Негосударственноеобщегосударственное учреждение
высшегопрофессионального образования
“Санкт –Петербургский Гуманитарный университет профсоюзов”
Самарскийфилиал
Факультет:экономический
Заочноеотделение
Специальность060800 Экономика и управление на предприятии
Контрольнаяработа
Дисциплина:Концепции современного естествознания
Тема:№8Виртуальные процессы. Виртуальный материальный мир.
Вакуум кактретья форма материи
Выполнила:
Студенткагруппы IV-Э-05
БагдасарянМарина
Проверил:
Зынь В.И.
Самара
2008 год.
Содержание
Введение
1. Виртуальныепроцессы
2. Материя.Частицы и поля. Корпускулярно-воловой дуализм материи
3. Вакуум –третья форма материи
Заключение
Список использованной литературы
Введение
Существуют два видаматерии – 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 нёмсуществует 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 концентрациеймассы и отсутствием чётких границ. Поля могут накладываться друг на друга,занимать одно и то же место в пространстве. Этот вид материи являетсянепрерывным, и этим он существенно отличается от вещества. Функцией полей вматериальном мире обычно сводятся к передаче взаимодействий между частицами илителами. В нашем мире существует всего четыре вида фундаментальныхвзаимодействий – сильное, слабое, электромагнитное и гравитационное.Соответственно имеются и четыре фундаментальных поля. Физические поляраспространяются в виде волн. Поэтому можно считать, что структура поля –волновая. В этом смысле понятия “поле” и “волна” идентичны друг другу.
В силу бесконечныхсвойств и связанных с этим бесконечных возможностей природы в ней происходитвсё, что не запрещено её законами или принципами. Значит, и непрерывноерождение и аннигиляция виртуальных частиц обязательно будут происходить вплотном соответствии с принципом неопределённости. И вместо альтернативы “да –нет” остаётся твёрдое “да”. Известный астрофизик И.Д. Новиков назвал этосостояние “кипением” вакуума, которое остаётся в пустоте при удалении всехреальных частиц и квантов, физических полей. Удалить или каким – либо способомпрекратить это кипение невозможно. Эти виртуальные процессы, или квантовыефлуктуации вакуума, просто обязаны происходить вследствие того, что принципнеопределённости открывает возможности для их осуществления. Конечно,возможности открывает не сам принцип – они коренятся в особенностях структурыматерии на микроуровне – принцип лишь описывает, выявляет эти особенности ивозможности. “Кипящий” вакуум – это наинизшее возможное энергетическое состояниевсех полей.
1. Виртуальныепроцессы
Процессы, идущие вприроде, с энергетической точки зрения подразделяются на два противоположныхкласса – с выделением энергии и с её поглощением. Первые осуществляются легко,сами собой, в результате их прохождения материальная система переходит в болеенизкое энергетическое состояние, отличающееся большей устойчивостью. Например,таковы химические реакции, идущие с выделением энергии в виде тепла. Ониназываются экзотермическими. Энергия может выделяться не обязательно в тепловойформе – это может быть и световое излучение, и механическая работа, как припадении тела. Когда форма выделяющейся энергии не определена, то реакцияназывается экзоэргической. Во всех случаях слово “экзо” означает “выделениевовне” либо тепла, либо вообще энергии. Процессы, требующие для световогоосуществления затрат энергии, называются эндоэргическими, а если эти затратыпроизводятся в тепловой форме, путём подогрева, то эндотермическими. Слово “эндо”означает “поглощение внутрь”. В качестве примеров таких процессов вспомнимподнятие груза на некоторую высоту, плавление льда, кипение воды. В результатеэндоэргических процессов система переходит в состояние с большей энергией.Протекание эндоэргических процессов возможно только под влиянием других тел илисистем, сообщающих необходимую энергию. Так как энергия микрочастицы являетсявеличиной не вполне определённой, то и в поведении микрочастицы возможносвоеобразие, никогда не встречающееся и просто невозможное в макромире. Преждевсего, закон сохранения энергии, незыблемый и один из наиболее фундаментальныхв макромире, для микрочастиц оказывается необязательным. В самом деле, о какомсохранении можно вести речь, если сама величина энергии неопределенна.
С неопределённостьюэнергии при малых промежутках времени связаны так называемые виртуальныепроцессы. Это обратимые процессы, проходящие в прямом и обратном направленияхза время, меньшее h\ E, где E – энергия, необходимая для осуществления данного процессаили, 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 онимакроскопически ненаблюдаемы. Однако по такому механизму осуществляются всефундаментальные взаимодействия. Виртуальными процессами в этом случае являютсяпроцессы испускания кванта взаимодействия, пролёта его от однойвзаимодействующей частицы до другой, поглощение, затем снова испускание, пролётв обратном направлении и поглощение. Всё- это происходит за время t h\ E. (1).
2. Материя.Частицы и поля. Корпускулярно-воловой дуализм материи
Материя – это сущность мира, то общее, чтовходит в состав всех объектов природы. Материя никогда не проявляется кактакова, а всегда только в виде конкретных тел, имеющих определённую форму, размерыи длительность жизни. Любое тело содержит определённое количество материи,которое характеризуется его массой. Масса есть мера количества материи,измеряется в килограммах.
Существуют два видаматерии – 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 нёмсуществует 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 подробнооб этом речь впереди. Сейчас рассмотрим лишь наш мир, в котором материяпредстаёт лишь в двух формах – вещества и поля. Они противоположны друг другу втом смысле, что являются носителями противоположных основных свойств.
Вещество обладает большойконцентрацией массы, т.е. плотностью, состоит из частиц и в принципе всегдаможет быть разделено на составляющие частицы. Такое давление не бесконечно.Существуют самые мелкие частицы, которые состоят из самых себя и уже не могутбыть разделены на более малые. Эти мельчайшие частицы вещества называютсяэлементарными частицами. Каждая частица занимает чётко ограниченный объёмпространства, в который не могут проникнуть другие частицы. Таким образом,вещество – это прерывная, или дискретная форма материи. Можно получитьнекоторое представление о плотности вещества как формы материи, взяв в качествепредставителя вещества какую-либо из элементарных частиц, например, протон. Онимеет 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 плотностьмы получим и для электрона. Столь гигантские плотности мы никогда не наблюдаемв обычном веществе. Структура макровещества такова, что основной объёмприходится на пустоту (рис.1), а частицы – ядро и электроны – занимаютничтожный объём. Таким образом, макроскопическая плотность вещества, а этопорядка граммов в кубическом сантиметре, объясняется тем, что масса ядра (впростейшем случае протона) распределяется не на объём самого ядра, а на весьобъём атома, который в 10 раз больше.
Поле – это, наоборот,разреженная, лёгкая форма материи, она характеризуется малой концентрациеймассы и отсутствием чётких границ. Поля могут накладываться друг на друга,занимать одно и то же место в пространстве. Этот вид материи являетсянепрерывным, и этим он существенно отличается от вещества. Функцией полей вматериальном мире обычно сводятся к передаче взаимодействий между частицами илителами. В нашем мире существует всего четыре вида фундаментальныхвзаимодействий – сильное, слабое, электромагнитное и гравитационное.Соответственно имеются и четыре фундаментальных поля. Физические поляраспространяются в виде волн. Поэтому можно считать, что структура поля –волновая. В этом смысле понятия “поле” и “волна” идентичны друг другу.
Следует заметить, чтоналичие у вещества и поля абсолютно противоположных свойств являетсяидеализацией. Частицы и поля противоположны друг другу, главным образом, вчеловеческом сознании, которое всегда склонно классифицировать любые изучаемыеобъекты по наблюдаемым признакам, а так как любые реальные объекты имеютмножество разных признаков или свойств, то классификация обычно проводится подоминирующим или, еще лучше, по одному доминирующему признаку. При подобнойклассификации частицы только дискретны, поля только непрерывны. По сути дела,классификация сама создаёт идеализированные образы естественных материальныхобъектов – идеальные частицы и идеальные поля, которые именно в силу своейидеализированности не вполне адекватны реальным объектам, имеющим всегда неодно, а много различных свойств. В том числе и реальные частицы не толькодискретны, но и непрерывны, причём, эта непрерывность носит не внутренний, чтобыло бы не удивительно, а внешний характер, который проявляется привзаимодействии с другими частицами и телами. Точно так же реальные поля нетолько непрерывны, но обнаруживают признаки дискретности, квантованности.Значит, материя, независимо от вида, в своём фундаменте, т.е. на уровнеэлементарных частиц и фундаментальных полей, является двойственной, ей в равноймере присущи свойства и непрерывности, и дискретности. Это положение получилоназвание “корпускулярно-волновой дуализм материи”.
Исторически к пониманиюдвойственной корпускулярно-волновой сущности микрочастиц учёные пришли с двухсторон. Сначала в 1900 г. Немецкий физик Макс Планк, для того чтобытеоретически рассчитать спектр теплового излучения, в качестве “рабочейгипотезы” предложил, что электромагнитные волны (свет) поглощаются ииспускаются нагретыми телами не непрерывно, а порциями – квантами. Величинакванта такова, что его действие кратко некой постоянной величине h=6,62*10 Дж с. Действием называетсямеханическая величина, равная произведению импульса тела на его путь илипроизведению энергии тела на время движения: L = p*l = E*t, или, еслиимпульс и энергия переменны, то L = p*dx = E*dt. Постоянную Планка h иногда называют квантом действия.
В начале ХХ в. Не былоникаких обоснований справедливости гипотезы Планка, единственной причиной иобоснованием введения представлений о квантовом (дискретном) характереизлучения и поглощения света телами было то, что только это давало возможностьправильно рассчитать спектр теплового излучения твёрдых тел. Без этой гипотезырасчёты, проведённые по всем правилам классической физики и математики, давалисовершенно неверные результаты, принципиально расходящиеся с экспериментом(рис.2). Поэтому М.Планк осторожно назвал своё предложение всего лишь “рабочейгипотезой”. Однако уже в 1905 г. Альберт Эйнштейн, основываясь на гипотезеПланка и ведя представление о квантовой (фотонной) структуре света, создалтеорию фотоэффекта, которая впервые сумела объяснить все его основныезакономерности. Эйнштейн сделал следующий важный шаг в развитии квантовойфизики: 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 следующимимеханическими характеристиками: энергией E = h , - частота света; импульсом p = h \c и массой m = h \c. Стало ясно, что фотоны – не просто рабочая гипотеза, а вполнеет реальные частицы света. Впоследствии дискретность структуры света быламногократно подтверждена в экспериментах и теоретических работах многихфизиков. В настоящее время реальность фотонов является очень надёжно доказаннымфактором 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 явленийинтерференции и дифракции, так и остались теперь уже в качестве свойствфотонов. Квантованность присуща не только электромагнитному полю – онараспространяется на все физические поля. (1). Кванты фундаментальныхвзаимодействий представляют собой частицы с сётным спином – бозоы – иназываются соответственно глюоны (сильное взаимодействие), векторные бозоны(слабое), фотоны (электромагнитное) и гравитоны (гравитационное). Все этичастицы обладают не только типичными для частиц свойствами, но и волновыми. Всеони являются дуальными, двойственными. Несколько позднее была установленадуальность и тех материальных образований, которые традиционно относились кмикрочастицам. Прежде всего, это были электроны, а затем и другие частицы –протоны, нейтроны и пр. В 1924 г. Французский физик Луи де Броиль под давлениемопять-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, былапредположенная им аналогия между свойствами фотона и микрочастиц. Импульсфотона равен p = h \ c = h \ , откуда = h \ p. Если микрочастица обладает свойствами волны с длиной , тоэти свойства можно наблюдать в виде обычных интерференции и дифракции. В 1927 г. Американские физики Дэвиссон и Джермер, а также независимо от них англичанин Томсон получилдифракционные картины при рассеянии электронов поверхностям металлов и тонкимиметаллическими фольгами. Экспериментально было доказано, что электроны имеютволновые свойства. Рассчитанная из дифракционной картины длина волны электронаоказалась точно такой же, как это следовало из формулы де Бройля. То же самоебыло получено и для других микрочастиц: протонов, нейтронов, атомов и малыхмолекул.
Тем самым былаустановлена универсальность корпускулярно-волнового дуализма для обеих формматерии – и для вещества, и для поля. В настоящее время дифракция микрочастиц –электронография и нейтронография – широко используется для установления ианализа кристаллической структуры твёрдых тел и материалов.
3. Вакуум– третья форма материи
Обычно вакуумпредставляется как пустота, то, что остаётся после того, как убрать все частицыи кванты полей. Однако в микромире. Дело обстоит не столь просто. Согласносоотношению неопределённостей E t h за короткое время t h \ E может происходить рождение ианнигиляция пары частица-античастица с общей массой m = E \ c. Этот процесс является виртуальными происходит за счёт неопределенности энергии на микровременах. Виртуальныечастицы всё время возникают и исчезают в вакууме, так и не проявляясь какреальные частицы и находясь за пределами возможностей макроскопическогонаблюдения с его также макроскопическими приборами. Слово “может” здесь недолжно особенно смущать никого в том смысле, что “может – да, а может – нет”. Всилу бесконечных свойств и связанных с этим бесконечных возможностей природы вней происходит всё, что не запрещено её законами или принципами. Значит, инепрерывное рождение и аннигиляция виртуальных частиц обязательно будутпроисходить в плотном соответствии с принципом неопределённости. И вместоальтернативы “да – нет” остаётся твёрдое “да”. Известный астрофизик И.Д.Новиков назвал это состояние “кипением” вакуума, которое остаётся в пустоте приудалении всех реальных частиц и квантов, физических полей. Удалить или каким –либо способом прекратить это кипение невозможно. Эти виртуальные процессы, иликвантовые флуктуации вакуума, просто обязаны происходить вследствие того, чтопринцип неопределённости открывает возможности для их осуществления. Конечно,возможности открывает не сам принцип – они коренятся в особенностях структурыматерии на микроуровне – принцип лишь описывает, выявляет эти особенности ивозможности. “Кипящий” вакуум – это наинизшее возможное энергетическоесостояние всех полей.
Как ни странным можетпоказаться, но, несмотря на всю его виртуальность, “кипение” вакуума можно наблюдать.Правда, не впрямую, а лишь по косвенным признакам, но, тем не менее, вполнеопределённо. Существуют две таких возможности. Во-первых, виртуальные частицымогут взаимодействовать с частицами- переносчиками взаимодействий, чтообязательно скажется на характеристиках взаимодействия: в первую очередь,изменится энергия взаимодействия. Во-вторых, достаточно сильноеэлектромагнитное поле может растащить возникшие в вакууме виртуальные частицы(например, электрон и позитрон) в разные стороны, сообщая им реальную энергию,не позволяя слиться и превращая их тем самым в реальные частицы. И впервые, ивторые процессы наблюдаются.
Как всегда в науке,решение одних вопросов вызывает появление новых. Так же произошло и с кипящимвакуумом. Если виртуальные частицы с чем-то взаимодействуют, то этомувзаимодействию должна соответствовать какая-то плотность энергии, а,следовательно, должна появиться и некоторая плотность массы, p = E \ c. Втаком случае движение любого тела в вакууме должно сопровождаться появлениемвакуумного, или “эфирного” ветра, т.е. потока массы, набегающего на движущеесятело. Ни в каких опытах подобный ветер обнаружен не был. Поскольку всеизложенные до сих пор свойства вакуума, за исключением “ветра”, согласуются сдействительностью и подтверждаются в экспериментах, то следует и этот фактввести в схему вакуума так, чтобы он тоже укладывался в неё без противоречий.Это потребовало приписать вакууму довольно необычные свойства. В нём вместе сплотностью энергии появляется натяжения, подобные натяжениям, возникающим втвёрдом теле при растяжении. Эти натяжения эквивалентны отрицательному давлению– Р. В обычных средах давление и натяжения составляют малую долю полнойплотности энергии (включающей массу покоя). В вакууме отрицательное давление поабсолютной величине равно плотности энергии: -Р = Е. Поэтому когда наблюдатьначинает двигаться, на него будет набегать поток энергии, связанный сплотностью энергии Е, и, кроме того, поток энергии, связанный с отрицательнымдавлением –Р. Эти потоки отличаются по знаку и поэтому точно компенсируют другдруга. В результате никакого ветра не будет. (1).
По существу, вакуумпредставляет собой третью, скрытую форму материи, которая в обычных условияхмалых энергий никак себя не проявляет, т.к. не взаимодействует ни с полями, нис веществом. Видеть или ощущать какой-либо материальный объект – значитвзаимодействовать с ним путём обмена полями (например, светом, как при видении)или веществом (как при ощущениях, основанных на химических реакциях, например,обонянии). Человек как вещественно-полевая структура, не взаимодействует свакуумом, не чувствует его и воспринимает его как пустоту, на фоне которойсуществует сам человек и весь окружающий его материальный, а точнее, — вещественно-полевой мир. Это же относится и к другим объектам нашего мира. Длявсех них обычные энергии взаимодействий слишком ничтожны для того, чтобы в нихвскрылась материальность вакуума. Он остаётся вещью в себе, закрытым для нашегопроникновения, ничего не содержащим, пустым. Однако в тех случаях, когда вмалом объёме сосредоточивается большая энергия, т.е. когда плотность энергиистановиться достаточной, из этого “ничего” вдруг начинают появляться частицывместе со своими античастицами – происходит реакция рождения пар. Этот процессидёт как в природе, так и в специальных установках, предназначенных дляполучения высоких концентрации энергии и служащих человеку для излучениясвойств элементарных частиц и их превращений.
Заключение
В свое время никто несомневался в том, что вакуум — это просто «ничто», пространство, полностьюлишенное какой-либо материи. Своеобразная арена, на которой разыгрываются всепроисходящие в природе вещественные процессы.
Но этим, на первый взглядтаким естественным, самим собой разумеющимся представлениям суждено было современем претерпеть весьма серьезные изменения. Сперва выяснилось, что полнойпустоты в природе не существует. Ее нет даже там, где совершенно отсутствуеткакое бы то ни было вещество. Любая область пространства всегда заполнена еслии не веществом, то какими-либо другими видами материи — различными излучениямии полями (например, магнитными или полями тяготения).
Но даже с такой поправкойпространство все еще оставалось просто гигантским вместилищем, содержащимбесчисленное количество материальных объектов.
Однако вскоре выяснилисьеще более поразительные вещи. Представьте себе на минуту, что нам каким-тообразом удалось совершенно опустошить некоторую область пространства. Изгнатьиз нее все частицы, излучения и поля. Так вот, даже в этом случае все равноосталось бы «нечто». Определенный запас энергии, который у вакуума нельзяотобрать никакими способами.
Обнаружились и вовсе«крамольные» факты. Оказалось, что вакуум способен рождать элементарныечастицы, рождать вещество…
Мало того: с самимвакуумом могут происходить различные физические превращения: он способенвзаимодействовать с чем-то и даже сам с собой.
Списокиспользуемой литературы
1. Зынь В.И.Концепции Современного естествознания. Физика. Самара, СамГТУ, 2000