Контрольная работа по "Концепциям современного естествознания"

    Заряженная частица  испускает фотон, в силу чего  состояние ее движения изменяется. Другая частица поглощает этот  фотон и также изменяет состояние  своего движения. В результате  частицы как бы чувствуют наличие  друг друга. Хорошо известно, что  электрический заряд является  размерной величиной. Удобно ввести  безразмерную константу связи  электромагнитного взаимодействия. Для этого надо использовать  фундаментальные постоянные  и c. В результате приходим к следующей безразмерной константе связи, называемой в атомной физике постоянной тонкой структуры

= e2/ c 1/137.

Легко заметить, что данная константа  значительно превышает константы  гравитационного и слабого взаимодействий.  
    С современной точки зрения электромагнитное и слабое взаимодействия представляют собой различные стороны единого электрослабого взаимодействия. Создана объединенная теория электрослабого взаимодействия - теория Вайнберга-Салама-Глэшоу, объясняющая с единых позиций все аспекты электромагнитных и слабых взаимодействий. Можно ли понять на качественном уровне, как происходит разделение объединенного взаимодействия на отдельные, как бы независимые взаимодействия?  
    Пока характерные энергии достаточно малы, электромагнитное и слабое взаимодействия отделены и не влияют друг на друга. С ростом энергии начинается их взаимовлияние, и при достаточно больших энергиях эти взаимодействия сливаются в единое электрослабое взаимодействие. Характерная энергия объединения оценивается по порядку величины как 102 ГэВ (ГэВ - это сокращенное от гигаэлектрон-вольт, 1 ГэВ = 109 эВ, 1 эВ = 1.6·10-12 эрг = 1.6·1019 Дж). Для сравнения отметим, что характерная энергия электрона в основном состоянии атома водорода порядка 10-8 ГэВ, характерная энергия связи атомного ядра порядка 10-2 ГэВ, характерная энергия связи твердого тела порядка 10-10 ГэВ. Таким образом, характерная энергия объединения электромагнитных и слабых взаимодействий огромна по сравнению с характерными энергиями в атомной и ядерной физике. По этой причине электромагнитное и слабое взаимодействия не проявляют в обычных физических явлениях своей единой сущности.

Сильное взаимодействие

    Сильное взаимодействие  ответственно за устойчивость  атомных ядер. Поскольку атомные  ядра большинства химических  элементов стабильны, то ясно, что взаимодействие, которое удерживает  их от распада, должно быть  достаточно сильным. Хорошо известно, что ядра состоят из протонов  и нейтронов. Чтобы положительно  заряженные протоны не разлетелись  в разные стороны, необходимо  наличие сил притяжения между  ними, превосходящих силы электростатического  отталкивания. Именно сильное взаимодействие  является ответственным за эти  силы притяжения.  
    Характерной чертой сильного взаимодействия является его зарядовая независимость. Ядерные силы притяжения между протонами, между нейтронами и между протоном и нейтроном по существу одинаковы. Отсюда следует, что с точки зрения сильных взаимодействий протон и нейтрон неотличимы и для них используется единый термин нуклон, то есть частица ядра.

Характерный масштаб сильного взаимодействия можно проиллюстрировать рассмотрев два покоящихся нуклона. Теория приводит к потенциальной энергии их взаимодействия в виде потенциала Юкавы 

где величина r0 10-13  см и совпадает по порядку величины с характерным размером ядра, g - константа связи сильного взаимодействия. Это соотношение показывает, что сильное взаимодействие является короткодействующим и по существу полностью сосредоточено на расстояниях, не превышающих характерного размера ядра. При r > r0 оно практически исчезает. Известным макроскопическим проявлением сильного взаимодействия служит эффект -радиоактивности. Следует, однако, иметь в виду, что потенциал Юкавы не является универсальным свойством сильного взаимодействия и не связан с его фундаментальными аспектами.  
    В настоящее время существует квантовая теория сильного взаимодействия, получившая название квантовой хромодинамики. Согласно этой теории, переносчиками сильного взаимодействия являются элементарные частицы - глюоны. По современным представлениям частицы, участвующие в сильном взаимодействии и называемые адронами, состоят из элементарных частиц - кварков.  
    Кварки представляют собой фермионы со спином 1/2 и ненулевой массой. Наиболее удивительным свойством кварков является их дробный электрический заряд. Кварки формируются в три пары (три поколения дублетов), обозначаемые следующим образом:

Каждый тип кварка принято называть ароматом, так что существуют шесть  кварковых ароматов. При этом u-, c-, t-кварки имеют электрический заряд 2/3|e| , а d-, s-, b-кварки - электрический  заряд -1/3|e|, где e - заряд электрона. Кроме  того, существуют три кварка данного  аромата. Они отличаются квантовым  числом, называемым цветом и принимающим  три значения: желтый, синий, красный. Каждому кварку соответствует антикварк, имеющий по отношению к данному  кварку противоположный электрический  заряд и так называемый антицвет: антижелтый, антисиний, антикрасный. Принимая во внимание число ароматов и цветов, мы видим, что всего существуют 36 кварков и антикварков.  
    Кварки взаимодействуют друг с другом посредством обмена восемью глюонами, которые представляют собой безмассовые бозоны со спином 1. В процессе взаимодействия цвета кварков могут изменяться. При этом сильное взаимодействие условно изображается следующим образом:

Кварк, входящий в состав адрона, испускает  глюон, в силу чего состояние движения адрона изменяется. Этот глюон поглощается  кварком, входящим в состав другого  адрона, и меняет состояние его  движения. В результате возникает  взаимовоздействие адронов друг на друга.  
    Природа устроена так, что взаимодействие кварков всегда ведет к образованию бесцветных связанных состояний, которые как раз и являются адронами. Например, протон и нейтрон составлены из трех кварков: p = uud, n = udd. Пион составлен из кварка u и антикварка :  = u . Отличительная черта кварк-кваркового взаимодействия через глюоны состоит в том, что с уменьшением расстояния между кварками их взаимодействие ослабляется. Это явление получило название асимптотической свободы и ведет к тому, что внутри адронов кварки можно рассматривать как свободные частицы. Асимптотическая свобода естественным образом вытекает из квантовой хромодинамики. Имеются экспериментальные и теоретические указания на то, что с ростом расстояния взаимодействие между кварками должно возрастать, в силу чего кваркам энергетически выгодно находиться внутри адрона. Это означает, что мы можем наблюдать только бесцветные объекты - адроны. Одиночные кварки и глюоны, обладающие цветом, не могут существовать в свободном состоянии. Явление удержания элементарных частиц, обладающих цветом, внутри адронов получило название конфайнмента. Для объяснения конфайнмента предлагались различные модели, однако последовательное описание, вытекающее из первых принципов теории, до сих пор не построено. С качественной точки зрения трудности связаны с тем, что, обладая цветом, глюоны взаимодействуют со всеми цветными объектами, в том числе и друг с другом. По этой причине квантовая хромодинамика является существенно нелинейной теорией и приближенные методы исследования, принятые в квантовой электродинамике и электрослабой теории, оказываются не вполне адекватными в теории сильных взаимодействий

Слабое  взаимодействие

    Это взаимодействие  является наиболее слабым из  фундаментальных взаимодействий, экспериментально  наблюдаемых в распадах элементарных  частиц, где принципиально существенными  являются квантовые эффекты. Напомним, что квантовые проявления гравитационного  взаимодействия никогда не наблюдались.  Слабое взаимодействие выделяется  с помощью следующего правила:  если в процессе взаимодействия  участвует элементарная частица,  называемая нейтрино (или антинейтрино), то данное взаимодействие является  слабым.

Типичный пример слабого взаимодействия - это бета-распад нейтрона

n p + e- + e,

где n - нейтрон, p - протон, e- - электрон, e - электронное антинейтрино. Следует, однако, иметь в виду, что указанное выше правило совсем не означает, что любой акт слабого взаимодействия обязан сопровождаться нейтрино или антинейтрино. Известно, что имеет место большое число безнейтринных распадов. В качестве примера можно отметить процесс распада лямбда-гиперона на протон p и отрицательно заряженный пион . По современным представлениям нейтрон и протон не являются истинно элементарными частицами, а состоят из элементарных частиц, называемых кварками.  
    Интенсивность слабого взаимодействия характеризуется константой связи Ферми GF. Константа GF размерна. Чтобы образовать безразмерную величину, необходимо использовать какую-нибудь эталонную массу, например массу протона mp. Тогда безразмерная константа связи будет

GFmp2 ~ 10-5.

Видно, что слабое взаимодействие гораздо интенсивнее гравитационного.  
    Слабое взаимодействие в отличие от гравитационного является короткодействующим. Это означает, что слабое взаимодействие между частицами начинает действовать, только если частицы находятся достаточно близко друг к другу. Если же расстояние между частицами превосходит некоторую величину, называемую характерным радиусом взаимодействия, слабое взаимодействие не проявляет себя. Экспериментально установлено, что характерный радиус слабого взаимодействия порядка 10-15 см, то есть слабое взаимодействие, сосредоточен на расстояниях меньше размеров атомного ядра.  
    Почему можно говорить о слабом взаимодействии как о независимом виде фундаментальных взаимодействий? Ответ прост. Установлено, что есть процессы превращений элементарных частиц, которые не сводятся к гравитационным, электромагнитным и сильным взаимодействиям. Хороший пример, показывающий, что существуют три качественно различных взаимодействия в ядерных явлениях, связан с радиоактивностью. Эксперименты указывают на наличие трех различных видов радиоактивности: -, - и -радиоактивных распадов. При этом -распад обусловлен сильным взаимодействием, -распад - электромагнитным. Оставшийся -распад не может быть объяснен электромагнитным и сильным взаимодействиями, и мы вынуждены принять, что есть еще одно фундаментальное взаимодействие, названное слабым. В общем случае необходимость введения слабого взаимодействия обусловлена тем, что в природе происходят процессы, в которых электромагнитные и сильные распады запрещены законами сохранения.  
    Хотя слабое взаимодействие существенно сосредоточено внутри ядра, оно имеет определенные макроскопические проявления. Как мы уже отмечали, оно связано с процессом -радиоактивности. Кроме того, слабое взаимодействие играет важную роль в так называемых термоядерных реакциях, ответственных за механизм энерговыделения в звездах.  
    Удивительнейшим свойством слабого взаимодействия является существование процессов, в которых проявляется зеркальная асимметрия. На первый взгляд кажется очевидным, что разница между понятиями левое и правое условна. Действительно, процессы гравитационного, электромагнитного и сильного взаимодействия инвариантны относительно пространственной инверсии, осуществляющей зеркальное отражение. Говорят, что в таких процессах сохраняется пространственная четность P. Однако экспериментально установлено, что слабые процессы могут протекать с несохранением пространственной четности и, следовательно, как бы чувствуют разницу между левым и правым. В настоящее время имеются твердые экспериментальные доказательства, что несохранение четности в слабых взаимодействиях носит универсальный характер, оно проявляет себя не только в распадах элементарных частиц, но и в ядерных и даже атомных явлениях. Следует признать, что зеркальная асимметрия представляет собой свойство Природы на самом фундаментальном уровне.  
    Несохранение четности в слабых взаимодействиях выглядело настолько необычным свойством, что практически сразу после его открытия теоретики предприняли попытки показать, что на самом деле существует полная симметрия между левым и правым, только она имеет более глубокий смысл, чем это ранее считалось. Зеркальное отражение должно сопровождаться заменой частиц на античастицы (зарядовое сопряжение C ), и тогда все фундаментальные взаимодействия должны быть инвариантными. Однако позднее было установлено, что эта инвариантность не является универсальной. Существуют слабые распады так называемых долгоживущих нейтральных каонов на пионы , , запрещенные, если бы указанная инвариантность реально имела место. Таким образом, отличительным свойством слабого взаимодействия является его CP-неинвариантность. Возможно, что это свойство ответственно за то обстоятельство, что вещество во Вселенной значительно превалирует над антивеществом, построенным из античастиц. Мир и антимир несимметричны.  
    Вопрос о том, какие частицы являются переносчиками слабого взаимодействия, долгое время был неясен. Понимания удалось достичь сравнительно недавно в рамках объединенной теории электрослабых взаимодействий - теории Вайнберга-Салама-Глэшоу. В настоящее время общепринято, что переносчиками слабого взаимодействия являются так называемые - и Z0-бозоны. Это заряженные и нейтральная Z0 элементарные частицы со спином 1 и массами, равными по порядку величины 100 mp.

3. Что такое самоорганизация в термодинамических системах? Возможны ли аналогии при анализе самоорганизации в системах другой природы?

Междисциплинарное направление  исследований, называемое синергетикой, или теорией самоорганизации, сложилось  при слиянии концепций нескольких изначально независимых направлений: кибернетики, термодинамики необратимых  процессов, кинетической теории химических реакций, экологии, физической теории фазовых переходов, фрактальной  геометрии. Основа синергетики –  общность нелинейных процессов в  системах самой разнообразной природы (изучаемых как естественными, так  и гуманитарными науками), что  позволяет описывать явления  из самых разных областей с помощью  близких математических моделей. Явления  самоорганизации имеют место  в физических, химических биологических, геологических и социальных системах, что фиксируется в виде эмпирических фактов. Эти эмпирические факты теоретически объясняются в рамках теории самоорганизации  с помощью соответствующего математического  формализма – теории качественного  анализа нелинейных дифференциальных уравнений, которая имеет осмысленное  истолкование в рамках теоретической  схемы, включающей в себя специфические  представления о системе, причинности, пространственно-временных отношениях, связях с внешней средой [1]. Иными  словами, в основе концепции самоорганизации  лежат философские принципы и  представления, отличающиеся от оснований  классического естествознания.  

Настоящая работа посвящена  философскому анализу места второго  начала термодинамики в представлениях синергетики, в частности критическому анализу представлений бельгийской  школы И.Пригожина [2]. В рамках этой школы развивается термодинамический  подход к описанию самоорганизации: в открытых системах, обменивающихся с окружающей средой потоками вещества или энергии, однородное состояние  равновесия может терять устойчивость и необратимо переходить в неоднородное стационарное состояние, устойчивое относительно малых возмущений. Эти стационарные состояния получили название диссипативных  структур. Явления самоорганизации  в системах любой природы в  рамках данных представлений трактуются в термодинамических терминах, на основе понятия энтропии. При этом, отталкиваясь от второго начала термодинамики  и связанной с ним проблемы соотношения обратимых и необратимых  процессов в физике (из законов  механики вытекает постоянство энтропии, второй закон термодинамики требует  ее возрастания), представители бельгийской  школы проводят грань между процессами организации (механическими) и самоорганизации (термодинамическими, в которых присутствует задаваемая ростом энтропии «стрела  времени»).