Лекция №4 квантово полевая и современная научные картины мира квантово-полевая нкм

Лекция № 4 

КВАНТОВО

-ПОЛЕВАЯ И СОВРЕМЕННАЯ  

НАУЧНЫЕ

 КАРТИНЫ МИРА 

 

Квантово-полевая  НКМ  (начало  XX  в.)  сформировалась  на  основе 

квантовой  гипотезы  М.  Планка,  волновой  механики  Э.  Шредингера, 

квантовой  механики  В.  Гейзенберга,  квантовой  теории  атома  Н.  Бора  и  др. 

Модели  строения  атома  Дж.  Томсона,  Э.  Резерфорда,  Н.  Бора.  Недостатки 

моделей.  Современная  квантово-механическая  модель  строения  атома 

Э.Шредингера,  Л.  де  Бройля,  В.Гейзенберга,  Н.Бора.  Четыре  уровня 

микромира: 

молекулярный, 

атомный, 

нуклонный 

и 

кварковый. 

Предполагаемое  наличие  пятого  уровня.  Атом  –  мельчайшая  частица 

химического  элемента,  носитель  его  свойств.  Ядро  атома  образовано 

нуклонами  –  протонами  и  нейтронами.  Заряд  атома  определяется 

количеством 

протонов, 

число 

которых 

равно 

числу 

электронов. 

Пространство  вокруг  ядра,  в  котором  вероятность  нахождения  электронов 

достаточно  велика,  называется  орбиталью.  Положение  электрона  в  атоме 

описывается четырьмя квантовыми числами. 

Корпускулярно-волновой  дуализм  (двойственность)  частиц  микромира. 

Открытие  М.Планком  дискретности  волнового  процесса.  Неотделимость 

частиц от создаваемых ими полей. Открытие Луи де Бройлем корпускулярно-

волнового  дуализма  для  любого  вида  материи.  Явление  фотоэффекта  как 

доказательство 

корпускулярной 

природы 

микрочастиц, 

дифракция 

электронов как доказательство волновой природы частиц. Неразрывная связь 

частиц  и  полей  –  единство  прерывности  и  непрерывности  в  структуре 

материи. 

Соотношения  неопределенностией

 

(В.Гейзенберга),  отражающие 

двойственность  корпускулярно-волновой  природы  частиц:  координата-

импульс (скорость) и энергия-время.  

Принцип  дополнительности  Н.Бора:  невозможны  невозмущающие 

измерения,  т.е.  измерение  одной  величины  делает  невозможным  или 

неточным  измерение  другой,  дополнительной  к  ней  величины.  Полное 

понимание  природы  микрообъекта  требует  учета  как  его  корпускулярных, 

так  и  волновых  свойств,  хотя  они  не  могут  проявляться  в  одном  и  том  же 

эксперименте.  Принцип  дополнительности  как  результат  философского 

осмысления  квантовой  теории.  На  макроуровне  –  это  один  из  основных 

законов  диалектики  –  закон  единства  противоположностей.  Для  полного 

понимания  любого  предмета  или  процесса  необходимы  несовместимые,  но 

взаимодополняющие точки зрения на него. 

Соответствие  квантовой  и  классической  механики:  их  предсказания 

совпадают  для  макроскопических  объектов,  для  которых  несущественны 

соотношения  неопределенностей  и  корпускулярно-волновой  дуализм. 

Классическая  физика,  физика  макромира  –  частный,  предельный  случай 

физики микромира (принцип соответствия). 

Элементарные  частицы.  Общее  число  открытых  частиц  и  античастиц 

–  около  400.  По  современным  данным  физики  у  каждой  частицы  есть 

античастица.  Частицы  пары  обладают  одинаковой  массой,  размером, 

временем  жизни,  спином,  но  различаются  знаками  всех  зарядов  и 

некоторыми  динамическими  характеристиками  типа  магнитного  момента.

 

Существуют частицы, которые тождественны со своими античастицами, т.е. 

не имеют античастиц. К ним относят фотон. 

Классификация  элементарных  частиц  производится  по  типам 

фундаментальных воздействий, в которых они участвуют. В зависимости от 

участия  во  взаимодействиях  элементарные  частицы  делят  на  две  большие 

группы: лептоны и адроны. Адроны участвуют во всех взаимодействиях и, в 

том  числе,  только  они  участвуют  в  сильном.  Лептоны  не  участвуют  в 

сильном взаимодействии.  

Деление  частиц  по  массе  на  4  группы.  Адроны  делятся  на  два  класса: 

барионы  –  тяжелые  (протоны,  нейтроны,  гипероны)  и  мезоны  –  средние  по 

массе. Лептоны являются легкими частицами (электрон, нейтрино), а фотоны 

и гравитоны – с нулевой массой покоя.  

Деление  частиц  по  времени  существования  на  3  группы.  Стабильные 

частицы:  фотон,  электрон,  протон,  нейтрино;  нестабильные  –  свободный 

нейтрон.  Остальные  частицы  являются  нестабильными  короткоживущими, 

т.к.  самопроизвольно  распадаются  за  счёт  сильного  взаимодействия 

(резонансы). 

Деление частиц по спину (собственный момент импульса) на 2 группы: 

бозоны  –  с  целочисленным  спином  0,  1,  2  (фотоны,  гравитоны,  мезоны)  и 

фермионы – с полуцелым спином ½ (лептоны, барионы и кварки). 

Структурные субъединицы адронов – барионов и мезонов – это кварки. 

Принципиальное  свойство  вещества  на  этом  уровне  микромира  – 

невозможность существования кварков вне адронов. Дробный заряд кварков. 

Антикварки. Барионы состоят из трех кварков, мезоны – из двух. 

Согласно  современной  НКМ,  фундаментальные  частицы  –  это 

частицы, не имеющие внутренней структуры и конечных размеров (лептоны 

и  кварки).  Бозонная  природа  частиц-переносчиков  фундаментальных 

взаимодействий.  Вещество  как  совокупность  устойчивых  фермионных 

структур  (кварки  –  нуклоны  –  атомные  ядра  –  атомы  с  их  электронными 

оболочками). 

В  современной  НКМ  рассматривают  3  формы  материи:  вещество, 

физическое  поле  и  физический  вакуум.  Понятие  физического  вакуума. 

Вакуум  как  особое  состояние  материи,  низшее  энергетическое  состояние 

поля,  в  котором  среднее  число  частиц  равно  нулю.  Вакуум  –  сложная 

система,  может  находиться  в  разных  состояниях,  способен  изменяться  при 

изменении  условий.  Рождение  в  вакууме  виртуальных  частиц.  Вакуум 

содержит  в  себе  возможность  существования  всех  форм  частиц.  Рождение 

элементарных  частиц  при  взаимодействии  вакуума  с  веществом.  Фазовые 

переходы вакуума и образование частиц и энергии. Вакуум – живая пустота, 

в  пульсации  которой  берут  начало  бесконечные  ритмы  рождений  и 

разрушений. Применение в промышленности технического вакуума. 

Процессы в микромире. Характерная особенность элементарных частиц 

–  универсальная  взаимопревращаемость  частиц,  либо  самопроизвольно,  или 

в процессе столкновения; аннигиляция частицы и античастицы. Возможность 

любых  реакций  элементарных  частиц,  не  нарушающих  законов  сохранения 

(энергии, заряда и т.д.).  

Радиоактивность 

– 

способность 

некоторых 

атомных 

ядер 

самопроизвольно  превращаться  в  другие  ядра  с  испусканием  различных 

видов  радиоактивных  излучений  и  элементарных  частиц.  Различают 

радиоактивность естественную для существующих в природе неустойчивых 

изотопов,  и  искусственную  –  для  изотопов,  полученных  посредством 

ядерных  реакций.  Известны  три  основных  вида  радиоактивного  излучения: 

альфа- (поток ядер гелия), бета- (поток электронов или позитронов), гамма-

излучение (самое коротковолновое электромагнитное излучение). Спонтанное 

деление тяжёлых ядер. 

Цепная  реакция  деления  ядер  –  реакция  деления  тяжелого  атомного 

ядра под действием нейтронов на более легкие атомные ядра с испусканием 

вторичных  нейтронов.  Управляемые  реакции  деления  осуществляются  в 

ядерных реакторах АЭС, неуправляемые – при взрыве атомной бомбы. 

Термоядерный  синтез  –  реакция  образования  из  легких  атомных  ядер 

более  тяжелых,  происходящая  при  сверхвысоких  температуре  и  давлении  с 

выделением  колоссального  количества  энергии.  Неуправляемая  реакция 

синтеза происходит при взрыве водородной бомбы; трудность практической 

реализации  управляемой  реакции.  Естественные  термоядерные  реакторы  – 

звёзды. 

По 

современным 

представлениям 

существуют 

следующие 

фундаментальные  взаимодействия  в  материальном  мире:  гравитационное 

(мега- и макромиры), электромагнитное (микро- и макромиры), сильное или 

ядерное  и  слабое  (микромир).  Частицы-переносчики  взаимодействий  – 

гравитоны, фотоны, глюоны, векторные бозоны. 

Современная,  эволюционная  НКМ  (вторая  половина  XX  в.  –  XXI  в.) 

отражает 

появление 

междисциплинарных 

подходов 

и 

технические 

возможности описания состояний и движений сложных систем, позволившие 

рассматривать  единообразно  явления  живой  и  неживой  природы.  В 

современной 

НКМ 

наблюдается 

теснейшая 

связь 

между 

всеми 

естественными  науками,  здесь  время  и  пространство  выступают  как  единый 

пространственно-временной  континуум,  масса  и  энергия  взаимосвязаны, 

волновое  и  корпускулярное  движения  объединяются,  характеризуя  один  и 

тот же объект, вещество и поле взаимопревращаются. Наиболее характерной 

чертой  современной  НКМ  является  ее  эволюционность.  Принцип 

самоорганизации позволил изучать процессы возникновения и формирования 

новых,  более  сложно  организованных  систем.  В  современной  НКМ 

естественно-научное 

знание 

неразрывно 

связано 

с 

гуманитарным. 

Представления  о  пространстве  и  времени,  строении  Вселенной,  эволюции  и 

самоорганизации  материи,  лежащие  в  основе  современной  НКМ  будут 

рассмотрены в следующих темах.