ФИЗИКА
04.06.2020
Тема. Единая физическая картина мира.
Новые физические теории.
«С давних времен, с тех пор, как существует
изучение природы, оно имело перед собой в
качестве идеала конечную, высшую задачу:
объединить пёстрое многообразие физических
явлений в единую систему, а если возможно,
то в одну-единственную формулу»
Макс Планк
Данная тема посвящена обобщению главных физических основ, которые изучались в школьном курсе физики.
Прежде чем приступить к изучению единой физической картины мира, повторим главное, что изучалось в прошлых темах. В двадцатом веке, в физике назрела проблема, связанная с элементарными частицами. Встал вопрос об элементарности этих самых частиц. Кроме того, выяснилось, что каждая частица должна иметь античастицу – то есть частицу, полностью противоположную ей. При столкновении пар частица-античастица происходит явление аннигиляции, то есть превращение частицы и античастицы в какие-либо иные частицы, отличные от исходных. Это превращение сопровождается выбросом энергии. На сегодняшний день истинно элементарными частицами считаются лептоны и кварки – они отвечают за обменное взаимодействие. К ним добавляются фотоны и глюоны, которые являются переносчиками взаимодействий. Итого, насчитывается 57 элементарных частиц, что наталкивает на мысли о том, что, может и эти частицы не элементарны.
А теперь, попытаемся составить единую физическую картину мира, начав, как говорится, с самого начала.
Начнем с того, что в девятнадцатом веке, Майкл Фарадей с успехом исследовал природу взаимодействий тел и доказал, что в основе этих взаимодействий лежат электрические и магнитные явления. Позднее он предположил, что существует единое электромагнитное поле. Джеймс Максвелл сумел описать теорию Фарадея математически, создав свои знаменитые четыре уравнения в интегральной и дифференциальной форме, которые описывают практически всю электродинамику. Кроме этого, Максвелл доказал, что свет – это частный случай электромагнитной волны и что его скорость конечна, тем самым приведя главный аргумент в пользу теории близкодействия.
Надо сказать, что после этих открытий, начался научно-технический прогресс. Именно в девятнадцатом веке Борис Якоби изобрел первый электродвигатель, Эдисон изобрел электрическую лампочку. Появились тепловые двигатели, аккумуляторы и генераторы. В 1881 году создана международная система единиц измерения СИ – это «система интернациональная». В 1887 году Генрихом Герцем было открыто явление фотоэффекта, которое впоследствии было исследовано Александром Столетовым. Столетов утверждал, что некоторые законы фотоэффекта невозможно объяснить. Также нельзя было объяснить явление теплового излучения и линейчатость спектра излучений. С этими основными проблемами физики человечество перешло в двадцатый век.
В начале двадцатого века, физики приложили все усилия, чтобы объяснить и понять строение атома, а потом и строение атомного ядра. Это было успешно сделано с помощью работ Эрнеста Резерфорда, Фредерика Содди, Марии и Пьера Кюри, Джеймса Чедвика, Антуана Беккереля, а также многих других физиков.
После того, как было полностью изучено строение атомного ядра, выяснилось, что в атомном ядре заключена существенная энергия – энергия связи. Именно это открытие положило начало развитию ядерной энергетики (сегодня, как известно, существуют сотни АЭС, в которых энергия, выделяющаяся в результате деления ядер, преобразуется в электроэнергию). Процессы, происходящие внутри атомов, нельзя было объяснить с точки зрения классической физики, поэтому, возникли такие науки, как квантовая механика и квантовая электродинамика. Именно на основах этих наук был изобретен лазер. Сегодня лазеры используются во многих областях деятельности человека (например, в медицине, для хранения информации или для экспериментальных целей).
В двадцатом веке зародилась такая наука, как физика элементарных частиц. Эта наука помогла объяснить рождение Вселенной и понять фундаментальные типы взаимодействий. Как известно, на сегодняшний день различают 4 типа фундаментальных взаимодействий: электромагнитное, слабое, сильное и гравитационное.
Было выяснено, что если повысить энергию взаимодействующих частиц до определенного уровня, то электромагнитное и слабое взаимодействие можно описать одной теорией. Считается, что если еще больше повышать энергию, то можно добиться объединения всех видов взаимодействий в некое общее взаимодействие. Видимо это общее взаимодействие и было при рождении Вселенной. Исходя из расчетов, при рождении Вселенной температура достигала порядка 1032 К. Можно себе представить, насколько громадная эта температура. При такой температуре энергия частиц превышает 1019 ГэВ. При энергиях порядка 1018 ГэВ начинается выделяться гравитационное взаимодействие, а при энергиях порядка 1014 ГэВ сильное взаимодействие. Только при энергиях порядка 1000 ГэВ различаются все четыре типа взаимодействия. Однако, в физике еще остаются проблемы, с которыми физика перешла в 21й век.
Это классификация элементарных частиц. Необходимо уменьшить количество фундаментальных частиц и понять законы их взаимодействия. Тогда, возможно получится более стройно описать известные виды взаимодействий. Также перед физикой стоит задача – создать лазеры с большей мощностью и более широким диапазоном. Наконец, перед человечеством остро стоит проблема энергетического голода. Поэтому, в 21 веке, одной из главных задач является нахождение способа удержания высокотемпературной плазмы и освоение с её помощью термоядерного синтеза.
На сегодняшний день единая физическая картина мира имеет следующий вид: существует 4 фундаментальных вида взаимодействий и соответствующие им теории.
Существуют элементарные частицы и переносчики взаимодействий. Существуют составные частицы, из которых строится вся материя. Связующим звеном между материей и переносчиками взаимодействий является бозон Хиггса. Истинно элементарными частицами считаются лептоны и кварки. Из кварков строятся адроны, которые в свою очередь делятся на мезоны и барионы. Барионы и электроны составляют атомы, ну а из атомов, образуются молекулы. Так, по современным представлениям строится материя. Как и было сказано ранее, существует 4 фундаментальных типа взаимодействий: электромагнитное (переносчиками которого являются фотоны), слабое (переносчиками которого являются некоторые виды бозонов), сильное (переносчиками которого являются глюоны) и гравитационное (переносчиками которого являются гипотетические частицы – гравитоны). Электромагнитное взаимодействие изучает квантовая электродинамика. При определенных энергиях, электромагнитное и слабое взаимодействие сливаются в одно взаимодействие, которое описывается электрослабой теорией. Сильное взаимодействие описывается квантовой хромодинамикой, а гравитационное взаимодействие – квантовой гравитацией (которая на данный момент еще не разработана). На сегодняшний день существуют более или менее успешные попытки слияния электрослабой теории и квантовой хромодинамики – то есть, описание всех видов взаимодействий (кроме гравитационного) единой теорией – теорией великого объединения. Однако эта теория только-только зарождается. Впоследствии предсказывается слияние теории великого объединения и квантовой гравитации в единую теорию, которой можно будет описать любое взаимодействие. Эта теория так и называется: теория всего. Ситуация осложняется тем, что ученые меньше всего знают о гравитационном взаимодействии, несмотря на то, что открыто оно было намного раньше, чем остальные виды взаимодействий. Неоткрытые частицы – гравитоны – это белое пятно в единой физической картине. Однако, следует заметить, что относительно недавно ученые получили возможность компьютерной обработки экспериментальных данных, что, несомненно ускоряет работу и открывает больше возможностей. Поэтому, возможно, теория всего появится уже в начале следующего столетия, а может быть и раньше.