Содержание
Введение
1. Виртуальные процессы
2. Материя. Частицы и поля. Корпускулярно-воловой дуализм материи
3. Вакуум – третья форма материи
Заключение
Список использованной литературы
Введение
Существуют два вида материи – вещество и поле. Вообще говоря, существует не два, а три вида материи – вещество, поле и вакуум. Но если брать только наш материальный мир, то в нём существует лишь два вида – вещество и поле. В вакууме же сосредоточен “не наш” мир или даже множество миров, которых мы не видим и не ощущаем.
Поле – это, наоборот, разреженная, лёгкая форма материи, она характеризуется малой концентрацией массы и отсутствием чётких границ. Поля могут накладываться друг на друга, занимать одно и то же место в пространстве. Этот вид материи является непрерывным, и этим он существенно отличается от вещества. Функцией полей в материальном мире обычно сводятся к передаче взаимодействий между частицами или телами. В нашем мире существует всего четыре вида фундаментальных взаимодействий – сильное, слабое, электромагнитное и гравитационное. Соответственно имеются и четыре фундаментальных поля. Физические поля распространяются в виде волн. Поэтому можно считать, что структура поля – волновая. В этом смысле понятия “поле” и “волна” идентичны друг другу.
В силу бесконечных свойств и связанных с этим бесконечных возможностей природы в ней происходит всё, что не запрещено её законами или принципами. Значит, и непрерывное рождение и аннигиляция виртуальных частиц обязательно будут происходить в плотном соответствии с принципом неопределённости. И вместо альтернативы “да – нет” остаётся твёрдое “да”. Известный астрофизик И.Д. Новиков назвал это состояние “кипением” вакуума, которое остаётся в пустоте при удалении всех реальных частиц и квантов, физических полей. Удалить или каким – либо способом прекратить это кипение невозможно. Эти виртуальные процессы, или квантовые флуктуации вакуума, просто обязаны происходить вследствие того, что принцип неопределённости открывает возможности для их осуществления. Конечно, возможности открывает не сам принцип – они коренятся в особенностях структуры материи на микроуровне – принцип лишь описывает, выявляет эти особенности и возможности. “Кипящий” вакуум – это наинизшее возможное энергетическое состояние всех полей.
Виртуальные процессы
Процессы, идущие в природе, с энергетической точки зрения подразделяются на два противоположных класса – с выделением энергии и с её поглощением. Первые осуществляются легко, сами собой, в результате их прохождения материальная система переходит в более низкое энергетическое состояние, отличающееся большей устойчивостью. Например, таковы химические реакции, идущие с выделением энергии в виде тепла. Они называются экзотермическими. Энергия может выделяться не обязательно в тепловой форме – это может быть и световое излучение, и механическая работа, как при падении тела. Когда форма выделяющейся энергии не определена, то реакция называется экзоэргической. Во всех случаях слово “экзо” означает “выделение вовне” либо тепла, либо вообще энергии. Процессы, требующие для светового осуществления затрат энергии, называются эндоэргическими, а если эти затраты производятся в тепловой форме, путём подогрева, то эндотермическими. Слово “эндо” означает “поглощение внутрь”. В качестве примеров таких процессов вспомним поднятие груза на некоторую высоту, плавление льда, кипение воды. В результате эндоэргических процессов система переходит в состояние с большей энергией. Протекание эндоэргических процессов возможно только под влиянием других тел или систем, сообщающих необходимую энергию. Так как энергия микрочастицы является величиной не вполне определённой, то и в поведении микрочастицы возможно своеобразие, никогда не встречающееся и просто невозможное в макромире. Прежде всего, закон сохранения энергии, незыблемый и один из наиболее фундаментальных в макромире, для микрочастиц оказывается необязательным. В самом деле, о каком сохранении можно вести речь, если сама величина энергии неопределенна.
С неопределённостью энергии при малых промежутках времени связаны так называемые виртуальные процессы. Это обратимые процессы, проходящие в прямом и обратном направлениях за время, меньшее h\ E, где E – энергия, необходимая для осуществления данного процесса или, по крайней мере, его эндоэргической стадии, которая всегда присутствует – либо “туда”, либо “ обратно”. Так как эти процессы, во-первых, за один цикл “туда-обратно” не меняют состояние системы, а во-вторых, происходят “внутри” соотношения неопределённостей, т.е. без каких-либо затрат энергии, то они макроскопически ненаблюдаемы. Однако по такому механизму осуществляются все фундаментальные взаимодействия. Виртуальными процессами в этом случае являются процессы испускания кванта взаимодействия, пролёта его от одной взаимодействующей частицы до другой, поглощение, затем снова испускание, пролёт в обратном направлении и поглощение. Всё- это происходит за время t h\ E. (1).
Материя. Частицы и поля. Корпускулярно-воловой дуализм материи
Материя – это сущность мира, то общее, что входит в состав всех объектов природы. Материя никогда не проявляется как такова, а всегда только в виде конкретных тел, имеющих определённую форму, размеры и длительность жизни. Любое тело содержит определённое количество материи, которое характеризуется его массой. Масса есть мера количества материи, измеряется в килограммах.
Существуют два вида материи – вещество и поле. Вообще говоря, существует не два, а три вида материи – вещество, поле и вакуум. Но если брать только наш материальный мир, то в нём существует лишь два вида – вещество и поле. В вакууме же сосредоточен “не наш” мир или даже множество миров, которых мы не видим и не ощущаем. Более подробно об этом речь впереди. Сейчас рассмотрим лишь наш мир, в котором материя предстаёт лишь в двух формах – вещества и поля. Они противоположны друг другу в том смысле, что являются носителями противоположных основных свойств.
Вещество обладает большой концентрацией массы, т.е. плотностью, состоит из частиц и в принципе всегда может быть разделено на составляющие частицы. Такое давление не бесконечно. Существуют самые мелкие частицы, которые состоят из самых себя и уже не могут быть разделены на более малые. Эти мельчайшие частицы вещества называются элементарными частицами. Каждая частица занимает чётко ограниченный объём пространства, в который не могут проникнуть другие частицы. Таким образом, вещество – это прерывная, или дискретная форма материи. Можно получить некоторое представление о плотности вещества как формы материи, взяв в качестве представителя вещества какую-либо из элементарных частиц, например, протон. Он имеет массу около 1.7*10 кг, а размер порядка 10 м. приняв его объём равным (10) м и разделив массу ~ 10 кг на объём, получим 10 \ (10) = 10 кг\м. Это миллиарды тонн в кубическом сантиметре. Например, такую же плотность мы получим и для электрона. Столь гигантские плотности мы никогда не наблюдаем в обычном веществе. Структура макровещества такова, что основной объём приходится на пустоту (рис.1), а частицы – ядро и электроны – занимают ничтожный объём. Таким образом, макроскопическая плотность вещества, а это порядка граммов в кубическом сантиметре, объясняется тем, что масса ядра (в простейшем случае протона) распределяется не на объём самого ядра, а на весь объём атома, который в 10 раз больше.
Поле – это, наоборот, разреженная, лёгкая форма материи, она характеризуется малой концентрацией массы и отсутствием чётких границ. Поля могут накладываться друг на друга, занимать одно и то же место в пространстве. Этот вид материи является непрерывным, и этим он существенно отличается от вещества. Функцией полей в материальном мире обычно сводятся к передаче взаимодействий между частицами или телами. В нашем мире существует всего четыре вида фундаментальных взаимодействий – сильное, слабое, электромагнитное и гравитационное. Соответственно имеются и четыре фундаментальных поля. Физические поля распространяются в виде волн. Поэтому можно считать, что структура поля – волновая. В этом смысле понятия “поле” и “волна” идентичны друг другу.
Следует заметить, что наличие у вещества и поля абсолютно противоположных свойств является идеализацией. Частицы и поля противоположны друг другу, главным образом, в человеческом сознании, которое всегда склонно классифицировать любые изучаемые объекты по наблюдаемым признакам, а так как любые реальные объекты имеют множество разных признаков или свойств, то классификация обычно проводится по доминирующим или, еще лучше, по одному доминирующему признаку. При подобной классификации частицы только дискретны, поля только непрерывны. По сути дела, классификация сама создаёт идеализированные образы естественных материальных объектов – идеальные частицы и идеальные поля, которые именно в силу своей идеализированности не вполне адекватны реальным объектам, имеющим всегда не одно, а много различных свойств. В том числе и реальные частицы не только дискретны, но и непрерывны, причём, эта непрерывность носит не внутренний, что было бы не удивительно, а внешний характер, который проявляется при взаимодействии с другими частицами и телами. Точно так же реальные поля не только непрерывны, но обнаруживают признаки дискретности, квантованности. Значит, материя, независимо от вида, в своём фундаменте, т.е. на уровне элементарных частиц и фундаментальных полей, является двойственной, ей в равной мере присущи свойства и непрерывности, и дискретности. Это положение получило название “корпускулярно-волновой дуализм материи”.
Исторически к пониманию двойственной корпускулярно-волновой сущности микрочастиц учёные пришли с двух сторон. Сначала в 1900 г. Немецкий физик Макс Планк, для того чтобы теоретически рассчитать спектр теплового излучения, в качестве “рабочей гипотезы” предложил, что электромагнитные волны (свет) поглощаются и испускаются нагретыми телами не непрерывно, а порциями – квантами. Величина кванта такова, что его действие кратко некой постоянной величине h=6,62*10 Дж с. Действием называется механическая величина, равная произведению импульса тела на его путь или произведению энергии тела на время движения: L = p*l = E*t, или, если импульс и энергия переменны, то L = p*dx = E*dt. Постоянную Планка h иногда называют квантом действия.
В начале ХХ в. Не было никаких обоснований справедливости гипотезы Планка, единственной причиной и обоснованием введения представлений о квантовом (дискретном) характере излучения и поглощения света телами было то, что только это давало возможность правильно рассчитать спектр теплового излучения твёрдых тел. Без этой гипотезы расчёты, проведённые по всем правилам классической физики и математики, давали совершенно неверные результаты, принципиально расходящиеся с экспериментом (рис.2). Поэтому М.Планк осторожно назвал своё предложение всего лишь “рабочей гипотезой”. Однако уже в 1905 г. Альберт Эйнштейн, основываясь на гипотезе Планка и ведя представление о квантовой (фотонной) структуре света, создал теорию фотоэффекта, которая впервые сумела объяснить все его основные закономерности. Эйнштейн сделал следующий важный шаг в развитии квантовой физики: он вёл речь уже не просто о дискретном характере самого светового поля. По его представлениям, электромагнитное поле состоит из частиц – фотонов, летящих со скоростью света с = 3*10 м\с. Фотоны обладают следующими механическими характеристиками: энергией E = h, - частота света; импульсом p = h \c и массой m = h \c. Стало ясно, что фотоны – не просто рабочая гипотеза, а в полнеет реальные частицы света. Впоследствии дискретность структуры света была многократно подтверждена в экспериментах и теоретических работах многих физиков. В настоящее время реальность фотонов является очень надёжно доказанным фактором природы и не вызывает никаких сомнений у специалистов. Таким образом, исследование электромагнитного поля привели к открытию его дискретности, делимости на частицы. В то же время и волновые свойства поля никуда не делись – они, как были установлены намного раньше в виде типично волновых явлений интерференции и дифракции, так и остались теперь уже в качестве свойств фотонов. Квантованность присуща не только электромагнитному полю – она распространяется на все физические поля. (1). Кванты фундаментальных взаимодействий представляют собой частицы с сётным спином – бозоы – и называются соответственно глюоны (сильное взаимодействие), векторные бозоны (слабое), фотоны (электромагнитное) и гравитоны (гравитационное). Все эти частицы обладают не только типичными для частиц свойствами, но и волновыми. Все они являются дуальными, двойственными. Несколько позднее была установлена дуальность и тех материальных образований, которые традиционно относились к микрочастицам. Прежде всего, это были электроны, а затем и другие частицы – протоны, нейтроны и пр. В 1924 г. Французский физик Луи де Броиль под давлением опять-таки неумолимых факторов высказал гипотезу о том, что каждому телу, движущемуся с импульсом p = mv, соответствует волна с длиной = h\p. Соображением, приведшим его к этой гипотезе, была предположенная им аналогия между свойствами фотона и микрочастиц. Импульс фотона равен p = h \ c = h \, откуда = h \ p. Если микрочастица обладает свойствами волны с длиной, то эти свойства можно наблюдать в виде обычных интерференции и дифракции. В 1927 г. Американские физики Дэвиссон и Джермер, а также независимо от них англичанин Томсон получил дифракционные картины при рассеянии электронов поверхностям металлов и тонкими металлическими фольгами. Экспериментально было доказано, что электроны имеют волновые свойства. Рассчитанная из дифракционной картины длина волны электрона оказалась точно такой же, как это следовало из формулы де Бройля. То же самое было получено и для других микрочастиц: протонов, нейтронов, атомов и малых молекул.
Тем самым была установлена универсальность корпускулярно-волнового дуализма для обеих форм материи – и для вещества, и для поля. В настоящее время дифракция микрочастиц – электронография и нейтронография – широко используется для установления и анализа кристаллической структуры твёрдых тел и материалов.