Недержавне загальнодержавне установа
вищої професійної освіти
"Санкт - Петербурзький Гуманітарний університет профспілок"
Самарський філія
Факультет: економічний
Заочне відділення
Спеціальність 060800 Економіка і управління на підприємстві
Контрольна робота
Дисципліна: Концепції сучасного природознавства
Тема: № 8 Віртуальні процеси. Віртуальний матеріальний світ.
Вакуум як третя форма матерії
Виконала:
Студентка групи IV-Е-05
Багдасарян Марина
Перевірив:
Зинь В.І.
Самара
2008 рік.
Зміст
Введення
1. Віртуальні процеси
2. Матерія. Частинки і поля. Корпускулярно-Воловий дуалізм матерії
3. Вакуум - третя форма матерії
Висновок
Список використаної літератури
Введення
Існують два види матерії - речовина і поле. Взагалі кажучи, є не два, а три види матерії - речовина, поле і вакуум. Але якщо брати тільки наш матеріальний світ, то в ньому існує лише два види - речовина і поле. У вакуумі ж зосереджений "не наш" світ або навіть безліч світів, яких ми не бачимо і не відчуваємо.
Поле - це, навпаки, розріджена, легка форма матерії, вона характеризується малою концентрацією маси і відсутністю чітких меж. Поля можуть накладатися один на одного, займати одне і те ж місце в просторі. Цей вид матерії є безперервним, і цим він істотно відрізняється від речовини. Функцією полів в матеріальному світі зазвичай зводяться до передачі взаємодій між частинками або тілами. У нашому світі існує всього чотири види фундаментальних взаємодій - сильне, слабке, електромагнітне і гравітаційне. Відповідно є і чотири фундаментальних поля. Фізичні поля поширюються у вигляді хвиль. Тому можна вважати, що структура поля - хвильова. У цьому значенні поняття "поле" і "хвиля" ідентичні один одному.
У силу нескінченних властивостей і пов'язаних з цим нескінченних можливостей природи в ній відбувається все, що не заборонено її законами або принципами. Значить, і безперервне народження і анігіляція віртуальних частинок обов'язково будуть відбуватися в щільному відповідно до принципу невизначеності. І замість альтернативи "так - ні" залишається тверде "так". Відомий астрофізик І.Д. Новиков назвав цей стан "кипінням" вакууму, яке залишається в порожнечі при видаленні всіх реальних частинок і квантів, фізичних полів. Видалити або будь - яким способом припинити це кипіння неможливо. Ці віртуальні процеси, або квантові флуктуації вакууму, просто зобов'язані відбуватися внаслідок того, що принцип невизначеності відкриває можливості для їх здійснення. Звичайно, можливості відкриває не сам принцип - вони кореняться в особливостях структури матерії на мікрорівні - принцип лише описує, виявляє ці особливості і можливості. "Киплячий" вакуум - це найнижчі можливе енергетичний стан всіх полів.
1. Віртуальні процеси
Процеси, що йдуть в природі, з енергетичної точки зору поділяються на два протилежних класу - з виділенням енергії і з її поглинанням. Перші здійснюються легко, самі собою, в результаті їх проходження матеріальна система переходить в більш низьке енергетичний стан, що відрізняється більшою стійкістю. Наприклад, такі хімічні реакції, що йдуть з виділенням енергії у вигляді тепла. Вони називаються екзотермічними. Енергія може виділятися не обов'язково в тепловій формі - це може бути і світлове випромінювання, і механічна робота, як при падінні тіла. Коли форма енергії, що виділяється не визначена, то реакція називається екзоергіческой. У всіх випадках слово "екзо" означає "виділення зовні" або тепла, або взагалі енергії. Процеси, що вимагають для світлового здійснення витрат енергії, називаються ендоергіческімі, а якщо ці витрати виробляються в тепловій формі, шляхом підігріву, то ендотермічними. Слово "ендо" означає "поглинання всередину". В якості прикладів таких процесів згадаємо підняття вантажу на певну висоту, плавлення льоду, кипіння води. У результаті ендоергіческіх процесів система переходить в стан з більшою енергією. Перебіг ендоергіческіх процесів можливе тільки під впливом інших тіл або систем, які повідомляють необхідну енергію. Так як енергія мікрочастинки є величиною не цілком визначеною, то і в поведінці мікрочастинки можливо своєрідність, ніколи не зустрічається і просто неможливе в макросвіті. Перш за все, закон збереження енергії, непорушний і один з найбільш фундаментальних в макросвіті, для мікрочастинок виявляється необов'язковим. Справді, про який збереженні можна вести мову, якщо сама величина енергії невизначена.
З невизначеністю енергії при малих проміжках часу пов'язані так звані віртуальні процеси. Це оборотні процеси, що проходять в прямому і зворотному напрямках за час, менший h \ E, де E - енергія, необхідна для здійснення даного процесу або, принаймні, його ендоергіческой стадії, яка завжди присутня - або "туди", або "назад ". Так як ці процеси, по-перше, за один цикл "туди-назад" не змінюють стан системи, а по-друге, відбуваються "всередині" співвідношення невизначеностей, тобто без будь-яких витрат енергії, то вони макроскопічно ненаблюдаемость. Однак за таким механізмом здійснюються всі фундаментальні взаємодії. Віртуальними процесами в цьому випадку є процеси випущення кванта взаємодії, прольоту його від однієї взаємодіючої частинки до іншої, поглинання, потім знову випущення, проліт у зворотному напрямку і поглинання. Все-це відбувається за час th \ E. (1).
2. Матерія. Частинки і поля. Корпускулярно-Воловий дуалізм матерії
Матерія - це сутність світу, те спільне, що входить до складу всіх об'єктів природи. Матерія ніколи не проявляється як така, а завжди тільки у вигляді конкретних тіл, що мають певну форму, розміри і тривалість життя. Будь-яке тіло містить певну кількість матерії, яке характеризується його масою. Маса є міра кількості матерії, вимірюється в кілограмах.
Існують два види матерії - речовина і поле. Взагалі кажучи, є не два, а три види матерії - речовина, поле і вакуум. Але якщо брати тільки наш матеріальний світ, то в ньому існує лише два види - речовина і поле. У вакуумі ж зосереджений "не наш" світ або навіть безліч світів, яких ми не бачимо і не відчуваємо. Більш докладно про це мова попереду. Зараз розглянемо лише наш світ, в якому матерія постає лише у двох формах - речовини і поля. Вони протилежні один одному в тому сенсі, що є носіями протилежних основних властивостей.
Речовина має великою концентрацією маси, тобто щільністю, складається з частинок і в принципі завжди може бути розділене на складові частинки. Такий тиск не нескінченно. Існують самі дрібні частинки, які складаються з самих себе і вже не можуть бути розділені на менші. Ці найдрібніші частинки речовини називаються елементарними частинками. Кожна частка займає чітко обмежений обсяг простору, в який не можуть проникнути інші частинки. Таким чином, речовина - це безперервно, або дискретна форма матерії. Можна отримати деяке уявлення про щільність речовини як форми матерії, взявши в якості представника речовини будь-яку з елементарних частинок, наприклад, протон. Він має масу близько 1.7 * 10 кг, а розмір порядку 10 м . прийнявши його обсяг рівним (10) м і розділивши масу ~ 10 кг на обсяг, отримаємо 10 \ (10) = 10 кг \ м. Це мільярди тонн в кубічному сантиметрі. Наприклад, таку ж щільність ми отримаємо і для електрона. Настільки гігантські щільності ми ніколи не спостерігаємо в звичайному речовині. Структура макровещества така, що основний обсяг припадає на порожнечу (рис.1), а частки - ядро і електрони - займають незначний обсяг. Таким чином, макроскопічна щільність речовини, а це близько грамів у кубічному сантиметрі, пояснюється тим, що маса ядра (у простому випадку протона) розподіляється не на обсяг самого ядра, а на весь обсяг атома, який в 10 разів більше.
Поле - це, навпаки, розріджена, легка форма матерії, вона характеризується малою концентрацією маси і відсутністю чітких меж. Поля можуть накладатися один на одного, займати одне і те ж місце в просторі. Цей вид матерії є безперервним, і цим він істотно відрізняється від речовини. Функцією полів в матеріальному світі зазвичай зводяться до передачі взаємодій між частинками або тілами. У нашому світі існує всього чотири види фундаментальних взаємодій - сильне, слабке, електромагнітне і гравітаційне. Відповідно є і чотири фундаментальних поля. Фізичні поля поширюються у вигляді хвиль. Тому можна вважати, що структура поля - хвильова. У цьому значенні поняття "поле" і "хвиля" ідентичні один одному.
Слід зауважити, що наявність у речовини і поля абсолютно протилежних властивостей є ідеалізацією. Частинки і поля протилежні одна одній, головним чином, в людській свідомості, яке завжди схильне класифікувати будь-які досліджувані об'єкти за спостережуваними ознаками, а так як будь-які реальні об'єкти мають безліч різних ознак або властивостей, то класифікація зазвичай проводиться за домінуючим або, ще краще, за одному домінуючому ознакою. При подібній класифікації частки лише дискретні, поля тільки безперервні. По суті справи, класифікація сама створює ідеалізовані образи природних матеріальних об'єктів - ідеальні частки і ідеальні поля, які саме в силу своєї идеализированностью не цілком адекватні реальним об'єктом, що має завжди не одне, а багато різних властивостей. У тому числі і реальні частки не тільки дискретні, але і безперервні, причому, ця безперервність носить не внутрішній, що було б не дивно, а зовнішній характер, який проявляється при взаємодії з іншими частками і тілами. Точно так само реальні поля не тільки неперервні, але виявляють ознаки дискретності, квантованности. Значить, матерія, незалежно від виду, у своєму фундаменті, тобто на рівні елементарних частинок і фундаментальних полів, є подвійною, їй в рівній мірі притаманні властивості і безперервності, і дискретності. Це положення отримало назву "корпускулярно-хвильовий дуалізм матерії".
Історично до розуміння двоїстої корпускулярно-хвильовий сутності мікрочастинок вчені прийшли з двох сторін. Спочатку в 1900 р . Німецький фізик Макс Планк, для того щоб теоретично розрахувати спектр теплового випромінювання, в якості "робочої гіпотези" запропонував, що електромагнітні хвилі (світло) поглинаються і випускаються нагрітими тілами не безперервно, а порціями - квантами. Величина кванта така, що його дія коротко якоїсь постійної величини h = 6,62 * 10 Дж с. Дією називається механічна величина, що дорівнює добутку імпульсу тіла на його шлях або твору енергії тіла на час руху: L = p * l = E * t, або, якщо імпульс і енергія змінні, то L = p * dx = E * dt. Постійну Планка h іноді називають квантом дії.
На початку ХХ ст. Не було ніяких обгрунтувань справедливості гіпотези Планка, єдиною причиною і обгрунтуванням введення уявлень про квантовий (дискретному) характер випромінювання і поглинання світла тілами було те, що тільки це давало можливість правильно розрахувати спектр теплового випромінювання твердих тіл. Без цієї гіпотези розрахунки, проведені за всіма правилами класичної фізики і математики, давали абсолютно неправильні результати, принципово розходяться з експериментом (рис.2). Тому М. Планк обережно назвав свою пропозицію всього лише "робочою гіпотезою". Проте вже в 1905 р . Альберт Ейнштейн, грунтуючись на гіпотезі Планка і ведучи уявлення про квантову (фотонів) структурі світла, створив теорію фотоефекту, яка вперше зуміла пояснити всі його основні закономірності. Ейнштейн зробив наступний важливий крок у розвитку квантової фізики: він вів мову вже не просто про дискретному характері самого світлового поля. За його уявленням, електромагнітне поле складається з частинок - фотонів, що летять зі швидкістю світла с = 3 * 10 м \ с. Фотони володіють наступними механічними характеристиками: енергією E = h, - частота світла; імпульсом p = h \ c і масою m = h \ c. Стало ясно, що фотони - не просто робоча гіпотеза, а в гладшає реальні частки світла. Згодом дискретність структури світла була багаторазово підтверджена в експериментах і теоретичних роботах багатьох фізиків. В даний час реальність фотонів є дуже надійно доведеним чинником природи і не викликає жодних сумнівів у фахівців. Таким чином, дослідження електромагнітного поля призвели до відкриття його дискретності, подільності на частки. У той же час і хвильові властивості поля нікуди не поділися - вони, як були встановлені набагато раніше у вигляді типово хвильових явищ інтерференції і дифракції, так і залишилися тепер вже як властивостей фотонів. Квантованность властива не тільки електромагнітного поля - вона поширюється на всі фізичні поля. (1). Кванти фундаментальних взаємодій є частки з сіткових спіном - Бозо - і називаються відповідно глюони (сильна взаємодія), векторні бозони (слабке), фотони (електромагнітне) і Гравітон (гравітаційне). Всі ці частки мають не тільки типовими для частинок властивостями, але і хвильовими. Всі вони є дуальними, подвійними. Дещо пізніше була встановлена дуальність і тих матеріальних утворень, які традиційно належали до микрочастицам. Перш за все, це були електрони, а потім і інші частки - протони, нейтрони та ін У 1924 р . Французький фізик Луї де Броіль під тиском знову-таки невблаганних факторів висловив гіпотезу про те, що кожному тілу, який рухається з імпульсом p = mv, відповідає хвиля з довжиною = h \ p. Міркуванням, що призвів його до цієї гіпотези, була припущення їм аналогія між властивостями фотона і мікрочастинок. Імпульс фотона дорівнює p = h \ c = h \, звідки = h \ p. Якщо мікрочастинка має властивості хвилі з довжиною, то ці властивості можна спостерігати у вигляді звичайних інтерференції і дифракції. У 1927 р . Американські фізики Девіссон і Джермер, а також незалежно від них англієць Томсон отримав дифракційні картини при розсіянні електронів поверхнях металів і тонкої металевої фольги. Експериментально було доведено, що електрони мають хвильові властивості. Розрахована з дифракційної картини довжина хвилі електрона виявилася такою самою, як це випливало з формули де Бройля. Те ж саме було отримано і для інших мікрочастинок: протонів, нейтронів, атомів і малих молекул.
Тим самим була встановлена універсальність корпускулярно-хвильового дуалізму для обох форм матерії - і для речовини, і для поля. В даний час дифракція мікрочастинок - Електронографія і Нейтронографія - широко використовується для встановлення і аналізу кристалічної структури твердих тіл і матеріалів.
3. Вакуум - третя форма матерії
Зазвичай вакуум представляється як порожнеча, то, що залишається після того, як прибрати всі частинки і кванти полів. Однак у мікросвіті. Насправді все не так просто. Згідно співвідношенню невизначеностей E th за короткий час th \ E може відбуватися народження і анігіляція пари частинка-античастинка із загальною масою m = E \ c. Цей процес є віртуальним і відбувається за рахунок невизначеності енергії на мікровременах. Віртуальні частки весь час виникають і зникають у вакуумі, так і не проявляючись як реальні частки і перебуваючи за межами можливостей макроскопічного спостереження з його також макроскопічними приладами. Слово "може" тут не повинно особливо бентежити нікого в тому сенсі, що "може - так, а може - ні". У силу нескінченних властивостей і пов'язаних з цим нескінченних можливостей природи в ній відбувається все, що не заборонено її законами або принципами. Значить, і безперервне народження і анігіляція віртуальних частинок обов'язково будуть відбуватися в щільному відповідно до принципу невизначеності. І замість альтернативи "так - ні" залишається тверде "так". Відомий астрофізик І.Д. Новиков назвав цей стан "кипінням" вакууму, яке залишається в порожнечі при видаленні всіх реальних частинок і квантів, фізичних полів. Видалити або будь - яким способом припинити це кипіння неможливо. Ці віртуальні процеси, або квантові флуктуації вакууму, просто зобов'язані відбуватися внаслідок того, що принцип невизначеності відкриває можливості для їх здійснення. Звичайно, можливості відкриває не сам принцип - вони кореняться в особливостях структури матерії на мікрорівні - принцип лише описує, виявляє ці особливості і можливості. "Киплячий" вакуум - це найнижчі можливе енергетичний стан всіх полів.
Як не дивним може здатися, але, незважаючи на всю його віртуальність, "кипіння" вакууму можна спостерігати. Щоправда, не прямо, а лише за непрямими ознаками, але, тим не менш, цілком виразно. Існують дві такі можливості. По-перше, віртуальні частинки можуть взаємодіяти з частинками, що переносять взаємодій, що обов'язково позначиться на характеристиках взаємодії: в першу чергу, зміниться енергія взаємодії. По-друге, досить сильне електромагнітне поле може розтягнути виникли у вакуумі віртуальні частки (наприклад, електрон і позитрон) у різні сторони, повідомляючи їм реальну енергію, не дозволяючи злитися і перетворюючи їх тим самим у реальні частки. І вперше, і другі процеси спостерігаються.
Як завжди в науці, рішення одних питань викликає появу нових. Так само сталося і з киплячим вакуумом. Якщо віртуальні частинки з чимось взаємодіють, то цьому взаємодії повинна відповідати якась щільність енергії, а, отже, повинна з'явитися і деяка щільність маси, p = E \ c. У такому випадку рух будь-якого тіла у вакуумі має супроводжуватися появою вакуумного, або "ефірного" вітру, тобто потоку маси, що набігає на рухоме тіло. Ні в яких дослідах подібний вітер виявлений не був. Оскільки всі викладені досі властивості вакууму, за винятком "вітру", узгоджуються з дійсністю і підтверджуються в експериментах, то слід і цей факт ввести в схему вакууму так, щоб він теж укладався в неї без протиріч. Це зажадало приписати вакууму досить незвичайні властивості. У ньому разом із щільністю енергії з'являється натягу, подібні натягу, які виникають у твердому тілі при розтягуванні. Ці натягу еквівалентні негативному тиску - Р. У звичайних середовищах тиск і натягу становлять малу частку повної щільності енергії (що включає масу спокою). У вакуумі негативний тиск за абсолютною величиною одно щільності енергії:-Р = Е. Тому коли спостерігати починає рухатися, на нього буде набігати потік енергії, пов'язаний з щільністю енергії Е, і, крім того, потік енергії, пов'язаний з негативним тиском-Р. Ці потоки відрізняються за знаком і тому точно компенсують один одного. У результаті ніякого вітру не буде. (1).
По суті, вакуум являє собою третю, приховану форму матерії, яка у звичайних умовах малих енергій ніяк себе не проявляє, тому що не взаємодіє ні з полями, ні з речовиною. Бачити або відчувати будь-якої матеріальний об'єкт - значить взаємодіяти з ним шляхом обміну полями (наприклад, світлом, як при баченні) або речовиною (як при відчуттях, заснованих на хімічних реакціях, наприклад, нюх). Людина як речовинно-польова структура, не взаємодіє з вакуумом, не відчуває його і сприймає його як порожнечу, на тлі якої існує сама людина і весь навколишній матеріальний, а точніше, - речовинно-польовий світ. Це ж відноситься і до інших об'єктів нашого світу. Для всіх них звичайні енергії взаємодій занадто незначні для того, щоб у них розкрилася матеріальність вакууму. Він залишається річчю в собі, закритим для нашого проникнення, нічого не містить, порожнім. Однак у тих випадках, коли в малому обсязі зосереджується велика енергія, тобто коли щільність енергії ставати достатньою, з цього "нічого" раптом починають з'являтися частки разом зі своїми античастинками - відбувається реакція народження пар. Цей процес йде як у природі, так і в спеціальних установках, призначених для отримання високих концентрації енергії і службовців людині для випромінювання властивостей елементарних частинок і їхніх перетворень.
Висновок
У свій час ніхто не сумнівався в тому, що вакуум - це просто «ніщо», простір, повністю позбавлене будь-якої матерії. Своєрідна арена, на якій розігруються все що відбуваються в природі речові процеси.
Але цим, на перший погляд таким природним, самим собою зрозумілим уявленням судилося з часом зазнати дуже серйозні зміни. Спершу з'ясувалося, що повної порожнечі в природі не існує. Її немає навіть там, де зовсім відсутня хоч би то не було речовина. Будь-яка область простору завжди заповнена якщо і не речовиною, то будь-якими іншими видами матерії - різними випромінюваннями і полями (наприклад, магнітними або полями тяжіння).
Але навіть з такою поправкою простір все ще залишалося просто гігантським вмістилищем, що містить незліченну кількість матеріальних об'єктів.
Однак незабаром з'ясувалися ще більш вражаючі речі. Уявіть собі на хвилину, що нам якимось чином вдалося абсолютно спустошити деяку область простору. Вигнати з неї всі частинки, випромінювання та поля. Так от, навіть у цьому випадку все одно залишилося б «щось». Певний запас енергії, який у вакууму не можна відібрати ніякими способами.
Виявилися і зовсім «крамольні» факти. Виявилося, що вакуум здатний народжувати елементарні частинки, народжувати речовину ...
Мало того: з самим вакуумом можуть відбуватися різні фізичні перетворення: він здатний взаємодіяти з чим-то й навіть сам з собою.
Список використаної літератури
1. Зинь В.І. Концепції Сучасного природознавства. Фізика. Самара, СамГТУ, 2000
вищої професійної освіти
"Санкт - Петербурзький Гуманітарний університет профспілок"
Самарський філія
Факультет: економічний
Заочне відділення
Спеціальність 060800 Економіка і управління на підприємстві
Контрольна робота
Дисципліна: Концепції сучасного природознавства
Тема: № 8 Віртуальні процеси. Віртуальний матеріальний світ.
Вакуум як третя форма матерії
Виконала:
Студентка групи IV-Е-05
Багдасарян Марина
Перевірив:
Зинь В.І.
Самара
2008 рік.
Зміст
Введення
1. Віртуальні процеси
2. Матерія. Частинки і поля. Корпускулярно-Воловий дуалізм матерії
3. Вакуум - третя форма матерії
Висновок
Список використаної літератури
Введення
Існують два види матерії - речовина і поле. Взагалі кажучи, є не два, а три види матерії - речовина, поле і вакуум. Але якщо брати тільки наш матеріальний світ, то в ньому існує лише два види - речовина і поле. У вакуумі ж зосереджений "не наш" світ або навіть безліч світів, яких ми не бачимо і не відчуваємо.
Поле - це, навпаки, розріджена, легка форма матерії, вона характеризується малою концентрацією маси і відсутністю чітких меж. Поля можуть накладатися один на одного, займати одне і те ж місце в просторі. Цей вид матерії є безперервним, і цим він істотно відрізняється від речовини. Функцією полів в матеріальному світі зазвичай зводяться до передачі взаємодій між частинками або тілами. У нашому світі існує всього чотири види фундаментальних взаємодій - сильне, слабке, електромагнітне і гравітаційне. Відповідно є і чотири фундаментальних поля. Фізичні поля поширюються у вигляді хвиль. Тому можна вважати, що структура поля - хвильова. У цьому значенні поняття "поле" і "хвиля" ідентичні один одному.
У силу нескінченних властивостей і пов'язаних з цим нескінченних можливостей природи в ній відбувається все, що не заборонено її законами або принципами. Значить, і безперервне народження і анігіляція віртуальних частинок обов'язково будуть відбуватися в щільному відповідно до принципу невизначеності. І замість альтернативи "так - ні" залишається тверде "так". Відомий астрофізик І.Д. Новиков назвав цей стан "кипінням" вакууму, яке залишається в порожнечі при видаленні всіх реальних частинок і квантів, фізичних полів. Видалити або будь - яким способом припинити це кипіння неможливо. Ці віртуальні процеси, або квантові флуктуації вакууму, просто зобов'язані відбуватися внаслідок того, що принцип невизначеності відкриває можливості для їх здійснення. Звичайно, можливості відкриває не сам принцип - вони кореняться в особливостях структури матерії на мікрорівні - принцип лише описує, виявляє ці особливості і можливості. "Киплячий" вакуум - це найнижчі можливе енергетичний стан всіх полів.
1. Віртуальні процеси
Процеси, що йдуть в природі, з енергетичної точки зору поділяються на два протилежних класу - з виділенням енергії і з її поглинанням. Перші здійснюються легко, самі собою, в результаті їх проходження матеріальна система переходить в більш низьке енергетичний стан, що відрізняється більшою стійкістю. Наприклад, такі хімічні реакції, що йдуть з виділенням енергії у вигляді тепла. Вони називаються екзотермічними. Енергія може виділятися не обов'язково в тепловій формі - це може бути і світлове випромінювання, і механічна робота, як при падінні тіла. Коли форма енергії, що виділяється не визначена, то реакція називається екзоергіческой. У всіх випадках слово "екзо" означає "виділення зовні" або тепла, або взагалі енергії. Процеси, що вимагають для світлового здійснення витрат енергії, називаються ендоергіческімі, а якщо ці витрати виробляються в тепловій формі, шляхом підігріву, то ендотермічними. Слово "ендо" означає "поглинання всередину". В якості прикладів таких процесів згадаємо підняття вантажу на певну висоту, плавлення льоду, кипіння води. У результаті ендоергіческіх процесів система переходить в стан з більшою енергією. Перебіг ендоергіческіх процесів можливе тільки під впливом інших тіл або систем, які повідомляють необхідну енергію. Так як енергія мікрочастинки є величиною не цілком визначеною, то і в поведінці мікрочастинки можливо своєрідність, ніколи не зустрічається і просто неможливе в макросвіті. Перш за все, закон збереження енергії, непорушний і один з найбільш фундаментальних в макросвіті, для мікрочастинок виявляється необов'язковим. Справді, про який збереженні можна вести мову, якщо сама величина енергії невизначена.
З невизначеністю енергії при малих проміжках часу пов'язані так звані віртуальні процеси. Це оборотні процеси, що проходять в прямому і зворотному напрямках за час, менший h \ E, де E - енергія, необхідна для здійснення даного процесу або, принаймні, його ендоергіческой стадії, яка завжди присутня - або "туди", або "назад ". Так як ці процеси, по-перше, за один цикл "туди-назад" не змінюють стан системи, а по-друге, відбуваються "всередині" співвідношення невизначеностей, тобто без будь-яких витрат енергії, то вони макроскопічно ненаблюдаемость. Однак за таким механізмом здійснюються всі фундаментальні взаємодії. Віртуальними процесами в цьому випадку є процеси випущення кванта взаємодії, прольоту його від однієї взаємодіючої частинки до іншої, поглинання, потім знову випущення, проліт у зворотному напрямку і поглинання. Все-це відбувається за час th \ E. (1).
2. Матерія. Частинки і поля. Корпускулярно-Воловий дуалізм матерії
Матерія - це сутність світу, те спільне, що входить до складу всіх об'єктів природи. Матерія ніколи не проявляється як така, а завжди тільки у вигляді конкретних тіл, що мають певну форму, розміри і тривалість життя. Будь-яке тіло містить певну кількість матерії, яке характеризується його масою. Маса є міра кількості матерії, вимірюється в кілограмах.
Існують два види матерії - речовина і поле. Взагалі кажучи, є не два, а три види матерії - речовина, поле і вакуум. Але якщо брати тільки наш матеріальний світ, то в ньому існує лише два види - речовина і поле. У вакуумі ж зосереджений "не наш" світ або навіть безліч світів, яких ми не бачимо і не відчуваємо. Більш докладно про це мова попереду. Зараз розглянемо лише наш світ, в якому матерія постає лише у двох формах - речовини і поля. Вони протилежні один одному в тому сенсі, що є носіями протилежних основних властивостей.
Речовина має великою концентрацією маси, тобто щільністю, складається з частинок і в принципі завжди може бути розділене на складові частинки. Такий тиск не нескінченно. Існують самі дрібні частинки, які складаються з самих себе і вже не можуть бути розділені на менші. Ці найдрібніші частинки речовини називаються елементарними частинками. Кожна частка займає чітко обмежений обсяг простору, в який не можуть проникнути інші частинки. Таким чином, речовина - це безперервно, або дискретна форма матерії. Можна отримати деяке уявлення про щільність речовини як форми матерії, взявши в якості представника речовини будь-яку з елементарних частинок, наприклад, протон. Він має масу близько 1.7 * 10 кг, а розмір порядку
Поле - це, навпаки, розріджена, легка форма матерії, вона характеризується малою концентрацією маси і відсутністю чітких меж. Поля можуть накладатися один на одного, займати одне і те ж місце в просторі. Цей вид матерії є безперервним, і цим він істотно відрізняється від речовини. Функцією полів в матеріальному світі зазвичай зводяться до передачі взаємодій між частинками або тілами. У нашому світі існує всього чотири види фундаментальних взаємодій - сильне, слабке, електромагнітне і гравітаційне. Відповідно є і чотири фундаментальних поля. Фізичні поля поширюються у вигляді хвиль. Тому можна вважати, що структура поля - хвильова. У цьому значенні поняття "поле" і "хвиля" ідентичні один одному.
Слід зауважити, що наявність у речовини і поля абсолютно протилежних властивостей є ідеалізацією. Частинки і поля протилежні одна одній, головним чином, в людській свідомості, яке завжди схильне класифікувати будь-які досліджувані об'єкти за спостережуваними ознаками, а так як будь-які реальні об'єкти мають безліч різних ознак або властивостей, то класифікація зазвичай проводиться за домінуючим або, ще краще, за одному домінуючому ознакою. При подібній класифікації частки лише дискретні, поля тільки безперервні. По суті справи, класифікація сама створює ідеалізовані образи природних матеріальних об'єктів - ідеальні частки і ідеальні поля, які саме в силу своєї идеализированностью не цілком адекватні реальним об'єктом, що має завжди не одне, а багато різних властивостей. У тому числі і реальні частки не тільки дискретні, але і безперервні, причому, ця безперервність носить не внутрішній, що було б не дивно, а зовнішній характер, який проявляється при взаємодії з іншими частками і тілами. Точно так само реальні поля не тільки неперервні, але виявляють ознаки дискретності, квантованности. Значить, матерія, незалежно від виду, у своєму фундаменті, тобто на рівні елементарних частинок і фундаментальних полів, є подвійною, їй в рівній мірі притаманні властивості і безперервності, і дискретності. Це положення отримало назву "корпускулярно-хвильовий дуалізм матерії".
Історично до розуміння двоїстої корпускулярно-хвильовий сутності мікрочастинок вчені прийшли з двох сторін. Спочатку в
На початку ХХ ст. Не було ніяких обгрунтувань справедливості гіпотези Планка, єдиною причиною і обгрунтуванням введення уявлень про квантовий (дискретному) характер випромінювання і поглинання світла тілами було те, що тільки це давало можливість правильно розрахувати спектр теплового випромінювання твердих тіл. Без цієї гіпотези розрахунки, проведені за всіма правилами класичної фізики і математики, давали абсолютно неправильні результати, принципово розходяться з експериментом (рис.2). Тому М. Планк обережно назвав свою пропозицію всього лише "робочою гіпотезою". Проте вже в
Тим самим була встановлена універсальність корпускулярно-хвильового дуалізму для обох форм матерії - і для речовини, і для поля. В даний час дифракція мікрочастинок - Електронографія і Нейтронографія - широко використовується для встановлення і аналізу кристалічної структури твердих тіл і матеріалів.
3. Вакуум - третя форма матерії
Зазвичай вакуум представляється як порожнеча, то, що залишається після того, як прибрати всі частинки і кванти полів. Однак у мікросвіті. Насправді все не так просто. Згідно співвідношенню невизначеностей E th за короткий час th \ E може відбуватися народження і анігіляція пари частинка-античастинка із загальною масою m = E \ c. Цей процес є віртуальним і відбувається за рахунок невизначеності енергії на мікровременах. Віртуальні частки весь час виникають і зникають у вакуумі, так і не проявляючись як реальні частки і перебуваючи за межами можливостей макроскопічного спостереження з його також макроскопічними приладами. Слово "може" тут не повинно особливо бентежити нікого в тому сенсі, що "може - так, а може - ні". У силу нескінченних властивостей і пов'язаних з цим нескінченних можливостей природи в ній відбувається все, що не заборонено її законами або принципами. Значить, і безперервне народження і анігіляція віртуальних частинок обов'язково будуть відбуватися в щільному відповідно до принципу невизначеності. І замість альтернативи "так - ні" залишається тверде "так". Відомий астрофізик І.Д. Новиков назвав цей стан "кипінням" вакууму, яке залишається в порожнечі при видаленні всіх реальних частинок і квантів, фізичних полів. Видалити або будь - яким способом припинити це кипіння неможливо. Ці віртуальні процеси, або квантові флуктуації вакууму, просто зобов'язані відбуватися внаслідок того, що принцип невизначеності відкриває можливості для їх здійснення. Звичайно, можливості відкриває не сам принцип - вони кореняться в особливостях структури матерії на мікрорівні - принцип лише описує, виявляє ці особливості і можливості. "Киплячий" вакуум - це найнижчі можливе енергетичний стан всіх полів.
Як не дивним може здатися, але, незважаючи на всю його віртуальність, "кипіння" вакууму можна спостерігати. Щоправда, не прямо, а лише за непрямими ознаками, але, тим не менш, цілком виразно. Існують дві такі можливості. По-перше, віртуальні частинки можуть взаємодіяти з частинками, що переносять взаємодій, що обов'язково позначиться на характеристиках взаємодії: в першу чергу, зміниться енергія взаємодії. По-друге, досить сильне електромагнітне поле може розтягнути виникли у вакуумі віртуальні частки (наприклад, електрон і позитрон) у різні сторони, повідомляючи їм реальну енергію, не дозволяючи злитися і перетворюючи їх тим самим у реальні частки. І вперше, і другі процеси спостерігаються.
Як завжди в науці, рішення одних питань викликає появу нових. Так само сталося і з киплячим вакуумом. Якщо віртуальні частинки з чимось взаємодіють, то цьому взаємодії повинна відповідати якась щільність енергії, а, отже, повинна з'явитися і деяка щільність маси, p = E \ c. У такому випадку рух будь-якого тіла у вакуумі має супроводжуватися появою вакуумного, або "ефірного" вітру, тобто потоку маси, що набігає на рухоме тіло. Ні в яких дослідах подібний вітер виявлений не був. Оскільки всі викладені досі властивості вакууму, за винятком "вітру", узгоджуються з дійсністю і підтверджуються в експериментах, то слід і цей факт ввести в схему вакууму так, щоб він теж укладався в неї без протиріч. Це зажадало приписати вакууму досить незвичайні властивості. У ньому разом із щільністю енергії з'являється натягу, подібні натягу, які виникають у твердому тілі при розтягуванні. Ці натягу еквівалентні негативному тиску - Р. У звичайних середовищах тиск і натягу становлять малу частку повної щільності енергії (що включає масу спокою). У вакуумі негативний тиск за абсолютною величиною одно щільності енергії:-Р = Е. Тому коли спостерігати починає рухатися, на нього буде набігати потік енергії, пов'язаний з щільністю енергії Е, і, крім того, потік енергії, пов'язаний з негативним тиском-Р. Ці потоки відрізняються за знаком і тому точно компенсують один одного. У результаті ніякого вітру не буде. (1).
По суті, вакуум являє собою третю, приховану форму матерії, яка у звичайних умовах малих енергій ніяк себе не проявляє, тому що не взаємодіє ні з полями, ні з речовиною. Бачити або відчувати будь-якої матеріальний об'єкт - значить взаємодіяти з ним шляхом обміну полями (наприклад, світлом, як при баченні) або речовиною (як при відчуттях, заснованих на хімічних реакціях, наприклад, нюх). Людина як речовинно-польова структура, не взаємодіє з вакуумом, не відчуває його і сприймає його як порожнечу, на тлі якої існує сама людина і весь навколишній матеріальний, а точніше, - речовинно-польовий світ. Це ж відноситься і до інших об'єктів нашого світу. Для всіх них звичайні енергії взаємодій занадто незначні для того, щоб у них розкрилася матеріальність вакууму. Він залишається річчю в собі, закритим для нашого проникнення, нічого не містить, порожнім. Однак у тих випадках, коли в малому обсязі зосереджується велика енергія, тобто коли щільність енергії ставати достатньою, з цього "нічого" раптом починають з'являтися частки разом зі своїми античастинками - відбувається реакція народження пар. Цей процес йде як у природі, так і в спеціальних установках, призначених для отримання високих концентрації енергії і службовців людині для випромінювання властивостей елементарних частинок і їхніх перетворень.
Висновок
У свій час ніхто не сумнівався в тому, що вакуум - це просто «ніщо», простір, повністю позбавлене будь-якої матерії. Своєрідна арена, на якій розігруються все що відбуваються в природі речові процеси.
Але цим, на перший погляд таким природним, самим собою зрозумілим уявленням судилося з часом зазнати дуже серйозні зміни. Спершу з'ясувалося, що повної порожнечі в природі не існує. Її немає навіть там, де зовсім відсутня хоч би то не було речовина. Будь-яка область простору завжди заповнена якщо і не речовиною, то будь-якими іншими видами матерії - різними випромінюваннями і полями (наприклад, магнітними або полями тяжіння).
Але навіть з такою поправкою простір все ще залишалося просто гігантським вмістилищем, що містить незліченну кількість матеріальних об'єктів.
Однак незабаром з'ясувалися ще більш вражаючі речі. Уявіть собі на хвилину, що нам якимось чином вдалося абсолютно спустошити деяку область простору. Вигнати з неї всі частинки, випромінювання та поля. Так от, навіть у цьому випадку все одно залишилося б «щось». Певний запас енергії, який у вакууму не можна відібрати ніякими способами.
Виявилися і зовсім «крамольні» факти. Виявилося, що вакуум здатний народжувати елементарні частинки, народжувати речовину ...
Мало того: з самим вакуумом можуть відбуватися різні фізичні перетворення: він здатний взаємодіяти з чим-то й навіть сам з собою.
Список використаної літератури
1. Зинь В.І. Концепції Сучасного природознавства. Фізика. Самара, СамГТУ, 2000