Начала современного естествознания: концепции и принципы
1. Почему Ньютона называют основателем классической физики?
НЬЮТОН, ИСААК (Newton, Isaac) (1642-1727), английский математик и естествоиспытатель, механик, астроном и физик, основатель классической физики. Сформулировал закон всемирного тяготения, установил фундаментальные положения физической оптики, разработал начала дифференциального и интегрального исчислений. Его Математические начала натуральной философии (Philosophiae naturalis principia mathematica), Оптика (Opticks) и Об анализе (De analysi) принадлежат к числу величайших творений человеческого разума. Блестящие новаторские достижения Ньютона в науке позволили объяснить на точном математическом языке множество явлений неживой природы и зародили надежду, что со временем удастся объяснить все явления. Опираясь на известные факты, строя теорию, описывающую их математически, извлекая следствия из теории и сравнивая полученные результаты с данными наблюдений и эксперимента, он впервые попытался не только объяснять физические явления, но и предсказывать их. Покончив с неразберихой существовавших тогда теорий света и цвета, Ньютон своими экспериментами объяснил феномен цвета и предвосхитил современные достижения в теории света. Созданный им математический анализ стал одним из наиболее универсальных и мощных инструментов естествознания.
Ньютона называют основателем классической физики, потому что он сыграл большую роль в её создании. В своем труде "Математические начала натуральной философии" (1687 г.) он заложил основы классической физики:
1. Существует абсолютное пространство, которое однородно, изотропно и имеет бесконечную протяженность.
2. Существует абсолютное (истинное и математическое) время. Время бесконечно и имеет одно измерение.
В основе механики Ньютона лежат три аксиомы (три закона):
1. Первый закон - закон инерции: всякое тело, на которое не действует внешняя сила, сохраняет по инерции (вследствие наличия инертной массы) состояние покоя или равномерного прямолинейного движения.
2. Второй закон - закон движения: ускорение, приобретаемое материальной точкой (телом), пропорционально вызывающей его силе и обратно пропорционально массе материальной точки (тела).
F=mиa F - вынуждающая сила, a - ускорение, mи - инерциальная масса.
3. Третий закон - закон действия и противодействия: всякому действию соответствует равное по величине и противоположно направленное противодействие.
Гениальность Ньютона в том, что этот основатель классической физики в своих законах движения сумел выразить количественным образом взаимосвязь каждого состояния движения тела в данный момент с его состояниями в предшествующий момент в смежной точке пространства и в последующий момент в другой смежной точке. Пространство, время и движение в физике Ньютона выступали как непрерывные сущности, а связи между состояниями выражались в форме дифференциальных уравнений. Величайшая заслуга Ньютона состояла в том, что он открыл метод дифференциального исчисления, однозначно определяющий взаимосвязи состояний тела в его движении. В ньютоновых дифференциальных уравнениях движения Эйнштейн видел "удовлетворение потребности современных физиков" в причинной связи. Естественно, что заслугу открытия математической формы причинной связи он целиком относил к Ньютону.
2. Приведите примеры открытий в области естественных наук, которые наиболее широко используются в самых разнообразных областях нашей жизни
Научные открытия в области естественных наук означают "установление явлений, свойств, законов или объектов материального мира, ранее не установленных и доступных проверке". Зарегистрированные научные открытия представляют собой выдающиеся научные достижения в различных областях наук.
Так, в области физической кинетики зарегистрировано открытие "Явление дислокационно-динамической диффузии", установившее принципиально новый механизм массопереноса и взаимодействия внеш- ней среды с твердыми телами через химически активные центры, который необходимо учитывать, в частности, при создании криогенных устройств, в космических конструкциях. Авторы открытия: д.т.н. Г.И. Агафонов, д.ф.-м.н. О.В. Клявин, чл.-корр. РАН Б.А. Мамырин, к.ф.-м.н. Л.В. Хабарин, к.ф.-м.н. Ю.М. Чернов, к.ф.-м.н. В.С. Юденич. Открытие "Явление гиперпроницае- мости электромагнитного поля в плазме жидких, твердых и газообразных сред и на границе их сопряжений" (автор чл.-корр. РАН Н.С. Лидо- ренко) в области электродинамики и инженерной электрофизики внесло существенные изменения в представления о механизмах фазового перехода, создав тем самым новое направление в исследованиях. Открытие может быть широко использовано для оптимизации безмашинного производства электричества: гальванических батарей и аккумуляторов, электромеханических генераторов и молекулярных конденсаторов, а также информативных систем-сенсоров.
В области физической химии открытие академика РАМН Ю.А. Рахманина, д.х.н. В.К. Кондратова, д.м.н. Р.И. Михайловой, к.т.н. Л.Ф. Кирьяновой "Явление информационно-энергетического взаимодействия ассоциатов воды с окружающей средой" имеет широкую сферу научного и практического использования. Так, обменное информационно-энергетическое взаимодействие гексагонально-клатратных структур воды с литосферой Земли определяет ее сейсмическую и вулканическую активность, лежит в основе биологической эволюции, формирования эффективных средств защиты иммунной системы живых организмов от инфекционных агентов и др. Открытие "Явление образования радикалов при лигандо-обменном межмолекулярном взаимодействии металлоорганических соединений" авторов: академика РАН Г.А. Разуваева, д.х.н. Ю.А. Александрова, к.х.н. С.A. Лебедева концептуально изменило подход к решению научно-прикладных задач, связанных с производством, переработкой и применением металлоорганических соединений и материалов на их основе.
В области наук о Земле открытие "Закономерность пространственно-временного распределения извержений вулканов" (авторы открытия: академик РАН В.Е. Хаин, академик НАН Азербайджана Ш.Ф. Мехтиев, д.ф.-м.н. Т.А. Исмаил-заде, д.г.-м.н. Э.Н. Халилов) позволило создать новые методы и подходы к проблеме прогнозирования не только извержений вулканов, но и других проявлений геодинамической активности Земли, в частности землетрясений, оползней и т.д. Открытие "Закономерность вертикальной рудной зональности древней континентальной земной коры" (авторы открытия: к.г.-м.н. А.Д. Генкин, к.т.н. Д.М. Губерман, д.г.-м.н. В.И. Казанский, д.т.н. Е.А. Козловский, д.т.н. О.Л. Кузнецов, к.г.-м.н. К.В. Лобанов, к.г.-м.н. В.Б. Мазур, к.г.-м.н. В.Д. Нарти- коев, к.г.-м.н. Ю.П. Смирнов, к.т.н. Б.Н. Хахаев), установленное в результате исследований, проводимых при бурении Кольской сверхглубокой скважины, по- казало, что от дневной поверхности до максимально достигнутой глубины древняя континентальная кора содержит разнообразную рудную минерализацию, которая обнаруживает обратную вертикальную рудную зональность. Открытие опровергло имеющиеся предположения о переходе хрупких пород в пластическое состояние в связи с увеличением литостатической нагрузки, всестороннего давления и температуры, что явилось фундаментальным научным достижением, позволяющим на практике осуществлять прогноз распространения рудных месторождений на всю толщу древней континентальной земной коры и поиск на поверхности ранее неизвестных типов рудной минерализации. Открытие "Явление образования периоди- ческих коллоидных структур в почвах" (авторы открытия: к.х.н. Г.Н. Федотов, академик РАН Ю.Д. Третьяков, академик РАН Г.В. Добровольский, д.б.н. А.И. Поздняков, д.б.н. Е.В. Шеин, д.х.н. А.Д. Неклюдов, Д.В. Жуков, Е.И. Пахомов) показало, что физико-химические свойства почв являются не разобщенным на- бором характеристик сложных систем, а пред- стают как результат изменения коллоидных структур, происходящего под влиянием тех или иных факторов. Причем направление изменения коллоидных структур и их свойств, пусть пока и в общем виде, можно предсказать, исходя из законов коллоидной химии. Как следствие, появляется возможность направленного воздействия на свойства почв путем изменения периодических коллоидных структур в нужном направлении.
В области биологии и медицины фундаментальное открытие "Явление образования винтового потока крови в сердечно-сосудистой системе человека и животных" (авторы открытия: д.м.н. В.Н. Захаров и академик РАН В.И. Шумаков) явилось основой сформулированной принципиально новой концепции механики кровообращения, позволяющей решить многочисленные проблемы научной и практической медицины. Открытие академика РАН В.А. Черешнева и д.б.н. А.А. Моровой "Явление изме- нения иммунологического и функционального состояния организма человека и биологической жизни человеческой популяции" определило человеческий организм как биологическую макроэкосистему, находящуюся в постоянном эволюционно-экологическом взаимодействии с окружающим ее микромиром, что тесно связано с проблемой выживания человеческого вида. Открытие "Явление интраселлярной гипертензии гипофиза человека". Авторы открытия: д.м.н. Ю.А. Медведев, О.Э. Деникина, Т.Ф. Савостьянов заключается в том, что при критических ситуациях возникает объемный конфликт между внезапно увеличивающимся в размерах гипофизом, с одной стороны, с его почти нерастяжимой капсулой и практически не податливым турецким седлом, с другой. Открытие является отправной точкой для разработки учения об объемных конфликтах в патологии, где пока нашли отражение лишь частные вопросы этой большой и значимой для расшифровки патогенеза многих заболеваний темы. Практически все объемные конфликты связаны с дестабилизацией организма и манифестируют чаще всего тогда, когда патогенез переходит в танатогенез. Интраселлярная гипертензия относится не столько к частным, сколько к общим (системным) механизмам, управляющим адаптацией. Открытие способствует расшифровке до сих пор неясной природы гипофизарных некрозов при стрессе, которая оставалась предметом боль- шого числа преимущественно умозрительных концепций. Практическое значение открытия заключается в том, что позволяет более осмысленно использовать уже имеющийся арсенал средств борьбы с гипофизарно-надпочечниковой недоста- точностью. В этом отношении открытие должно явиться поводом для коренного пересмотра врачебной тактики при критических ситуациях. Открытие "Свойство низкопороговых тактильных кожных афферентов организма человека и животных осуществлять рецепцию болевых воздействий". Авторы открытия: д.м.н. Л.Д. Енин, академик А.Ф. Ноздрачев. Сущность открытия заключается в установлении авторами научного факта, согласно которому в рецепции повреждающих болевых воздействий на кожные покровы принимают участие не только специализированные ноцицепторы (A-d и С-афференты), но и низкопороговые тактильные эфференты. Реакция последних на тактильное и ноцигенное раздражение представляет собой либо один, либо группу потенциалов действия, параметры которых (амплитуда, длительность, количество) зависят от интенсивности воздействующего фактора. Научное значение открытия состоит в том, что оно коренным образом изменяет существующее представление о периферических механизмах рецепции повреждающих воздействий посредством только высокопороговых A-d и С-афферентов. Тем самым открываются возможности для целенаправленного поиска новых форм фармакологических и физиотерапевтических средств управления и регуляции процессов восприятия рецепторным аппаратом соматосенсорной системы повреждающих факторов и ликвидации последствий их воздействия на организм. В методологическом отношении предлагаемая концепция импульсного и числового кодирования может способствовать решению ряда задач прикладного характера в области практической медицины и робототехники. Открытие "Явление двустороннего дыхания энтероцитов млекопитающих в нормальных условиях". Авторы открытия: академик РАН А.М. Уголев, д.м.н. Л.Г. Эккерт, Л.В. Громова впервые показало, что для осуществления эффективного активного транспорта пищевых веществ в тонкой кишке необходима оксигенация ее с двух поверхностей - серозной (базолатеральной) и мукозной (апикальной). Открытие изменило прежнее представление о том, что базолатеральная мембрана в поляризованных клетках, в частности энтероцитах, является единственной дыхательной поверхностью. Оксигенация данных клеток с апикальной поверхности в естественных (физиологических) условиях может осуществляться в результате переноса кислорода к этой поверхности из капиллярной крови по межклеточным путям (по аналогии с микроциркуляцией натрия и других веществ). Научное значение открытия состоит в том, что оно вносит принципиальные изменения в представления о тканевом дыхании поляризованных эпителиальных клеток. Практическое значение открытия заключается в том, что оно представляет новые возможности в трактовке тканевой гипоксии и поиска фармакологических препаратов и средств, избирательно влияющих на разные типы клеточного дыхания и позволяющих целенаправленно воздействовать на разные виды тканевой гипоксии. Открытие "Явление прогрессирования ате- рогенеза при пролонгированном действии на организм человека малых доз излучения". Авторы открытия: д.м.н. В.С. Новиков, д.м.н. С.А. Парцерняк, д.м.н. А.А. Поваженко, установленное в результате теоретических, экс- периментальных и клинических исследований, показало, что при вегетозах, являющихся следствием нарушения регуляторных взаимодействий в функционировании основных регуляторных систем организма при пролонгированном действии малых доз ионизирующего и неионизирующего излучений, происходит быстрое прогрессирование атерогенеза. Доказано, что в этих условиях при нормальных показателях липидного спектра крови имеет место патологический процесс с участием иммунных комплексов, содержащих атерогенные липопротеиды. Этот процесс лежит в основе раннего возникновения атеросклероза и остеохондроза. Данное открытие вносит принципиальные изменения в представления о механизмах преждевременного старения и о патогенезе патологических состояний, возникающих на фоне пролонгированного действия малых доз ионизирующих и неионизирующих излучений в целом. Практически открытие создает новые возможности диагностики, лечения и профилактики при этой патологии, поиска и создания фармакологических препаратов и немедикаментозных методов, влияющих на приостановление процес-сов атерогенеза как маркера преждевременного старения. "Свойство пептидов эпифиза проявлять биологическую активность в отношении эндокринной и иммунной систем организма человека и животных". Авторы открытия: д.м.н. В.Х. Хавинсон, д.м.н. В.Г. Морозов, д.м.н. В. Н. Анисимов). Приоритет открытия от 5 июня 1973 г. Экспериментально установлено неизвестное ранее свойство пептидов эпифиза проявлять биологическую активность в отношении эндокринной и иммунной системы организма человека и животных, заключающееся в том, что при введении в организм пептидов эпифиза нормализуются возрастные изменения функций эндокринной и иммунной систем, угнетаются свободно-радикальные процессы и проявляющееся в увеличении продолжительности жизни организма (геропротекторный эффект) и торможении развития в нем опухолей (противоопухолевый эффект). "Закономерность образования патогенетиче- ских форм рака молочной железы в зависимости от патологических изменений организма человека". Автор открытия: академик РАМН В.Ф. Семиглазов. Приоритет открытия от 28 апреля 1980 г. Установлено что тиреоидная форма рака молочной железы наблюдается при патологии щитовидной железы эутиреоидного или гипотиреоидного характера; яичниковая форма - при патологии репродуктивной системы, связанной с повышенным уровнем эстрогенов; надпочечниковая - при отклонении функции надпочечников в сторону гиперкортицизма и инволютивная форма, свойственная глубокой менопаузе с выраженными инволютивными изменениями и снижением функции периферических эндокринных желез". "Закономерность изменения частоты возникновения злокачественных опухолей при неонатальной макросомии у матерей и их потомства". Автор открытия: д.м.н. Л.М. Берштейн. Приоритет открытия от 20 февраля 1973 г. Установлена неизвестная ранее закономерность изменения частоты возникновения злокачественных опухолей при неонатальной макросомии у матерей и их потомства, заключающаяся в том, что при рождении плода с повышенной массой (4000 г и более) у матерей и потомства частота возникновения злокачественных опухолей возрастает (в частности, у матерей после достижения ими возраста 50 лет и старше - до 2-3 раз), обусловленная преимущественно гормонально-метаболическими нарушениями, приводящими к родам крупным плодом. Из числа научных достижений, определяющих принципиально новые современные направления в биологии и медицине, можно привести также следующие научные открытия. "Явление селективности транскраниального электрического воздействия на защитную систему мозга человека и животных". Автор открытия: д.м.н. В.П. Лебедев. Экспериментально установлено что при воздействии через покровы черепа на мозг импульсами сагиттально приложенного электрического тока возникает селективная активация подкорковой защитной системы мозга (антиноцицептивной системы) с ее эндорфинергическими и серотонинергическими структурами, причем степень активации защит- ных механизмов мозга определяется параметрами транскраниальной электростимуляции (частотой, длительностью и формой импульсов). Научное значение открытия заключается в том, что использование принципов квазирезонансности и направленной проводимости дает возможность воздействовать на заранее выбранные структуры мозга, управляющие различными функциями организма. На этой основе разработан эффективный немедикаментозный метод лечения ряда заболеваний, широко применяемый в разных отраслях практической медицины, реализуемый с помощью аппаратов, основанных на данном открытии. "Явление накопления в организме млеко- питающих фактора старения". Авторы открытия: д.м.н. В.А. Зуев, Н.Г. Игнатова, д.м.н. Г.Г. Автандилов. Приоритет открытия от 12 января 2000 г. Экспериментально установлено, что после первой трети видовой продолжительности жизни млекопитающих (в том числе и человека) в мозговой ткани и в крови организма накапливается вещество (фактор старения), обладающее способностью стимулировать пролиферацию глиальных клеток, приводящую к гибели нейронов, и вызывать искусственное старение организмов молодых млекопитающих. Открытие посвящено выяснению механизма старения млекопитающих, включая и человека. На протяжении длительного времени человечество стремится проникнуть в тайны старения и смерти. Однако все эти долгие века, начиная с объяснений древних целителей, просматривается некое своеобразие в подходах, а именно - стремление на разных исторических этапах связать механизм старения с ухудшением функционирования тех или иных органов или систем в зависимости от того, насколько в данный исторический период пополнялись знания и представления об этом органе или этой системе. Именно поэтому в разные исторические эпохи, причины старения приписывались болезням печени, сердца, легких, почек, ослаблению деятельности желез эндокринной системы или системы иммунитета и т.д. Зачастую, не находя истинных причин процесса старения, исследователи выявляли факторы, скорее не вызывающие, а влияющие на старение организма. Активное постарение населения развитых и развивающихся стран, регистрируемое с конца XX столетия, и выражающееся в существенном увеличении среди населения доли пожилых людей, послужило серьезным стимулом к резкому усилению исследований причин и механизмов старения организма. Однако, несмотря на то, что за последнее столетие было предложено большое количество теорий и гипотез, в том числе и основанных на успехах молекулярной биологии и молекулярной генетики, в современной геронтологии не наблюдается значительного прорыва в теоретическом осмыслении проблемы происхождения и механизмов старения. Именно поэтому в последние годы многие статьи видных геронтологов нередко начинаются с краткой, но достаточно красноречивой констатации того, что "причины и механизмы старения остаются неизвестными". Авторами открытия обнаружено неизвестное ранее явление накопления в организме млекопитающих, включая и человека, фактора старения, введение которого молодым млекопитающим вызывает у них ускоренный процесс появления признаков старения. Оно вскрывает механизм старения организма, определяет время начала этого процесса и дает основание для определения химической природы фактора старения. Благодаря данному открытию становится понятным механизм гибели нейронов в процессе старения - главный морфологический признак этого процесса, и во многом может проясниться причина завершения роста организма человека к 25 годам. Основное практическое значение открытия выражается в том, что оно обосновывает поиск антифактора, введение которого в организм сможет позволить реально приступить к попыткам продления активной жизни человека.
Приведенные выше и другие зарегистрированные научные открытия наглядно показывают высокий уровень научных результатов, выдвигаемых в качестве открытий и получающих общественное признание. Основная часть зарегистрированных научных открытий относится к области биологии и медицины. Данное обстоятельство требует более глубокого анализа, что является важным как для истории науки в целом, так и для биологии и медицины в частности. Характеризуя в целом научные открытия, зарегистрированные в области естественных наук, можно отметить, что в настоящее время подавляющее их большинство получило мировое общественное научное признание, что связано, в первую очередь, с высокими требованиями, предъявляемыми при научной экспертизе, к результатам научных исследований, выдвигаемым их авторами в качестве научных открытий.
3. Что такое кварк? Удалось ли обнаружить кварки на опыте? Какое количество кварков предполагается в наиболее распространенном варианте? Какие свойства приписываются кварку?
Кварки - общее название для нескольких фундаментальных частиц, из которых можно составить любую сильновзаимодействующую частицу. При этом такие "составные" частицы будут обладать всеми основными свойствами реальных частиц. Следует заметить, что сильновзаимодействующие частицы составляют абсолютное большинство среди всех типов частиц. Столь необычное название "кварки" заимствовано из книги Джеймса Джойса "Поминки по Финнигану", где встречается словосочетание "три кварка" как таинственный крик чаек, который слышится герою романа в кошмарном бреду.
Наиболее естественно существование унитарных мультиплетов можно было объяснить, введя в рассмотрение три гипотетические частицы - кварки - с довольно экзотическими свойствами, а именно с дробными барионным и электрическим зарядами. В связи с такой экзотичностью свойств и с тем, что их три, кварки и получили свое необычное название. Если кваркам приписывать некоторые известные свойства, то достаточно всего трех кварков и трех антикварков, чтобы из них, как из деталей конструктора, построить любой из перечисленных выше адронов, причем можно показать, что адроны. "слепленные" из кварков, будут группироваться в те самые супермультиплеты, которые были известны в то время.
Парк, нарк, ларк
В более ранней и довольно успешной теории Сакаты в качестве трех основных фундаментальных частиц для построения адронов использовались протон (p), нейтрон (n) и лямбда-частица (^). Поэтому те же самые символы используют и в современной теории для обозначения трех кварков. Назовем эти кварки парком (p), нарком (n) и ларком (^). Кварки не надо путать с адронами, которые обозначаются теми же самыми символами.
Электрические заряды кварков и значения других квантовых чисел для них
Название кварка Символ Q S Y Iz B o
Парк p +2/3 0 1/3 1/2 1/3 1/2
Нарк n - 1/3 0 1/3 -1/2 1/3 1/2
Ларк ^ - 1/3 - 1 - 2/3 0 1/3 1/2
Q - электрический заряд в единицах заряда электрона;
S - квантовое число странности;
Y - квантовое число гиперзаряда (Y=B+S);
Iz - квантовое число z-компоненты изоспина;
B - барионное число;
о - внутренний момент импульса (спин).
Для всех кварков барионное число B и спин o одинаковы.
Позднее в кварковую модель ввели четвертый и пятый кварки.
Предполагается, что существует еще один, шестой кварк.
Сама тройка кварков (а также тройка антикварков) тоже образует супермультиплет - унитарный триплет.
с-Кварк (очарованный)
В конце 1974 г. одновременно в двух лабораториях была открыта новая частица, свойства которой оказались таковы, что их не удалось объяснить в рамках трехкварковой модели. Для интерпретации этих свойств потребовалось ввести четвертый кварк - с-кварк, названный очарованным (от слова charm - очарование).
с-Кварк оказался вполне равноправной частицей по отношению к остальным трем кваркам. Комбинируя с-кварк с антикварками u, d, s, можно получить новые мезоны, которые были названы очарованными.
В настоящее время уже обнаружены представители всех очарованных мезонов и некоторые очарованные барионы. На этом основании, казалось бы, можно было считать, что кварковая модель достигла совершенства, т.е. описывает все существующие частицы и не конструирует лишних, не встречающихся в природе.
b-Кварк (прелестный)
Однако, в 1977 г. была открыта еще одна частица, названная ипсилон-мезоном, свойства которой не укладывались в четырехкварковую модель. Новый, пятый кварк b, названный прелестным (от слова beauty - прелесть, иногда название b-кварка производят от слова botom - низ).
t-Кварк (правдивый)
Наконец, имеются основания считать, что должен существовать еще и шестой кварк t, названный правдивым (от слова truth) или верхним (от слова top). Одним из таких оснований является предсказываемая теорией электрослабого взаимодействия симметрия в числе кварков и лептонов (которых открыто шесть).
Природные и "самодельные" кварки
Успех кварковой модели и желание свести многообразие частиц к нескольким фундаментальным заставляют физиков искать кварки в природе.
Кваркам естественно приписать большую массу. Но рождение частиц с большой массой требует больших кинетических энергий, поэтому поиски кварков следует вести в таких условиях (естественно или искусственно созданных), когда имеется возможность трансформации большой порции кинетической энергии в энергию покоя (массу). Связь между массой кварка m q и минимальной кинетической энергией, бомбардирующей частицы Тмин, необходимой для рождения кварка этой массы, зависит от типа реакции, в которой образуется кварк. В соответствии с законами сохранения образование кварка может происходить только в паре с антикварком.
Минимальная энергия, необходимая для рождения кварка массой m q
m q m p 3m p 5m p 10m p 20m p
Тмин'm p c 6 30 70 240 880
Тмин' ГэВ 5,6 28 65 225 825
Для реакции образования кварка при соударении двух протонов получается следующая зависимость Тмин от предполагаемого значения m q:
Тмин=2(m q /m p) (2m p + m q) c
В таблице приведены значения Тмин, вычисленные по данной формуле в разных предположениях о значении массы кварка. Существуют соображения, из которых следует, что при данной энергии Т могут рождаться частицы большей массы, чем указано в таблице (напр., при Т=30 ГэВ могут родиться кварки массой до 5m p). Однако вероятность такого процесса настолько мала, что его можно не учитывать в расчетах. Из таблицы видно, что кварки массой m q < 3 m p имеет смысл искать среди частиц, образующихся в мишенях ускорителей протонов на энергию 30 ГэВ, кварки массой m q < 5 m p - в мишенях ускорителей на энергию 70 ГэВ и т.д.
Для выделения кварков из огромного числа других, рождающихся в мишени ускорителя, можно воспользоваться их специфическими свойствами, обусловленными дробностью электрического заряда. Например, пониженной ионизирующей способностью. Ионизирующая способность заряженной частицы изменяется пропорционально квадрату ее электрического заряда. Так как кварки имеют заряд, равный 1/3 или 2/3 заряда электрона, ионизирующая способность кварков составляет соответственно 1/9 или 4/9 ионизирующей способности электронов. Такие опыты были действительно предприняты сначала на ускорителях в ЦЕРНе и в Брукхейвенской лаборатории, затем в Серпухове, а потом снова в ЦЕРНе на ускорителе протонов до энергии 400 ГэВ и в Батавии на ускорителе протонов до энергии 500 ГэВ, но они не дали положительного результата. Это означает, что либо масса кварков превышает 15 протонных масс, либо они рождаются с гораздо меньшей вероятностью, чем предполагали, либо, наконец, кварков в свободном виде нет вообще.
Кварки, рожденные космическим излучением
В составе космического излучения имеются протоны энергией выше 500 ГэВ. Эти протоны в соударениях с ядрами атмосферы могут рождать кварки, даже если их масса превышает 15 m p. Кварки, рожденные космическим излучением, можно пытаться регистрировать при помощи детекторов, чувствительных к ионизации, вызываемой быстродвижущимися частицами с дробным электрическим зарядом.
4. Какие типы взаимодействия являются короткодействующими? Привести примеры систем, в которых действуют эти силы
Слабое взаимодействие менее известно за пределами узкого круга физиков и астрономов, но это нисколько не умаляет его значения. Достаточно сказать, что если бы его не было, погасли бы Солнце и другие звезды, ибо в реакциях, обеспечивающих их свечение, слабое взаимодействие играет очень важную роль. Слабое взаимодействие относится к короткодействующим: его радиус примерно в 1000 раз меньше, чем у ядерных сил.
Сильное взаимодействие - самое мощное из всех остальных. Оно определяет связи только между адронами. Ядерные силы, действующие между нуклонами в атомном ядре, - проявление этого вида взаимодействия. Оно примерно в 100 раз сильнее электромагнитного. В отличие от последнего (а также гравитационного) оно, во-первых, короткодействующее на расстоянии, большем 10-15м (порядка размера ядра), соответствующие силы между протонами и нейтронами, резко уменьшаясь, перестают их связывать друг с другом. Во-вторых, его удается удовлетворительно описать только посредством трех зарядов (цветов), образующих сложные комбинации.
Важнейшей характеристикой фундаментального взаимодействия является его радиус действия. Радиус действия - это максимальное расстояние между частицами, за пределами которого их взаимодействием можно пренебречь. При малом радиусе взаимодействие называют короткодействующим, при большом - дальнодействующим. Сильное и слабое взаимодействия являются короткодействующими. Их интенсивность быстро убывает при увеличении расстояния между частицами. Такие взаимодействия проявляются на небольшом расстоянии, недоступном для восприятия органами чувств. По этой причине эти взаимодействия были открыты позже других (лишь в XX веке) с помощью сложных экспериментальных установок. Для объяснения малого радиуса действия ядерных сил японский физик Х. Юкава в 1935 высказал гипотезу, согласно которой С. в. между нуклонами (N) происходит благодаря тому, что они обмениваются друг с другом некоторой частицей, обладающей массой, аналогично тому, как электромагнитное взаимодействие между заряженными частицами, согласно квантовой электродинамике, осуществляется посредством обмена "частицами света" - фотонами. При этом предполагалось, что существует специфическое взаимодействие, приводящее к испусканию и поглощению промежуточной частицы - переносчика ядерных сил. Другими словами, вводился новый тип взаимодействий, который позже назвали сильные взаимодействия. Исходя из известного экспериментального радиуса действия ядерных сил, Юкава оценил массу частицы - переносчика с. в. Такая оценка основана на простых квантовомеханических соображениях. Согласно квантовой механике, время наблюдения системы ?t и неопределённость в её энергии ?E связаны соотношением: ?E?t Сильные взаимодействия h, где h -планка постоянная. Поэтому, если свободный нуклон испускает частицу с массой m (т. е. энергия системы меняется согласно формуле относительности теории на величину ?E = mc2, где с - скорость света), то это может происходить лишь на время ?t Сильные взаимодействия h/mc2. За это время частица, движущаяся со скоростью, приближающейся к предельно возможной скорости света с, может пройти расстояние порядка h/mc. Следовательно, чтобы взаимодействие между двумя частицами осуществлялось путём обмена частицей массы т, расстояние между этими частицами должно быть порядка (или меньше) h/mc, т. е. радиус действия сил, переносимых частицей с массой m, должен составлять величину h/mc. При радиусе действия Сильные взаимодействия10-13 см масса переносчика ядерных сил должна быть около 300 me (где me - масса электрона), или приблизительно в 6 раз меньше массы нуклона. Такая частица была обнаружена в 1947 и названа пи-мезоном (пионом, ?). В дальнейшем выяснилось, что картина взаимодействия значительно сложнее. Оказалось, что, помимо заряженных ?± и нейтрального ?0-мезонов с массами соответственно 273 те и 264 me, взаимодействие передаётся большим числом др. мезонов с большими массами: ?, ?, ?, К,... и т. д. Кроме того, определенный вклад в С. в. (например, между мезонами и нуклонами) даёт обмен самими нуклонами и антинуклонами и их возбуждёнными состояниями барионными резонансами. Из соотношения неопределённостей следует, что обмен частицами, имеющими массы больше массы пиона, происходит на расстояниях, меньших 10-13 см, т. е. определяет характер С. в. на малых расстояниях, экспериментальное изучение различных реакций с адронами (таких, например, как реакции с передачей заряда - "перезарядкой": ?- + р > ?0 + n, К- + р > K0 + n и др.) позволяет в принципе выяснить, какой вклад в С. в. даёт обмен теми или иными частицами.
5. В чём суть идеи корпускулярно-волнового дуализма?
При исследовании поведения света физиками было обнаружено странное свойство: в одних экспериментах поведение света соответствовало поведению потока частиц или отдельных частиц, в других - свет проявлял волновой характер - вел себя как поперечная волна в упругой среде. Аналогичные свойства были обнаружены и у элементарных частиц, таких как электрон. Такое двоякое поведение получило название корпускулярно-волнового дуализма.
Суть корпускулярно-волнового дуализма заключается в том, что ни свет ни элементарные частицы не являются ни частицами, ни волнами в привычном понимании. Человеческое сознание и воображение не имеет средств для наглядного представления объектов микромира. Частицы и волны здесь являются моделями ограниченной применимости, наглядными аналогами из повседневного макромира, подкрепленные математическими соотношениями. Часть аспектов поведения лучше описывается для корпускулярной модели, часть - для волновой. Поскольку выбор той или иной модели для каждой ситуации достаточно прост, то с точки зрения математики затруднение относительно легко решается.
Суть корпускулярно волнового дуализма в величине масштаба изучения света как части спектра электромагнитного излучения.
6. Дайте несколько формулировок второго начала термодинамики
Существуют несколько эквивалентных формулировок второго начала термодинамики:
Постулат Клаузиуса: "Невозможен процесс, единственным результатом которого являлась бы передача тепла от более холодного тела к более горячему" (такой процесс называется процессом Клаузиуса).
Постулат Томсона: "Невозможен круговой процесс, единственным результатом которого было бы производство работы за счет охлаждения теплового резервуара" (такой процесс называется процессом Томсона).
Другая формулировка второго начала термодинамики основывается на понятии энтропии:
"Энтропия изолированной системы не может уменьшаться" (закон неубывания энтропии).
В наиболее общем виде второй закон термодинамики может быть сформулирован следующим образом: любой реальный самопроизвольный процесс является необратимым. Все прочие формулировки второго закон