Пристрій нашого світу у взаємодії макро-і мегасвіту

1) теорія "великого об'єднання"

Сучасні досягнення фізики високих енергій все більше зміцнюють уявлення, що різноманіття властивостей Природи обумовлено взаємодіючими елементарними частинками. Існує тільки чотири якісно відмінні види взаємодій, в яких беруть участь елементарні частинки. Ці взаємодії називаються фундаментальними, тобто самими основними, вихідними, первинними ^1.

Крім якісних відмінностей, фундаментальні взаємодії відрізняються в кількісному відношенні за силою впливу, яка характеризується терміном інтенсивність. У міру збільшення інтенсивності фундаментальні взаємодії розташовуються в наступному порядку: гравітаційне, слабке, електромагнітне і сильне. Кожне з цих взаємодій характеризується відповідним параметром, званим константою зв'язку, чисельне значення якого визначає інтенсивність взаємодії.

Теорії, які намагаються об'єднати всі чотири типи взаємодії, називають «Універсальними теоріями«, «теорії всього сущого» або «Теорією великого об'єднання«. Якби у нас була така теорія, то це б означало, що людству вдалося побудувати замкнену фізичну картину світу, вона б включала в себе всі базові принципи і закони світобудови, й у всьому Всесвіті вже не було б того, що ми не можемо зрозуміти і списати. Ця заповітна мета сучасної фізики поки що далека від того, щоб бути досягнутою, але вже зараз робляться спроби побудови таких теорій.

Теорії великого об'єднання - так фізики називають теорію, несуперечливо об'єднує всі відомі види взаємодій. Теорія Великого об'єднання, GUT - у фізиці елементарних частинок група теоретичних моделей, що описують єдиним чином сильна, слабка і електромагнітне взаємодії. Передбачається, що при надзвичайно високих енергіях (вище 1014 ГеВ) ці взаємодії об'єднуються. Ця теорія-подальший розвиток ідей Янга і Міллса, наступний крок у побудові єдиної теорії поля.

Напряму перевірити справедливість цієї теорії не можна, але можна перевірити прогнози, які вона дає для процесів, що протікають на більш низьких енергіях (тобто в областях експериментально досяжних енергій). На сьогоднішній день всі прогнози «теорій Великого об'єднання» для відносно низьких енергій підтверджені експериментально.

Яким чином фізичні об'єкти здійснюють фундаментальні взаємодії між собою? На якісному рівні відповідь на це питання виглядає наступним чином. Фундаментальні взаємодії переносяться квантами. При цьому в квантовій області фундаментальних взаємодій відповідають відповідні елементарні частинки, що називаються елементарними частинками - переносниками взаємодій. У процесі взаємодії фізичний об'єкт випускає частки - переносники взаємодії, які поглинаються іншим фізичним об'єктом. Це веде до того, що об'єкти як би відчувають один одного, їх енергія, характер руху, стан змінюються, тобто вони відчувають взаємний вплив. Електрослабка взаємодія починає об'єднуватися з сильною взаємодією при температурі близько 10 в 27-го ступеня К. У лабораторних умовах такі енергії недосяжні. Навіть Великий андронний коллайдер зможе розігнати частинки до енергій, які складають всього 10-8% від енергії, яка необхідна для об'єднання електрослабкої і сильного ядерної взаємодії.

2) слабка взаємодія

Слабка взаємодія, або слабке ядерна взаємодія - одна з чотирьох фундаментальних взаємодій у природі. Воно відповідально, зокрема, за бета-розпад ядра. Ця взаємодія називається слабким, оскільки два інших взаємодії, значущі для ядерної фізики (сильне і електромагнітне), характеризуються значно більшою інтенсивністю. Однак воно значно сильніше четвертого з фундаментальних взаємодій, гравітаційного ^2. Ця взаємодія є найбільш слабким з фундаментальних взаємодій, експериментально спостерігаються в розпадах елементарних частинок, де принципово суттєвими є квантові ефекти. Квантові прояви гравітаційної взаємодії ніколи не спостерігалися. Слабка взаємодія виділяється за допомогою наступного правила: якщо в процесі взаємодії бере участь елементарна частинка, яка називається нейтрино (або антинейтрино), то вказана взаємодія є слабким.

Типовий приклад слабкої взаємодії - це бета-розпад нейтрона

np + e-+ e,

де n - нейтрон, p - протон, e-- електрон, e - електронне антинейтрино.

Слід, однак, мати на увазі, що зазначене вище правило зовсім не означає, що будь-який акт слабкої взаємодії зобов'язаний супроводжуватися нейтрино або антинейтрино. Відомо, що має місце велика кількість безнейтринного розпадів. Як приклад можна відзначити процес розпаду лямбда-гіперон на протон p і негативно заряджений півонія. За сучасними уявленнями нейтрон і протон не є істинно елементарними частинками, а складаються з елементарних частинок, званих кварками.

Інтенсивність слабкої взаємодії характеризується константою зв'язку Фермі GF. Константа GF розмірних. Щоб утворити безрозмірну величину, необхідно використовувати яку-небудь еталонну масу, наприклад масу протона mp. Тоді безрозмірна константа зв'язку буде

GFmp2 ~ 10-5.

Видно, що слабка взаємодія набагато інтенсивніше гравітаційного.

Слабка взаємодія на відміну від гравітаційного є короткодействующим. Це означає, що слабка взаємодія між частинками починає діяти, тільки якщо частинки знаходяться досить близько один до одного. Якщо ж відстань між частинками перевершує деяку величину, яка називається характерним радіусом взаємодії, слабка взаємодія не виявляє себе. Експериментально встановлено, що характерний радіус слабкої взаємодії порядку 10-15 см, тобто слабка взаємодія, зосереджений на відстанях менше розмірів атомного ядра. Хоча слабка взаємодія істотно зосереджено всередині ядра, воно має певні макроскопічні прояви. Крім того, слабка взаємодія відіграє важливу роль в так званих термоядерних реакціях, відповідальних за механізм енерговиділення в зірках. Дивовижним властивістю слабкої взаємодії є існування процесів, в яких проявляється дзеркальна асиметрія. На перший погляд здається очевидним, що різниця між поняттями ліве і праве умовна. Дійсно, процеси гравітаційного, електромагнітної і сильної взаємодії інваріантні щодо просторової інверсії, що здійснює дзеркальне відображення. Кажуть, що в таких процесах зберігається просторова парність P. Проте експериментально встановлено, що слабкі процеси можуть протікати з незбереженням просторової парності і, отже, як би відчувають різницю між лівим і правим. В даний час є тверді експериментальні докази, що незбереження парності у слабких взаємодіях носить універсальний характер, вона проявляє себе не тільки в розпадах елементарних частинок, але і в ядерних і навіть атомних явищах. Слід визнати, що дзеркальна асиметрія являє собою властивість Природи на самому фундаментальному рівні.

3) електромагнітна карта світу

Картина світу - це цілісне світорозуміння, що синтезує знання з урахуванням систематизує початку (наукового принципу, ідеї, релігійного догмату і т. д.), який визначає світоглядну установку людини, його ціннісні поведінкові орієнтири.

Виникнення електромагнітної картини світу характеризує якісно новий етап еволюції науки.

Електромагнітна картина світу продовжувала формуватися протягом усього XX ст. Вона використала не тільки вчення про магнетизм і досягнення атомістики, але також і деякі ідеї сучасної фізики (теорії відносності і квантової механіки). Після того як об'єктом вивчення фізики поряд з речовиною стали різноманітні поля, картина світу набула більш складний характер, але все одно це була картина класичної фізики.

Основні її риси наступні. Згідно цій картині матерія існує у двох видах - речовині і поле, між якими є непрохідна грань: речовина не перетворюється в поле і навпаки. Відомі два види поля - електромагнітне і гравітаційне, відповідно - два види фундаментальних взаємодій. Поля, на відміну від речовини, безперервно розподіляються в просторі. Електромагнітна взаємодія пояснює не тільки електричні і магнітні явища, але й інші - оптичні, хімічні, теплові. Все більшою мірою зводиться до електромагнетизму. Поза сфери панування електромагнетизму залишається лише тяжіння.

Як елементарних "цеглинок", з яких складається вся матерія, розглядаються три частинки - електрон, протон і фотон. Фотони - кванти електромагнітного поля. Корпускулярно-хвильовий дуалізм "примирює" хвильову природу поля з корпускулярної, тобто при розгляді електромагнітного поля використовуються, поряд з хвильовими, і корпускулярні (фотонні) уяви. Елементарні "цеглинки" речовини - електрони і протони. Речовина складається з молекул, молекули з атомів, атом має масивне ядро і електронну оболонку.

Ядро складається з протонів. Сили, що діють в речовині, зводяться до електромагнітних. Ці сили відповідають за міжмолекулярні зв'язки і зв'язки між атомами в молекулі; вони утримують електрони атомної оболонки поблизу ядра, але вони забезпечують міцність атомного ядра (що виявилося в подальшому невірним). Електрон і протон - стабільні частинки, тому атоми і їх ядра теж стабільні. Картина, на перший погляд, виглядала бездоганно. Але в ці рамки не вписувалися такі, як вважалося тоді, "дрібниці", наприклад, радіоактивність і ін Скоро з'ясувалося, що ці "дрібниці" є принциповими. Саме вони і призвели до "краху" електромагнітної картини світу ^3.

4) перший початок термодинаміки

Перший початок термодинаміки - один з двох основних законів термодинаміки, являє собою закон збереження енергії для термодинамічних систем, в яких істот, значення мають теплові процеси (поглинання або виділення тепла) ^4.

Він формулюється таким чином: При переході системи зі стану A в стан B сума роботи і теплоти, отриманих системою від навколишнього середовища, визначається тільки станами A і B; ця сума не залежить від того, яким чином здійснюється перехід з A в B. Це означає, що існує така величина E, що характеризує внутрішній стан системи, що різниця її значень в станах A і B визначається співвідношенням EBEA = QL, (1) де (L) робота, яка виконується середовищем над системою, а Q кількість тепла, отримане системою від навколишнього середовища (кількість енергії, що передається системі термічним шляхом, тобто в формі, відмінній від роботи). Величина E називається внутрішньою енергією системи.

Відповідно до першого початку термодинаміки, термодинамічна система (напр., пар в тепловій машині) може здійснювати роботу тільки за рахунок своєї внутрішньої енергії або будь-якого зовнішнього джерела енергії. Перший початок термодинаміки часто формулюють як неможливість існування вічного двигуна першого роду, який здійснював би роботу, не черпаючи енергію з деякого джерела.

Перше начало термодинаміки сформульоване в середині XIX століття в результаті робіт німецького вченого Ю.Р. Майера, англійського фізика Дж.П. Джоуля і німецького фізика Р. Гельмгольца. Відповідно до першого початку термодинаміки, термодинамічна система може здійснювати роботу тільки за рахунок своєї внутрішньої енергії або будь-яких зовнішніх джерел енергії. Перший початок термодинаміки часто формулюють як неможливість існування вічного двигуна першого роду, який здійснював би роботу, не черпаючи енергію з якого-небудь джерела.

Перший початок термодинаміки вводить уявлення про внутрішньої енергії системи як функції стану. При повідомленні системі деякого запланованого теплоти Q відбувається зміна внутрішньої енергії системи DU і система здійснює роботу А:

DU = Q + А.

Існує кілька еквівалентних формулювань першого початку термодинаміки.

- Кількість теплоти, отримане системою, йде на зміну її внутрішньої енергії та здійснення роботи проти зовнішніх сил

- Зміна внутрішньої енергії системи при переході її з одного стану в інший дорівнює сумі роботи зовнішніх сил і кількості теплоти, переданого системі і не залежить від способу, яким здійснюється цей перехід

Перший початок термодинаміки дозволяє розрахувати максимальну роботу, отримувану при ізотермічному розширенні ідеального газу, ізотермічному випаровуванні рідини при постійному тиску, встановлювати закони адіабатичного розширення газів і ін Перший початок термодинаміки є основою термохімії, що розглядає системи, в яких теплота поглинається або виділяється в результаті хім. реакцій, фазових перетворень або розчинення (розбавлення розчинів).

5) основні періоди розвитку математики

Академіком О.М. Колмогоровим запропонована така структура історії математики:

1. Зародження математики. Рахунок предметів на ранніх щаблях розвитку культури привів до створення найпростіших понять арифметики натуральних чисел. Тільки на основі розробленої системи усного числення виникають письмові системи числення і поступово виробляються прийоми виконання над натуральними числами чотирьох арифметичних дій (з яких тільки поділ ще довго являло великі труднощі). Потреби вимірювання (кількості зерна, довжини дороги і т. п.) призводить до появи назв і позначень найпростіших дробових чисел і до розробки прийомів виконання арифметичних дій над дробами. Таким чином, накопичується матеріал, що складається поступово в найдавнішу математичну науку - арифметику. Вимірювання площ і об'ємів, потреби будівельної техніки, а трохи пізніше - астрономії, викликають розвиток початків геометрії. Ці процеси йшли у багатьох народів значною мірою незалежно і паралельно. Особливе значення для подальшого розвитку науки мало накопичення арифметичних і геометричних знань у Єгипті й Вавілонії. У Вавилонії на основі розвинутої техніки арифметичних обчислень з'явилися також початки алгебри, а у зв'язку із запитами астрономії - початок ваших тригонометрії.

2. Період елементарної математики, що починається в VI-V століттях до н. е.. і завершується в кінці XVI століття. Тільки після накопичення великого конкретного матеріалу у вигляді розрізнених прийомів арифметичних обчислень, способів визначення площ та обсягів і тому подібного виникає математика як самостійна наука з чітким розумінням своєрідності її методу і необхідності систематичного розвитку її основних понять і пропозицій в досить загальній формі. У застосуванні до арифметики і алгебри можливо, що зазначений процес почався вже у Вавилонії. Однак цілком визначився це нова течія, яке полягало в систематичному і логічно послідовному побудові основ математичної науки, у Стародавній Греції. Створена стародавніми греками система викладу елементарної геометрії на два тисячоліття вперед стала зразком дедуктивного побудови математичної теорії. З арифметики поступово виростає чисел теорія. Створюється систематичне вчення про величини і вимірі. Процес формування (у зв'язку із завданням вимірювання величин) поняття дійсного числа (див. Число) виявляється досить тривалим. Справа в тому, що поняття ірраціонального і негативного числа ставляться до тим більше складним математичним абстракцій, які, на відміну від понять натурального числа, дробу або геометричної фігури, не мають достатньо міцної опори в донаучной загальнолюдському досвіді.

3. Період створення математики змінних величин, що охоплює XVII-XVIII століття, «який можна умовно назвати також періодом" вищої математики ". З 17 століття починається істотно новий період розвитку математики. Поворотним пунктом у математиці була Декартова змінна величина. Завдяки цьому в математику ввійшли рух і тим самим діалектика і завдяки цьому ж стало негайно необхідним диференціальне і інтегральне числення

Вивчення змінних величин і функціональних залежностей приводить далі до основних понять математичного аналізу, що вводить в математику в явному вигляді ідею нескінченного, до понять межі, діпроізводной, диференціала і інтеграла.

4. Сучасна математика. Всі створені в 17 і 18 століттях розділи математичного аналізу продовжували з великою інтенсивністю розвиватися в 19 і 20 століттях. Надзвичайно розширився за цей час і коло їх застосувань до задач, що висуваються природознавством і технікою. Проте, крім цього кількісного зростання, з останніх років 18 століття і на початку 19 століття в розвитку математики спостерігається і ряд істотно нових рис.

6) макросвіт

Макросвіт і мікросвіт - дві специфічні області об'єктивної реальності, що розрізняються рівнем структурної організації матерії. Сфера макроявищ - це звичайний світ, в якому живе і діє людина (планети, земні тіла, кристали, великі молекули та ін) ^5.

Макросвіт - світ макрооб'єктів, розмірність яких співвідносна з масштабами людського досвіду: просторові величини виражаються в міліметрах, сантиметрах і кілометрах, а час - у секундах, хвилинах, годинах, роках.

Кожен з цих світів характеризується своєрідністю будови матерії, просторово-часових і причинних відносин, закономірностей руху. Так, в макросвіті матеріальні об'єкти мають різко виражену безперервно, корпускулярну чи безперервну, хвильову природу і їх рух підкоряється динамічним законами класичної механіки.

Своєрідна межа розділу макро-і мікросвіту була встановлена ​​у зв'язку з відкриттям так званої постійної Планка. Суттєвим аспектом цієї нової константи з'явилася «кінцівку взаємодії», яка означала, що будь-які взаємодії між об'єктами в мікросвіті (в т. ч. між приладом і мікрочастинок) не можуть бути меншими від кванта дії. Специфіка макро-і мікросвіту знаходить своє відображення в пізнанні, призводить до обмеження сфери застосування старих фізичних теорій і виникненню нових (теорія відносності, квантова механіка, фізика елементарних частинок).

Наука показує тісний зв'язок між макро-і мікросвітом і виявляє, зокрема, можливості появи макроскопічних об'єктів при зіткненні мікрочастинок високої енергії.