Реферат на тему «Современная физическая картина мира»

Введение

Под физической картиной мира понимают то, как физика своего времени отвечает на самые общие вопросы о природе: из чего сделана материя, что такое пространство и время, почему тела действуют друг на друга и откуда взялась Вселенная. Отдельной теорией её не назовёшь. Это скорее общий фон, который учёный редко формулирует вслух, но который подсказывает ему, какое объяснение выглядит естественным, а какое кажется натяжкой и требует особых доказательств.

Картина мира меняется вместе с наукой. Для XVIII века мир был огромным механизмом из частиц, движущихся по законам Ньютона, в XIX веке на первый план вышли поля, а XX век принёс теорию относительности и квантовую механику, после которых привычные представления о пространстве, времени и причинности пришлось пересматривать. Сейчас физика описывает вещество с помощью Стандартной модели элементарных частиц, гравитацию и Вселенную в целом с помощью общей теории относительности, и между этими двумя теориями до сих пор нет полного согласия.

Цель реферата состоит в том, чтобы охарактеризовать современную физическую картину мира, показать, из каких идей она сложилась и какие вопросы в ней остаются открытыми. В первой главе рассмотрены понятие физической картины мира, её исторические формы, основные принципы современной физики, строение вещества и фундаментальные взаимодействия. Вторая глава посвящена космологии и нерешённым проблемам, прежде всего поиску единой теории и природе тёмной материи и тёмной энергии.

Глава 1. Физическая картина мира: от механики к квантовой теории поля

1.1 Смена физических картин мира

В истории физики обычно выделяют три большие картины мира: механическую, электромагнитную и квантово-полевую, которую часто называют современной. Механическая картина сложилась в трудах Галилея и Ньютона. Мир в ней состоял из неделимых частиц, которые движутся в абсолютном пространстве и абсолютном времени, а взаимодействуют силами, передающимися мгновенно на любое расстояние. Причинность понималась жёстко: если знать положения и скорости всех частиц, можно, по выражению Лапласа, вычислить и прошлое, и будущее мира.

Первую трещину в механической картине пробил Майкл Фарадей, который не знал высшей математики и потому мыслил наглядно, линиями сил. Для него пространство между магнитом и железным гвоздём не пусто, оно заполнено полем. Джеймс Клерк Максвелл в 1860-е годы записал эти идеи в виде уравнений и обнаружил, что электромагнитные возмущения бегут со скоростью света, откуда сделал вывод, что и сам свет есть электромагнитная волна. Первоначально поле пытались объяснить напряжениями в особой среде, эфире, но опыт Майкельсона и Морли (1887) не обнаружил движения Земли относительно эфира, и это стало одним из толчков к созданию теории относительности.

В 1905 году двадцатишестилетний эксперт патентного бюро в Берне Альберт Эйнштейн опубликовал специальную теорию относительности, и абсолютное время Ньютона перестало существовать: часы, движущиеся относительно наблюдателя, идут медленнее, а пространство и время оказались сторонами единого пространства-времени. Через десять лет общая теория относительности объяснила тяготение тем, что масса и энергия искривляют это пространство-время. Почти одновременно Планк, Эйнштейн, Бор, Гейзенберг и Шрёдингер заложили основы квантовой теории, и к середине XX века обе линии сошлись в квантовой теории поля, на которой построено современное описание частиц.

1.2 Основные принципы современной физики

Если попробовать свести современную физику к нескольким исходным положениям, первым окажется принцип относительности: законы природы одинаковы во всех инерциальных системах отсчёта, а скорость света в вакууме от движения источника не зависит. Второе положение касается квантования. Энергия электрона в атоме, как выяснилось, может принимать лишь определённые значения, и Макс Планк, впервые введший кванты в 1900 году, сам долго считал их удачной математической уловкой, а не свойством природы. Третье положение известно как корпускулярно-волновой дуализм: один и тот же электрон в опыте с двумя щелями даёт интерференционную картину, как волна, а на экране оставляет точку, как частица.

Особое место занимает вероятностный характер законов микромира. Квантовая механика позволяет точно вычислить вероятность того или иного результата измерения, но не сам результат отдельного опыта. Соотношение неопределённостей Гейзенберга показывает, что координату и импульс частицы нельзя одновременно знать сколь угодно точно, и дело здесь не в несовершенстве приборов, а в природе микрообъектов. Бор ответил на эту трудность принципом дополнительности: волновое и корпускулярное описания нельзя применить одновременно, но и отказаться от любого из них нельзя. Эйнштейн такого ответа не принял до конца жизни, а его письмо Максу Борну 1926 года, где сказано, что Бог не играет в кости, до сих пор цитируют в каждом учебнике.

Четвёртое положение связано с симметриями, и пришло оно из математики. Эмми Нётер в 1918 году доказала, что за каждой непрерывной симметрией законов природы стоит свой закон сохранения: если законы не меняются со временем, сохраняется энергия, если они одинаковы в любой точке пространства, сохраняется импульс, а равноправие всех направлений даёт сохранение момента импульса. Школьные законы сохранения после этой теоремы перестали выглядеть набором отдельных правил. Физики частиц пошли дальше и стали искать новые законы через симметрии, так что Стандартная модель в своей основе тоже описание симметрий.

1.3 Вещество и фундаментальные взаимодействия

Согласно Стандартной модели, всё известное вещество построено из фермионов двух типов: шести кварков и шести лептонов, к числу которых относятся электрон и нейтрино. Протоны и нейтроны атомных ядер состоят из трёх кварков каждый, и выделить отдельный кварк невозможно, так как сильное взаимодействие удерживает их внутри частиц. Взаимодействия переносятся частицами-переносчиками, бозонами: фотонами, глюонами, W- и Z-бозонами. Последним элементом модели стал бозон Хиггса, открытие которого на Большом адронном коллайдере было объявлено 4 июля 2012 года.

Всего физика знает четыре фундаментальных взаимодействия, и все наблюдаемые силы, от трения до ядерных реакций в Солнце, сводятся к ним. Взаимодействия сильно различаются по интенсивности и радиусу действия, что видно из таблицы 1. Три из них, сильное, слабое и электромагнитное, описываются Стандартной моделью, причём электромагнитное и слабое в 1960-е годы удалось объединить в единое электрослабое взаимодействие. Гравитация в эту схему не входит и описывается общей теорией относительности.

Таблица 1 — Фундаментальные взаимодействия

Из таблицы видна странность, над которой физики думают давно. Гравитация слабее остальных взаимодействий на десятки порядков, и внутри атома о ней можно забыть, однако планеты, звёзды и галактики движутся именно под её действием. Объясняется это тем, что тяготение действует на любом расстоянии и ничем не экранируется, тогда как электрические заряды разных знаков в больших телах почти полностью гасят друг друга. Существование гравитационных волн, предсказанных Эйнштейном, подтвердила обсерватория LIGO, зарегистрировавшая их 14 сентября 2015 года.

1.4 Вселенная в современной картине мира

О Вселенной в целом современная физика рассказывает с помощью модели горячей расширяющейся Вселенной. Хаббл в 1929 году связал красное смещение далёких галактик с их расстоянием, и стало ясно, что галактики разбегаются, а в 1965 году Пензиас и Вильсон случайно поймали реликтовое излучение, оставшееся от раннего горячего состояния. Измерения космической обсерватории «Планк» дают для Вселенной возраст около 13,8 млрд лет. Из наблюдений следует и неожиданный вывод: обычное вещество, из которого состоят звёзды, планеты и мы сами, составляет лишь малую долю содержимого Вселенной, как видно на рисунке 1.

Около четверти плотности Вселенной приходится на тёмную материю, которая проявляет себя только тяготением, и более двух третей на тёмную энергию, ответственную за ускоренное расширение, открытое в 1998 году по наблюдениям далёких сверхновых. Природа обеих составляющих неизвестна, и это, пожалуй, самый наглядный пример того, что современная физическая картина мира не закончена. Об этих вопросах, а также о попытках объединить квантовую теорию с гравитацией идёт речь во второй главе.