительности базируется на новейших достижениях естественных наук: физики, астрономии, математики, химии, биологии. Соответственно, можно сказать, что современная физическая картина мира является фрагментом естественнонаучной картины мира.

Человек немыслимо раздвинул границы знания за какие-то пару десятков столетий: готовится космическая экспедиция на Марс, близка разгадка тайн генетики, создаются новые вещества и материалы с «фантастическими» свойствами. Однако по мере расширения границ познания растет и число вопросов и загадок, возникающих перед человеком. Таким образом, процесс познания природы представляется бесконечным.

Развитие физики и других естественных наук в III тысячелетии идет динамично и эффективно. Мы надеемся, что результаты новых научных открытий найдут свое применение в решении глобальных проблем цивилизации на нашей замечательной планете.

Итоги:

Различают четыре типа фундаментальных взаимодействий:

• гравитационное;
• электромагнитное;
• сильное;
• слабое.

В микромире выполняются фундаментальные законы сохранения энергии, импульса и электрического, барионного и лептонного зарядов.

Электромагнитное и слабое взаимодействия можно рассматривать как проявление единого электрослабого взаимодействия.

Актуальна проблема построения теории большого объединения.

Естественнонаучная картина мира

Физика, являясь центральной наукой о природе, дает человеку знания об окружающем его мире, позволяя тем самым, с одной стороны, решать проблемы цивилизации, а с другой стороны, беречь нашу планету для будущих поколений. Как объединить накопленные знания? Что сегодня должен знать каждый образованный человек о физических явлениях?

В курсе физики вы познакомились с различными водами взаимодействий тел и объектов в природе, определяющих не только разнообразие физических явлений окружающего нас мира, но и направление эволюции Вселенной. Физика — наука о природе, однако каждый ее раздел подробно рассматривает физические явления только с одной стороны, выделяя те или иные свойства материи по определенному признаку. Познание законов природы исторически также шло в основном на базе того или иного физического подхода.

По мере накопления знаний человечество стремилось соединить все разрозненные факты и законы в рамках обобщенной научной картины мира. Под картиной мира понимают совокупность теорий, законов и принципов, описывающих окружающий нас мир.

Первая, механическая картина мира была основана на классической механике И. Ньютона. В основе построения этой картины мира лежало объяснение причин и установление закономерностей механического движения небесных тел, а также макро- и метасистем (Земля, Луна, Солнце, Солнечная система, Галактика). В качестве первопричины механического движения рассматривалось гравитационное взаимодействие между телами, бесконечно быстро передаваемое на любые расстояния во Вселенной.

Напомним, что на основании силовых или энергетических представлений можно установить законы движения различных объектов: от атомов и молекул до планет и звезд. Важнейшую роль играют принципы инерции и относительности, введенные в механику Г. Галилеем.

На основе механической картины мира в XVIII — XIX вв. были разработаны земная, небесная и молекулярная механики. Однако в то же время в физике накапливалось значительное количество экспериментальных данных, противоречащих идеям атомизма (дискретности строения вещества), которые лежали в ее фундаменте.

Изучение электрических и магнитных взаимодействий существенно изменило представления о материи и привело к появлению электромагнитной картины мира. В ее основе лежали представления о мире, в котором все явления описываются с помощью сил (гравитационных и электромагнитных). Основной вклад в создание электродинамики внесли III. Кулон (электростатические взаимодействия), А. Вольта (источник постоянного тока), А. Ампер (магнитные поля и токи), М. Фарадей (электромагнитная индукция), Дж. Максвелл (теория электромагнетизма), Г. Герц (открытие электромагнитных волн) и Г. Лоренц (классическая электронная теория строения вещества).

М. Фарадей пришел к мысли о необходимости замены дискретных (корпускулярных) представлений о материи непрерывными (континуальными). Материя по Фарадею представлялась как непрерывное бесконечное поле с силовыми точечными центрами. Дж. Максвелл создал математическую теорию электромагнитного поля. На основании этой теории он сделал вывод, что распространение электромагнитного возмущения происходит с конечной скоростью в виде электромагнитных волн. Новая картина мира сменила и принципы передачи взаимодействия: они передаются посредством поля непрерывно от точки к точке и с конечной скоростью. Как следует из электромагнитной картины мира, внутреннее строение вещества определяется действием электромагнитных сил.

Фактическим завершением формирования электромагнитной картины мира стала специальная теория относительности А. Эйнштейна. Он дополнил законы электродинамики идеей относительности как пространства, так и времени.

Однако на рубеже XIX — XX в. обнаружился ряд теоретических проблем и экспериментальных фактов, которые не находили объяснения в рамках электромагнитной картины мира: радиоактивность, тепловое излучение, атомные спектры, устойчивость атомов.

Первые радикальные шаги в создании квантово-полевой картины мира были сделаны в начале XX в.: квантование излучения в процессах испускания, поглощения и распространения (М. Планк, А. Эйнштейн); стационарные состояния электронов в атоме (Н. Бор); совершенно фантастическая для своего времени идея корпускулярио-волнового дуализма (Л. де Бройль) и, наконец, создание квантовой механики (Э. Шредингер, В. Гейзенберг, П. Дирак, В. Паули).

Изучение строения атомного ядра (Э. Резерфорд, П. Кюри и М. Склодовская-Кюри, Дж. Чедвик) привело к становлению физики атомного ядра и элементарных частиц. Были открыты принципиально новые типы взаимодействий, свойственные только микромиру субатомных частиц, — сильное и слабое. Энергия ядерных реакций была поставлена на службу людям (Э. Ферми, И. Курчатов).

Особенностью современной физической картины мира является ее вероятностный характер, который выражается в виде статистических законов. Здесь, в отличие от механической картины мира, нет «жесткой определенности будущего». Случайность событий выступает как объективное свойство материи. В современной физике основным материальным объектом является квантовое поле, переход которого из одного состояния в другое и приводит к появлению частиц.

Отметим две закономерности, присущие развитию физики как таковой. Первая выражена принципом соответствия: частные теории, справедливость которых экспериментально подтверждена, с появлением более общих теорий сохраняют свое значение как частный или предельный случай. Примером может служить специальная теория относительности, выводы которой при малых скоростях соответствуют выводам механики Ньютона.

Вторая закономерность — интеграция, или взаимопроникновение разделов физики. Например, развитие физики элементарных частиц и ее слияние с астрономией привели к становлению астрофизики, занимающейся закономерностями эволюции звезд и Вселенной.

Квантово-полевая картина мира по мере накопления новых научных фактов и появления новых научных гипотез продолжает развиваться.

Таким образом, под естественнонаучной картиной мира понимают совокупное современное знание об окружающем нас мире, накопленное естественными науками: физикой, математикой, химией, биологией. Физическая картина мира является составной частью естественнонаучной картины мира.

Физическая картина мира не исчерпывается представлениями о структурном строении материи. Она проявляется также и в законах движения частиц, и в законах их взаимодействия.

Несмотря на удивительное разнообразие взаимодействий объектов в окружающем нас мире (частиц, тел, галактик), в природе, по современным данным, присутствуют лишь четыре типа фундаментальных взаимодействий. Они различаются по интенсивности и радиусу действия. Именно эти фундаментальные взаимодействия и являются главными «действующими лицами и исполнителями» в построении современной физической картины мира.

Самое слабое из взаимодействий — гравитационное взаимодействие. Оно примерно в  раз слабее ядерного. Это взаимодействие описывается законом всемирного тяготения, который был открыт И. Ньютоном в 1687 г. Гравитационные силы действуют между любыми телами, в том числе и между элементарными частицами, однако решающую роль они играют лишь у астрономических объектов, имеющих огромные массы.

В электромагнитном взаимодействии участвуют любые электрически заряженные частицы и тела, а его «переносчиком» (квантом электромагнитного поля) являются фотоны. Электромагнитные силы обеспечивают возможность стабильного существования атомов, молекул, определяют механические свойства твердых тел, жидкостей и газов.

Сильное взаимодействие проявляется при взаимодействиях адронов. В отличие от гравитационного и электромагнитного взаимодействий, которые можно отнести к дальнодействующим, т. е. действующим на расстояниях, характерных для макромира, сильное взаимодействие является короткодействующим, так как оно проявляется на расстояниях не более размеров ядра  Однако на этих расстояниях сильное взаимодействие значительно интенсивнее электромагнитного и тем более гравитационного, за что и получило свое название. Образно сильное взаимодействие можно назвать «богатырем с короткими руками». Сильные взаимодействия между нуклонами в ядрах атомов обеспечивают устойчивость ядер различных атомов. Согласно современным представлениям сильное взаимодействие переносится квантами нового типа — глюонами, которые подобно фотонам являются безмассовыми частицами.

В слабом взаимодействии участвуют любые элементарные частицы, кроме фотонов. Радиус действия слабых сил определяется характерным размером элементарных частиц  Это взаимодействие сильнее гравитационного, но значительно слабее электромагнитного и сильного взаимодействий. Слабые взаимодействия проявляются при распадах одних элементарных частиц, в результате чего появляются другие элементарные частицы. Таким образом, слабое взаимодействие определяет стабильность элементарных частиц и играет решающую роль при их взаимопревращениях. Оно осуществляется посредством обмена достаточно массивными частицами — векторными бозонами  массы которых составляют около 80 масс протона. Бозоны были экспериментально открыты в 1983 г.

Все многообразие окружающих нас взаимодействий, согласно современной квантово-полевой картине мира, сводится к взаимодействию двух групп квантовых объектов, первую из которых составляют участники фундаментальных взаимодействий, а вторую — их переносчики.

К участникам взаимодействий относятся лептоны и кварки, которые и являются первичным «строительным материалом» для создания всего материального многообразия в природе. Обмен частицами-переносчиками (гравитон, фотон, глюоны и векторные бозоны) позволяет частицам-участникам осуществлять четыре типа фундаментальных взаимодействий, к которым сводятся все наблюдаемые взаимодействия в природе. Образно можно представить себе окружающий мир как царство «кишащих и взаимодействующих друг с другом» фундаментальных частиц.

На следующем уровне более сложной организации материи располагаются элементарные частицы, составленные из фундаментальных, общее число которых, согласно современным данным, более 500. Далее следуют ядра, состоящие из нуклонов, общее число которых соответс твует числу химических элементов и их изотопов — 2000. На следующем этаже организации материи появляются атомы, составленные из ядер и лептонов, количество которых соответствует количеству ядер.

Атомы, взаимодействуя между собой, образуют молекулы, общее число которых оценивается примерно в 10 млн и постоянно возрастает за счет синтеза новых соединений. Молекулы образуют различные вещества, вещества — тела, тела — астрономические объекты, астрономические объекты — Вселенную.

В настоящее время актуальной является проблема объединения различных типов фундаментальных взаимодействий в рамках одной теории. Обнадеживающим успехом на этом пути стало объединение электромагнитного и слабого взаимодействий в единое электрослабое взаимодействие (рис. 174). На повестке дня — построение теории большого объединения, включающей в себя электромагнитное, слабое и сильное взаимодействия.

Еще более грандиозна идея объединения всех четырех фундаментальных взаимодействий, включая гравитацию, в рамках теории суперобъединения. Эта теория может быть создана на основе новейшей физической теории «суперструн», разработанной американскими физиками М. Грином и Дж. Шварцем, объединяющей все фундаментальные взаимодействия при сверхвысоких энергиях.

Помимо построения современной физической картины мира, которая является составной частью современной естественнонаучной картины мира, физика сформулировала ряд принципов, которые являются общими для любого научного исследования, т. е. они могут считаться философскими принципами. Сюда следует отнести принцип причинности, принцип относительности, принцип сохранения, принцип инвариантности, принцип дополнительности, принцип соответствия и некоторые другие.

Современная естественнонаучная картина мира в соответствии с принципом дополнительности базируется на новейших достижениях естественных наук. Соответственно, можно сказать, что современная физическая картина мира является фрагментом естественнонаучной картины мира.

• Заказать решение задач по физике

Выводы:

Различают четыре типа фундаментальных взаимодействий: гравитационное, электромагнитное, сильное, слабое.

В микромире выполняются фундаментальные законы сохранения энергии, импульса, электрического, барионного и лептонного зарядов.

Электромагнитное и слабое взаимодействия являются проявлением единого электрослабого взаимодействия.

В настоящее время актуальна проблема построения теории большого (великого) объединения, которая могла бы описать все типы существующих взаимодействий.