Лекции по КСЕ

   34. Теория кварков.  Планковская длина.  Суперструны 

   Кварки  — это гипотетические материальные объекты, их экспериментальное наблюдение пока невозможно, однако теоретические положения кварковой гипотезы оказались плодотворными, а теория в целом эвристичной. Кварки представляют собой истинно элементарные частицы и поэтому бесструктурны. Главная особенность кварков — дробный заряд. Кварки различаются спином, ароматом и цветом. Аромат кварка-это его особая физическая характеристика. Для того чтобы учесть все известные адроны, необходимо было предположить существование шести видов кварков, различающихся ароматом: u (up — верхний), d (down — нижний), s (strange — странный), c (charm — очарование), b (beauty — прелесть) и t(top — верхний). Существует устойчивое мнение, что кварков не должно быть больше. Считается, что каждый кварк имеет один из трех возможных цветов, которые выбраны произвольно: красный, зеленый, синий. Цвет кварка, как и аромат, — условное название для определенной физической характеристики. Каждому кварку соответствует антикварк с противоположным цветом (антикрасный, антизеленый и антисиний). Кварки соединяются тройками, образуя барионы (нейтрон, протон), или парами, образуя мезоны. Антикварки, соединясь тройками, соответственно, образуют антибарионы. Мезон состоит из кварка и антикварка. Суммарный цвет объединившихся кварков или антикварков, независимо от того, объединены три кварка (барионы), три антикварка (антибарионы) или кварк и антикварк (мезоны), должен быть белым или бесцветным. Белый цвет дает сумма красного, зеленого, синего или красного — антикрасного, синего — антисинего и т.п. Кварки объединяются между собой благодаря сильному взаимодействию. Переносчиками сильного взаимодействия выступают глюоны, которые как бы «склеивают» кварки между собой. Глюоны также имеют цвета, но в отличие от кварков их цвета смешанные, например красный — антисиний и т.п., т.е. глюон состоит из цвета и антицвета. Испускание или поглощение глюона меняет цвет кварка, но сохраняет аромат. Известно восемь типов глюонов.  

35. Фундаментальные  физические взаимодействия 

   Все известные современной науке  силы сводятся к четырем типам  взаимодействий, которые называются фундаментальными: гравитационное, электромагнитное, слабое и сильное. Теория гравитации И. Ньютона, основу которой составляет закон всемирного тяготения, стала одной из составляющих классической механики. Закон всемирного тяготения гласит: между двумя телами существует сила притяжения, прямо пропорциональная произведению их масс и обратно пропорциональная квадрату расстояния между ними. Силы гравитации — это силы притяжения. Гравитационная сила действует на очень больших расстояниях, ее интенсивность с увеличением расстояния убывает, но не исчезает полностью. Считается, что переносчиком гравитационного взаимодействия является гипотетическая частица гравитон. Электромагнитное взаимодействие. Первой единой теорией электромагнитного поля выступила концепция Дж. Максвелла. Электромагнитные взаимодействия существуют только между заряженными частицами: электрическое поле — между двумя покоящимися заряженными частицами, магнитное — между двумя движущимися заряженными частицами. Электромагнитные силы могут быть как силами притяжения, так и силами отталкивания. Одноименно заряженные частицы отталкиваются, разноименно — притягиваются. Переносчиками этого типа взаимодействия являются фотоны. В результате слабых взаимодействий нейтроны, входящие в состав атомного ядра, распадаются на три типа частиц: положительно заряженные протоны, отрицательно заряженные электроны и нейтральные нейтрино. Переносчиками слабого взаимодействия являются бозоны. Сильное взаимодействие удерживает протоны в ядре атома, не позволяя им разлететься под действием электромагнитных сил отталкивания. Сильное взаимодействие ответственно за образование атомных ядер, в нем участвуют только тяжелые частицы: протоны и нейтроны. Ядерные взаимодействия не зависят от заряда частиц, переносчиками этого типа взаимодействий являются глюоны. Примером сильного взаимодействия выступают термоядерные реакции на Солнце и других звездах. Принцип сильного взаимодействия использован при создании водородного оружия. 

   36. Теория Объединения.  Физическая симметрия.  Супергравитация. 

   Принцип симметрии - утверждает, что если пространство однородно, перенос системы как  целого в пространстве не изменяет свойств системы. Если все направления в пространстве равнозначны, то принцип симметрии разрешает поворот системы как целого в пространстве. Принцип симметрии соблюдается, если изменить начало отсчета времени. В соответствии с принципом, можно произвести переход в другую систему отсчета, движущейся относительно данной системы с постоянной скоростью.

   Каждый  закон сохранения связан с какой-либо симметрией в окружающем мире. Из однородности пространства следует закон сохранения импульса, из однородности времени — закон сохранения энергии, а из изотропности пространства — закон сохранения момента импульса. Закон сохранения и превращения энергии утверждает, что энергия не исчезает и не появляется вновь, а лишь переходит из одной формы в другую. Закон сохранения импульса постулирует неизменность импульса замкнутой системы с течением времени. Закон сохранения момента импульса утверждает, что момент импульса замкнутой системы остается неизменным с течением времени. Законы сохранения являются следствием симметрии, т.е. инвариантности, неизменности структуры материальных объектов относительно преобразований, или изменения физических условий их существования. Законы сохранения энергии и импульса связаны с однородностью времени и пространства, закон сохранения момента импульса — с симметрией пространства относительно вращений. Законы сохранения зарядов связаны с симметрией относительно специальных преобразований волновых функций, описывающих частицы. 

38. Специальная теория  относительности 

   На  смену классической физике, построенной  на принципах механики И. Ньютона, пришла новая фундаментальная теория — специальная теория относительности А. Эйнштейна, которая гласит: любой процесс протекает одинаково в изолированной материальной системе, находящейся в состоянии прямолинейного и равномерного движения, т.е. все инерциальные системы отсчета равноправны между собой. Таким образом было преодолено представление об эталонной абсолютной системе отсчета, которую связывали с эфиром, все системы отсчета были признаны равнозначными, не имеющими никаких преимуществ друг перед другом, а принцип относительности приобрел всеобщий, универсальный характер. Следствием такого понимания принципа относительности стало введение в физику понятия инвариантности. Инвариантность понимается как неизменность физических величин или свойств объектов при переходе от одной системы отсчета к другой. Все законы природы неизменны при переходе от одной инерциальной системы к другой, т.е., находясь внутри инерциальной системы, невозможно обнаружить, движется она или покоится. А. Эйнштейн сформулировал также принцип инвариантности скорости света, который гласит: скорость света в вакууме не зависит от скорости движения источника света или наблюдателя и одинакова во всех инерциальных системах отсчета. Скорость света является предельной скоростью распространения материальных взаимодействий и равна 300 000 км/с. 

39. Свойства физического пространства, причина времени 

   В современной науке физическим пространству и времени приписываются определенные характеристики. Общими и для пространства, и для времени являются свойства объективности и всеобщности. Пространство и время объективны, так как существуют независимо от сознания. Всеобщность означает, что эти формы присущи всем без исключения воплощениям материи на любом уровне ее существования.

   У пространства и времени есть ряд  специфических характеристик. Так, пространству приписываются протяженность, изотропность, однородность, трехмерность. Протяженность предполагает наличие у каждого материального объекта определенного местоположения. Изотропность означает равномерность всех возможных направлений. Однородность пространства характеризует отсутствие в нем каких-либо выделенных точек, т.е. при переносе в пространстве свойства системы не меняются. Физическому времени приписываются свойства длительности, необратимости, однородности и одномерности. Длительность интерпретируется как продолжительность существования любого материального объекта или процесса. Одномерность означает, что положение объекта во времени описывается единственной величиной. Однородность времени, как и в случае с пространством, свидетельствует об отсутствии каких-либо выделенных фрагментов, т.е. утверждает инвариантность физических законов относительно выбора точки отсчета времени. Необратимость времени, его однонаправленность от прошлого к будущему, связана с необратимостью протекания некоторых фундаментальных процессов и характером законов в квантовой механике. Существует также причинная концепция обоснования необратимости времени, согласно которой если бы время было обратимо, то причинная связь оказалась бы невозможной. 

   40. Общая теория относительности 

   Общая теория относительности позволяет рассматривать не только инерциальные системы отсчета, но любые системы координат, которые движутся по криволинейным траекториям и с любым ускорением.

   Распространение результатов специальной теории на неинерциальные системы отсчета привело к установлению зависимости между метрическими свойствами пространства и времени и гравитационными взаимодействиями, т.е. в зависимости от гравитационных масс время замедляется или, напротив, ускоряется, а пространство искривляется. Общая теория относительности А. Эйнштейна объединила в рамках одной концепции понятия инерции, гравитации и метрики пространства—времени. Выводы общей и специальной теории относительности и неевклидовой геометрии полностью дискредитировали понятия абсолютного пространства и абсолютного времени. Оказалось, что признанные классическими субстанциональные представления не являются окончательными и единственно верными. 

   41. Всеобщий релятивизм 

   Понятие о взаимосвязи и размерности  физических величин. Все явления в мире взаимосвязаны и подчиняются общим физическим законам. Чтобы сопоставлять физические величины друг с другом нужно каждую физическую величину представить через общие для всех исходные физические величины принимаемые за первичные. Однако эти первичные величины могут быть выбраны произвольно и тогда при расчетах  возникнут дополнительные трудности. Чтобы их избежать нужно определить физические категории , которые являются неизменными при преобразованиях материи относительно которых будут оцениваться все остальные физические величины и параметры.  Если речь идет о всеобщих закономерностях материи во Вселенной, то должны быть определены всеобщие физические инварианты, которые не изменяются ни при каких преобразованиях форм материи и ни при каких физических процессах. Общими физическими инвариантами могут быть только такие категории, которые являются всеобщими для всех без исключения физических явлений. Такими категориями являются движение и три его неразрывных составляющих - материя, пространство и время. Размерность физической величины - это выражение, показывающее связь данной физической величины с физическими величинами, положенными в основу системы единиц. Размерность записывается в виде произведения символов соответствующих основных величин, возведенных в определенные степени, которые называются показателями размерности. Величины, в которые все основные величины входят в степени 0, называются безразмерными. Во всех остальных случаях размерность конкретной физической величины. 

42. Понятие системы 

   Биологические системы — это целостные открытые системы, постоянно обменивающиеся с окружающей средой веществом, энергией и информацией и способные к самоорганизации. Живые системы активно реагируют на изменения окружающей среды, приспосабливаясь к новым условиям. Биологические системы способны к самовоспроизводству, а следовательно, к сохранению и передаче генетической информации последующим поколениям. Отдельные качества живого могут быть присущи и неорганическим системам, однако ни одна неорганическая система не обладает всей совокупностью перечисленных выше свойств. 

43. Типы систем 

   Часто выделяют три типа систем: дискретный (корпускулярный), жесткий и централизованный. Первые два типа являются крайними, или предельными. Системы, относящиеся к «дискретному» типу, состоят в основном из подобных элементов, не связанных между собой непосредственно, а объединенных только общим отношением к окружающей среде. Жесткий тип систем можно рассматривать как противоположный дискретному. Часто эти системы отличаются повышенной организованностью по сравнению с простой суммой их частей и тем, что обладают совершенно новыми свойствами. Разрушение одного отдельного органа губит всю систему. Централизованный тип систем содержит одно основное звено, которое организационно, но не обязательно геометрически, находится в центре системы и связывает все остальные звенья или даже управляет ими. 

    44. Науки о сложных  системах 

   СЛОЖНЫЕ СИСТЕМЫ состоят из большого числа  переменных и большого количества связей между ними. Чем оно больше, тем труднее исследование объекта, выведение закономерностей его функционирования. Трудность изучения таких систем объясняется еще и тем обстоятельством, что чем сложнее система, тем больше у нее так называемых ЭМЕРДЖЕНТНЫХ СВОЙСТВ, т.е. свойств, которых нет у ее частей и которые являются следствием эффекта целостности системы. Подобные сложные системы изучает, например, метеорология— наука о климатических процессах. Именно потому, что метеорология изучает сложные системы, процессы образования погоды гораздо менее известны, чем гравитационные процессы, что, на первый взгляд, кажется парадоксом. Действительно, чем можно точно определить, в какой точке будет находиться Земля или какое-либо другое небесное тело через миллионы лет, а предсказать погоду на завтра удается не всегда? Потому, что климатические процессы представляют гораздо более сложные системы, состоящие из огромного количества переменных и взаимодействий между ними.  

   45. Эволюция систем 

   Эволюция  должна удовлетворять трем требованиям: 1) необратимость, выражающаяся в нарушении симметрии между прошлым и будущим; 2) необходимость введения понятия «событие»; 3) некоторые события должны обладать способностью изменять ход эволюции. Условия формирования новых структур: 1) открытость системы; 2) ее нахождение вдали от равновесия; 3) наличие флуктуации. Чем сложнее система, тем более многочисленны типы флуктуации, угрожающих ее устойчивости. Но в сложных системах существуют связи между различными частями. От исхода конкуренции между устойчивостью, обеспечивающейся связью, и неустойчивостью из-за флуктуации, зависит порог устойчивости системы.

   Превзойдя этот порог, система попадает в критическое  состояние, называемое точкой бифуркации. В ней система становится неустойчивой относительно флуктуации и может перейти к новой области устойчивости, т. е. к образованию нового вещества. Система как бы колеблется перед выбором одного из нескольких путей эволюции. Небольшая флуктуация может послужить в этой точке накалом эволюции в совершенно новом направлении, который резко изменит все ее поведение. Это и есть событие. В точке бифуркации случайность подталкивает то, что остаются от системы, на новый путь развития, а после того, как один из многих возможных вариантов выбран, вновь вступает в силу детерминизм — и так до следующей точки бифуркации. В судьбе случайность и необходимость взаимно дополняют друг друга. Главенствующую роль в окружающем мире  играют не порядок, стабильность и равновесие, а неустойчивость и неравновесность, т.е. все системы постоянно флуктуируют. В особой точке бифуркации флуктуация достигает такой силы, что организация системы не выдерживает и разрушается, и принципиально невозможно предсказать: станет ли состояние системы хаотическим или она перейдет на новый более дифференцированный и высокий уровень упорядоченности, который называется диссипативной структурой. Новые структуры называются диссипативными, потому что для их поддержания требуется больше энергии, чем для поддержания более простых структур, на смену которым они приходят. Диссипативные структуры существуют лишь постольку поскольку система диссипирует (рассеивает) энергию и, следовательно, производит энтропию. Из энергии возникает порядок с увеличением общей энтропии. Таким образом, энтропия — не просто безостановочное соскальзывание системы к состоянию, лишенному какой бы то ни было организации (как думали сторонники «тепловой смерти» Вселенной), а при определенных условиях становится прародительницей порядка.