В окружающей нас природе встречаются самые разнообразные вещества: вода, песок, дерево, сталь, камень и т. п. По-другому все вещества часто называют материей. Материя может находиться в одном из трех состояний это твердое, жидкое и газообразное состояние. Хотя имеется и четвертое состояние – плазма (ионизированный газ). Но мы не будем углубляться в теорию.
Но при изучении электротехники, как и многих других наук, возникает вопрос о строении самого вещества . Не зная строения вещества, нельзя глубоко уяснить основных явлений электротехники, радиотехники, ядерной физики и др. Исследования строения вещества были начаты тысячи лет назад и продолжаются до сих пор. Ученые все глубже проникают в «тайны» строения вещества, используя их на благо человечества.
В природе встречаются простые и сложные вещества.
Простые вещества, называемые химическими элементами, является кирпичиком в «постройке» материи. То есть элемент не делится на более простые субстанции химическим путем. На сегодняшний день известно 118 элементов, хотя в природе существует 94 (24 получены искусственным путем). Все эти элементы вы можете наблюдать в Периодической системе Д. И. Менделеева.
ОПРЕДЕЛЕНИЕ: Простым веществом называется такое вещество, которое не может быть химически разложено.
Сложное вещество или соединение - это комбинация более двух химических элементов, которая может быть разделена химическим способом. Примером здесь можно привести воду, которая состоит из кислорода и водорода.
ОПРЕДЕЛЕНИЕ: Сложное вещество - это такое вещество, которое можно химическим путем разложить на составляющие его простые вещества.
Когда простые вещества входят в состав сложного, то они теряют свои характерные химические свойства. Вода, например, резко отличается по своим свойствам от газов водорода и кислорода, из которых она состоит.
Все вещества, простые и сложные, состоят из атомов и молекул. Что же значат все эти определения?
Молекула - эго наименьшая частица вещества, которую можно отделить от тела и которая обладает всеми свойствами, присущими данному телу.
ОПРЕДЕЛЕНИЕ: Молекула – это комбинация двух и более атомов.
Молекула простого вещества состоит из одинаковых атомов. Примерами простых веществ могут служить: медь, железо, кислород и т. д.
Молекула сложного вещества состоит из нескольких различных по своему строению атомов. Например, молекула воды состоит из двух атомов водорода и одного атома кислорода.
Молекулы любого вещества находятся в постоянном хаотическом движении. В зависимости от степени связи между молекулами мы различаем твердые, жидкие и газообразные вещества.
Наиболее тесную связь имеют молекулы твердого вещества, а наименее тесную - молекулы газообразного вещества.
ОПРЕДЕЛЕНИЕ: Атом – это наименьшая элементарная частица, сохраняющая свойства элемента, в который она входит.
В атоме любого вещества количество электронов и протонов одинаковое, а значит, общий отрицательный заряд электронов равен положительному заряду ядра. Эти заряды уравновешиваются, и сам атом никаких электрических свойств не проявляет, или, как говорят, электрически нейтрален.
Если атом (или молекула) по какой-либо причине потеряет несколько электронов (при столкновении с другими атомами, при нагревании и т. д.), то он окажется положительно заряженным. Такой атом (или молекула) называется положительным ионом.
Наоборот, если у атома (или молекулы) окажется избыток электронов, то он станет отрицательно заряженным. Отрицательно заряженный атом (или молекула) называется отрицательным ионом.
Разноименно заряженные ионы притягиваются друг к другу и образуют электрически нейтральную частицу вещества.
Объектами изучения физической науки являются материя, ее свойства и структурные формы, из которых складывается окружающий нас мир. Согласно представлениям современной физики существует два вида материи: вещество и поле . Вещество - вид материи, состоящей из фундаментальных частиц, обладающих массой. Мельчайшая частица вещества, обладающая всеми его свойствами, – молекула – состоит из атомов. Например, молекула воды состоит из двух атомов водорода и одного атома кислорода. А из чего состоят атомы? Всякий атом состоит из положительно заряженного ядра и движущихся вокруг него отрицательно заряженных электронов (рис. 21.1).
Размер электрона до
В свою очередь, ядра состоят из протонов и нейтронов.
Можно задать следующий вопрос. А из чего состоят протоны и нейтроны? Ответ известен - из кварков. А электрон? Современные средства изучения структуры частиц не позволяют ответить на этот вопрос.
Поле как физическая реальность (т. е. вид материи) было впервые введено М. Фарадеем. Он предположил, что взаимодействие между физическими телами осуществляется через особый вид материи, который получил название поля.
Всякое физическое поле обеспечивает определенный вид взаимодействия между частицами вещества. В природе обнаружено четыре основных вида взаимодействия: электромагнитное, гравитационное, сильное и слабое.
Электромагнитное взаимодействие наблюдается между заряженными частицами. При этом возможно притяжение и отталкивание.
Гравитационное взаимодействие, основным проявлением которого является закон всемирного тяготения, выражается в притяжении тел.
Сильное взаимодействие - это взаимодействие между адронами. Радиус его действия порядка м, т. е. порядка размеров ядра атома.
Наконец, последнее взаимодействие - это слабое взаимодействие, посредством которого реагирует с веществом такая неуловимая частица, как нейтрино. В полете сквозь космическое пространство, столкнувшись с Землей, она прошивает ее насквозь. Примером процесса, в котором проявляется слабое взаимодействие, является бета-распад нейтрона.
Все поля имеют массу, равную нулю. Особенностью поля является проницаемость для других полей и вещества. Поле подчиняется принципу суперпозиции. Поля одного и того же вида при наложении могут усиливать или ослаблять друг друга, что невозможно для вещества.
Классические частицы (материальные точки) и непрерывные физические поля - вот те элементы, из которых составлялась физическая картина мира в классической теории. Однако такая двойственная картина строения материи оказалась недолговечной: вещество и поле объединяются в единое понятие квантового поля. Всякая частица теперь - это квант поля, особое состояние поля. В квантовой теории поля нет принципиального различия между вакуумом и частицей, различие между ними - это различие между двумя состояниями одной и той же физической реальности. Квантовая теория поля наглядно показывает, почему невозможно пространство без материи: "пустота" – это всего лишь особое состояние материи, а пространство - это форма существования материи.
Таким образом, деление материи на поле и вещество как на два вида материи является условным и оправдано в рамках классической физики.
1) Вещество – это физический вид материи, состоящий из частиц, которые имеют собственную массу (массу покоя)
2) Поле – материальное образование, которое связывает тела между собой и передает действие от тела к телу (электромагнитное, гравитационное, внутриядерное поля) Фотон не имеет массы покоя, ведь свет не покоится.
3) Антивещество – в-во, состоящее из античастиц. Структура антивещества: ядра атомов этого вида физической реальности должны существовать из антипротонов и антинейтронов, а оболочка из позитронов.
Окружающий нас материальный мир можно разделить, во-первых, на микромир, макромир и мегамир , каждый из которых, в свою очередь, включает в себя различные уровни организации материального бытия:
- в неживой природе : 1)субмикроэлементарный уровень (кварки), 2) элементарный (электроны), 3) ядерный (ядро атома), 4)атомный, 5)молекулярный, 6)макроскопический, 7) планетарный, 8) космический.
- в живой природе : 1) биологические макромолекулы, 2)клеточный, 3) микроорганизменный, 4) уровень органов и тканей, 5) уровень организма, 6) популяционный, 7) биоценозный, 8) биосферный.
- в социальный: 1) человек (индивид), 2)семья, 3) коллективы, 4) социальные группы, 5)национальности, 6) этносы, 7) государства
Каждый из структурных уровней (и подуровней) материи возникает и существует на основе предыдущих, однако не сводится к ним как простая сумма элементов, поскольку обладает новыми качествами и подчиняется в своем функционировании и развитии иным закономерностям.
Движение – понятие, охватывающее в самом общем виде всякое изменение, превращение. Все существующее находится в постоянном стремлении к изменению, другому состоянию, но изменяется только то, что имеет относительную устойчивость и находится в относительном покое. Но без определенной степени устойчивости в мире ничего бы не существовало. Покой - понятие относительное, а движение - абсолютно. Но, движение обладает и свойствами относительности, т.к. изменения одного объекта можно зафиксировать лишь относительно другого объекта.
Еще в античности были 2 концепции:
1) Зенон - отрицание движения. Апории Зенона. Доказывал невозможность мыслить движение.
2) Гераклит – «Все течет!» все постоянно переходит из одного состояния в другое.
Энгельс предложил формы движения:
Механическое
Физическое
Химическое
Биологическое
Социальное
Типы движения материи:
1) Механическое (без изменения качества)
2) С изменением качества . Направленность бывает 3х видов:
Прогрессивное (от низшего к высшему)
Регрессивное (от высшего к низшему)
Горизонтальное (явление идиодаптации в биологии, изменения зависят от условий существования и не сопровождаются общим повышением организации и уровня жизнедеятельности. Н-р таблица менделеева, где изменения развертываются на одном горизонтальном структурном уровне организации материи)
Развитие подчинено ряду законов:
Закон перехода из одного качества в другое на основе количественных изменений
Закон единства и борьбы противоположностей
Закон отрицания отрицания
Как бы ни изменялся предмет, пока он существует, он сохраняет свою определенность. Река не перестает быть рекой из-за того, что она течет: бытие реки и заключается в ее течении. Обрести абсолютный покой значит перестать существовать. Все относительно покоящееся неизбежно причастно к какому либо движению. Покой всегда имеет только видимый и относительный характер. Тела могут покоиться только по отношению к какой-либо системе отсчета, условно принятой за неподвижную (Н-р мы неподвижны относит-но здания, Земли, но движемся по отношению к Солнцу)
Частные св-ва пространства:
-трехмерность (любые пространственные отношения можно описать тремя измерениями – длина, ширина, высота)
-обратимость (можно вернуться на то же место)
-протяженность
-изотропность (равноправность всех возможных направлений)
Частные св-ва времени:
-одномерность (достаточно одной координаты: минута, час, секунда)
-однонаправленность (нельзя вернуться в прошлое)
Общие св-ва пространства и времени:
Объективность (независимость от нашего сознания)
Бесконечность (во вселенной нет такого места, где бы отсутствовали пространство и время)
Абсолютность (т.е. бытие вне пространства такая же бессмыслица, как и бытие вне времени)
Относительность (т.е. представления человека о пространстве и времени относительны)
Единство непрерывности (отсутствие пустого пространства)
Единство прерывности (раздельное существование материальных объектов)
Виды пространства и времени:
-Реальное (объективные формы существования пр-ва и времени)
-Перцептуальное (субъективное восприятие человеком реального пространства и времени)
-Концептуальное (теоретическое моделирование пространства и времени)
Концепции происхождения пространства и времени:
1) Субстанциональная (Демокрит, Платон, Ньютон)
Пространство и время рассматриваются как абсолютные, наряду с материей в ранге субстанций. Существуют самостоятельно, независимо от материальных объектов и рассматриваются как чистая протяженность и чистая длительность.
2) Реляционная (Аристотель, Лейбниц, а в наше время Энштейн, Лобачевский)
Пространство и время это особое отнощение между объектами и самостоятельно и отдельно от них не существующие. Т.е. если для Ньютона доска занимает какое-то положение, то для Лейбница пространство и есть соотношение доски с окружающими ее предметами.
Из теории относительности следовали два важных в философском отношении вывода: во-первых, при скоростях, близких к скорости света, длины тел сокращаются примерно в два раза; во-вторых, темп течения процессов времени замедляется при скорости, близкой к световой, примерно в 40 раз. Теория относительности показала зависимость пространства (протяженности тел) и времени (темпа длительности протекания процессов) от скорости движущихся тел.
Большую часть нашего мира мы не можем пронаблюдать - 95% массы Вселенной составляют темная материя и темная энергия. Из чего состоит темная материя, пока не ясно - однако есть предположение, что это могут быть аксионы, элементарные частицы, ответственные за соблюдение временно́й симметрии.
Для человеческого сознания прошлое и будущее - противоположные измерения: о первом мы помним, второе мы ожидаем. Кино, запущенное с финала, кажется нам нереалистичным. Наша направлена от прошлого к будущему.
Кажется, что направление времени незыблемо. Но если бы мы сняли фильм о субатомных частицах, мы бы обнаружили, что его отраженная версия вполне точно отражает реальность. Фундаментальные законы физики , за некоторыми исключениями, выполняются в любом направлении времени: стрела времени для них обратима.
Если следовать законам формальной логики, обращение времени должно в корне менять физические законы. Но в реальности это не так. Чтобы описать это явление, физики используют термины «T-инвариантность» или «Т-симметрия».
В отличие от фундаментальных законов физики, наша повседневная жизнь нарушает Т-инвариантность. Это вопиющее несоответствие приводит нас к вопросу: почему реальный мир «Т-асимметричен»? Возможно ли существование неких созданий, которые молодеют, пока мы стареем? И можем ли мы с помощью какого-нибудь физического процесса повернуть время вспять?
К сожалению, дать точного ответа наука пока не может. Зато мы можем предположить, почему вообще существует Т-симметрия. Современная версия глубже и сложнее, чем предположения 50-летней давности, но и в ней есть лазейка. И если наука с ней разберется, возможно, мы сможем понять сущность темной материи – невидимой части вещества Вселенной. Но о темной материи — немного позже.
История изучения Т-симметрии началась в 1956 году. В то время ученые Т.Д. Ли и С.Н. Янг думали над существованием П-инвариантности , пространственного аналога Т-симметрии. Если бы П-инвариантность существовала, то события могли бы отражаться как в зеркале. Однако результаты экспериментов Ли и Янга показали, что П-инвариантность проявляется только для гравитационных, электромагнитных и сильных взаимодействий. Для слабых взаимодействий ее не существовало.
Тогда физики перешли от пространственной симметрии к временно́ й. Существование Т-инвариантности некоторое время было аксиомой - пока в 1964 году группа ученых под руководством Джеймса Кронина и Валентины Фитч не обнаружила слабый эффект в распаде К-мезонов , который нарушает симметрию времени. Это открытие взволновало физиков: как Т-симметрия может быть одновременно точной и приблизительной? Эту проблему решили Макото Кобаяси и Тосихидэ Маскава . В 1973 году они предположили , что приблизительная Т-инвариантность - лишь случайное следствие других, более глубоких принципов.
К тому времени наброски Стандартной модели физики элементарных частиц выросли в мощную, эмпирически успешную теоретическую базу. В её основу легла теория относительности, квантовая механика и математическое правило единообразия. Но связать эти идеи было сложно: вместе они ограничивают возможности базовых взаимодействий.
Кобаяси и Маскава заявили: если бы физика ограничивалась двумя известными на тот момент семействами частиц, кварками и лептонами, то все взаимодействия подчинялись бы Т-симметрии. Но открытие Кронина и Фитч пролило свет на существование третьей группы частиц, которые нарушают Т-симметрию. Впоследствии эти частицы действительно были найдены.
Однако история на этом не заканчивается. В гипотезе Кобаяси и Маскавы нашлась лазейка. Джерард т’Хоофт обнаружил новый вид взаимодействия , нарушающий Т-симметрию - и это стало сюрпризом для физиков-теоретиков. Нарушение Т-симметрии в данном случае было более очевидным, чем у Кронина и Фитч. Впрочем, природа упорно игнорирует эту лазейку - Т-инвариантность строго соблюдается.
Лишь одно объяснение незыблемости Т-симметрии прошло проверку временем. Это идея Роберто Печчеи и Хелен Квинн о расширении Стандартной модели через нейтрализующее поле, поведение которого особенно чувствительно к новому взаимодействию т’Хоофта. Если присутствует новое взаимодействие, нейтрализующее поле подстраивает собственную величину, чтобы компенсировать влияние этого взаимодействия. Такое нейтрализующее поле, получается, закрывает нашу лазейку. Частицы, производимые нейтрализующим полем, назвали аксионами.
Согласно теории, аксионы - это очень легкие, живущие долго частицы, которые слабо взаимодействуют с материей. Но мы не знаем ничего об их массе: она находится в большом промежутке значений. Та же проблема была с другими частицами: бозоном Хиггса, очарованным кварком и топ-кварком – до обнаружения каждой из этих частиц, теория предсказала все их свойства, кроме значения массы. Оказалось, что сила взаимодействия аксиона пропорциональна его массе. Поэтому по мере уменьшения значения массы аксиона, он становится все более неуловимым.
Раньше физики были сосредоточены на моделях, в которых аксион был тесно связан с бозоном Хиггса. Далее появилось предположение, что масса аксиона должна быть порядка 10 кэВ — одна пятидесятая массы электрона. Большинство экспериментов, о которых мы сказали ранее, искали именно такой аксион - однако выяснилось, что таких аксионов не существует. Поэтому ученые решили переключиться на гораздо меньшие значения масс аксионов.
Такие аксионы должны были в изобилии производиться в течение первых моментов Большого взрыва. Если аксионы действительно существуют, то они должны заполнять Вселенную в виде так называемой аксионной жидкости. И эта жидкость должна влиять на общую плотность массы Вселенной, так как аксионы имеют массу. Масса аксионов, согласно подсчетам, приблизительно равна массе темной материи — по сути, загадочная субстанция, заполняющая 22% Вселенной, может состоять из этих гипотетических частиц.
Экспериментальный поиск аксионов продолжается на нескольких фронтах. Два из самых многообещающих экспериментов нацелены на поиск аксионной жидкости. Один из них, ADMX (Axion Dark Matter eXperiment), использует специальные сверхчувствительные антенны для преобразования фоновых аксионов в электромагнитные импульсы. Другой, CASPEr (Cosmic Axion Spin Precession Experiment), ищет крошечные колебания в движении ядерных спинов, которые могут быть вызваны аксионной жидкостью. Помимо этого, эти сложные эксперименты обещают покрыть почти весь диапазон возможных масс аксиона. Возможно, если эти эксперименты докажут существование аксионов, мы поймем, из чего на самом деле состоит темная материя.
Основополагающим элементом изучения подавляющего количества естественных наук является материя. В этой статье мы рассмотрим материи, формы её движения и свойства.
На протяжении многих веков понятие материи менялось и совершенствовалось. Так, древнегреческий философ Платон видел её как субстрат вещей, который противостоит их идее. Аристотель же говорил, что это нечто вечное, что не может быть ни сотворено, ни уничтожено. Позже философы Демокрит и Левкипп дали определение материи как некой основополагающей субстанции, из которой состоят все тела в нашем мире и во Вселенной.
Современное понятие материи дал В. И. Ленин, согласно которому она является самостоятельной и независимой объективной категорией, выражаемой человеческим восприятием, ощущениями, она также может быть скопирована и сфотографирована.
Главными характеристиками материи являются три признака:
Первые два отличаются метрологическими свойствами, то есть их можно количественно измерить специальными приборами. Пространство измеряется в метрах и его производных величинах, а время в часах, минутах, секундах, а также в сутках, месяцах, годах и т. д. У времени есть также другое, не менее важное свойство - необратимость. Нельзя вернуться на какую-либо исходную временную точку, вектор времени всегда имеет одностороннюю направленность и движется от прошлого к будущему. В отличие от времени, пространство - более сложное понятие и имеет трёхмерное измерение (высота, длина, ширина). Таким образом, все виды материи могут передвигаться в пространстве за определённый промежуток времени.
Всё, что нас окружает, передвигается в пространстве и взаимодействует друг с другом. Движение происходит непрерывно и является главным свойством, которым обладают все виды материи. Между тем этот процесс может протекать не только при взаимодействии нескольких объектов, но и внутри самого вещества, обуславливая его видоизменения. Различают следующие формы движения материи:
Все вышеназванные формы материи взаимосвязаны, взаимодополняют и взаимозаменяют друг друга. Они не могут существовать самостоятельно и не являются самодостаточными.
Древняя и современная наука приписывали материи множество свойств. Самое распространённое и очевидное - это движение, однако имеются и другие универсальные свойства:
Современные ученые выделяют три фундаментальных вида материи:
Вещество - вид материи, главным свойством которого является дискретность, то есть прерывистость, ограниченность. В его структуру входят мельчайшие частицы в виде протонов, электронов и нейтронов, из которых состоит атом. Атомы соединяются в молекулы, формируя вещество, которое, в свою очередь, образует физическое тело или текучую субстанцию.
Любое вещество обладает рядом индивидуальных характеристик, отличающих его от других: масса, плотность, температура кипения и плавления, структура кристаллической решётки. При определённых условиях разные вещества можно соединять и смешивать. В природе они встречаются в трёх агрегатных состояниях: твёрдом, жидком и газообразном. При этом конкретное агрегатное состояние лишь соответствует условиям содержания вещества и интенсивности молекулярного взаимодействия, но не является его индивидуальной характеристикой. Так, вода при разных температурах может принимать и жидкую, и твёрдую, и газообразную форму.
Виды физической материи включают и такую компоненту, как физическое поле. Оно представляет собой некую систему, в которой материальные тела взаимодействуют. Поле является не самостоятельным объектом, а, скорее, носителем специфичных свойств образовавших его частиц. Таким образом, импульс, высвобожденный от одной частицы, но не поглощённый другой, является принадлежностью поля.
Физические поля - это реальные неосязаемые формы материи, обладающие свойством непрерывности. Их можно классифицировать по различным критериям:
В XX веке в физике как компромисс между материалистами и идеалистами для объяснения некоторых явлений появился термин "физический вакуум". Первые приписывали ему материальные свойства, а вторые утверждали, что вакуум - это не что иное, как пустота. Современная физика опровергла суждения идеалистов и доказала, что вакуум - это материальная среда, также получившая название квантового поля. Число частиц в нём приравнивается к нулю, что, однако, не препятствует кратковременному возникновению частиц в промежуточных фазах. В квантовой теории уровень энергии физического вакуума условно принимается за минимальный, то есть равный нулю. Однако экспериментально доказано, что энергетическое поле может принимать как отрицательные, так и положительные заряды. Существует гипотеза, что Вселенная возникла именно в условиях возбуждённого физического вакуума.
До сих пор не до конца изучена структура физического вакуума, хотя и известны многие его свойства. Согласно дырочной теории Дирака, квантовое поле состоит из движущихся квантов с одинаковыми зарядами, неясным остаётся состав самих квантов, скопления которых перемещаются в виде волновых потоков.
