Первые попытки научного определения этих понятий были сделаны более сорока лет назад. Тысячелетия до этого люди пользовались тем, что теперь называют «энергия», совершенно не задумываясь над сущностью происходящего и не зная не только этого термина, но и его содержания как источника деятельных сил и меры движения всех форм материи. Энтропия -это мера рассеяния энергии и увеличения всех форм беспорядка в системе. Она вообще находилась за пределами возможностей созерцательного и эмпирического познания, да и ее роль в окружающем человека мире была еще невелика.
Многие тысячелетия такие понятия, как энергия, работа, импульс, количество движения, собственно сила и другие обозначались чаще всего одним термином «сила».
Понятие «энергия» стало постепенно выделяться из многозначного понятия «сила», когда стали использоваться паровые машины, где тепло от сжигания угля превращалось в механическую работу поршня, который перемещался под давлением пара. Одним из первых термин «энергия» применительно к живой силе стал применять в 1807 г. английский ученый Т. Юнг. Позже энергию движущейся системы стали называть кинетической, а энергию системы, приведенной в состояние «напряжения», которое позволяет получить движение, хотя такого еще пока нет - потенциальной.
Постепенно люди научились различать виды материи (макротела, микрочастицы, электрические и магнитные поля и др.), формы ее движения (механическая, электрическая, химическая и др.) и виды взаимодействий (ядерные, электромагнитные, слабые, гравитационные и др.), а вследствие этого стали использовать термины «механическая энергия», «электрическая энергия», «химическая энергия» и др. Так стихийно возникло понятие «виды энергии».
Все многообразие физических взаимодействий на Земле и во Вселенной сводится к следующим основным типам:
1. Гравитационное взаимодействие, которое объясняет и довольно хорошо описывает закон всемирного тяготения. Это самое слабое из всех взаимодействий. В макромире оно проявляется в соответствии с массой тела: чем больше масса тела, тем выше гравитация. В микромире оно значительно уступает другим видам взаимодействия. Так электростатическое отталкивание электронов 1040 раз больше их гравитационного притяжения. Но при экстремально высоких плотностях вещества, гравитационное взаимодействие становится близким по своей величине с другими взаимодействиями, действующими в микромире.
В классической физике гравитационное взаимодействие описывается законом тяготения Ньютона. Гравитационные взаимодействия обусловливают образование всех космических систем, а также концентрацию рассеянной в ходе эволюции звезд и звездных систем материи и включение ее в новые циклы развития. Скорость распространения гравитационных волн считается равной скорости света, но гравитационные волны еще зарегистрированы измерительными приборами. Хотя американским физикам Расселу Халсе и Джо Тейлору удалось косвенно подтвердить существование гравитационных волн. Нобелевский комитет королевской Шведской Академии присудил премию 1993 г. по физике американским астрофизикам Джо Тэйлору и Расселу Халсе за открытие и исследование первого двойного радиопульсара, PSR 1913+16. 15-летние высокоточные наблюдения пульсара дали возможность проверить одно из наиболее интересных следствий ОТО - существование гравитационных волн, принципиально отличных по своим свойствам от электромагнитной и других известных типов энергии. Как следует из теории, два тела, обращающихся по орбите, должны излучать гравитационные волны, которые уносят энергию и орбитальный угловой момент, из-за чего орбита должна постоянно сжиматься. Для параметров двойного пульсара PSR 1913+16 теория предсказывает уменьшение орбитального периода с скоростью всего 75.8 микросекунд в год. Полученные к 1991 году Тэйлором результаты дали значение 76±0.3 микросекунды в год, что блестяще подтвердило теоретические ожидания!
С точки зрения квантовой теории гравитации, поле тяготения квантуется. Квантами гравитационного поля являются гравитоны. Силы тяготения являются результатом постоянного обмена между телами гравитонами или гравитационными волнами. Они переносят энергию, обладают пространственно-временными характеристиками, импульсом, присущими материальными объектам. Но в общей теории относительности (ОТО) существует понятие гравитации как проявление кривизны пространственно-временного континуума, т.е. гравитация относится к метрическим особенностям пространства-времени. Поле тяготения создает искривление пространства, тем больше, чем больше тяготеющая масса.
2. Электромагнитное взаимодействие - это дальнодействующее взаимодействие заряженных частиц или тел. Сила электрического притяжения или отталкивания точечных неподвижных зарядов вычисляется на основе закона Кулона. В более общих случаях используют уравнения электродинамики Максвелла. Это взаимодействие обладает универсальным характером и существует между любыми телами (зарядами). Оно может проявляться и как притяжение (между разноименными зарядами) и как отталкивание (между одноименными зарядами).
Благодаря электромагнитному взаимодействию возникают атомы, молекулы и макроскопические тела, оно всегда предшествует другим видам взаимодействия. Так, химические реакции начинаются с электромагнитных взаимодействий, в результате которых происходит перераспределение электронных плотностей взаимодействующих атомов, перестройка электронных оболочек атомов и молекул.
С начала развития физики электричества электрические и магнитные составляющие этого взаимодействия рассматривались как не связанные друг с другом. Но Максвелл доказал, что эти силы - проявление одного и того же взаимодействия. Электродинамика Максвелла является классической теорией электромагнетизма, сохраняющейся и в наше время.
Современная физика разработала более совершенную теорию электромагнитного взаимодействия. Эта теория называется квантовой электродинамикой. Теория начинается с постулирования существования электромагнитного заряда, так как природа этого заряда неизвестна. Заряд создает поле, квантом которого является бозон с массой покоя, равной нулю - фотон со спином, равным единице. Электрический заряд имеет два знака: отрицательный (присущий электрону) и положительный (присущий протону и позитрону). Взаимодействие зарядов обеспечивается обменом виртуальных фотонов. В случае разноименных зарядов обмен создает эффект притяжения, а в случае одноименных зарядов - отталкивание. Во всех процессах с участием электромагнитных зарядов выполняется закон сохранения зарядов, энергии, импульсов и т. д.
3. Слабое взаимодействие обусловливает некоторые процессы в мире элементарных частиц, т.е. существует только в микромире. Примером такого процесса является известный β-распад, в результате которого нейтрон превращается в протон, электрон и электронное антинейтрино. Распад вызывается превращением внутри нейтрона кварка аромата d в кварк аромата u. Вылетающий электрон обеспечивает сохранение суммарного электрического заряда, а антинейтрино позволяет сохранить суммарный механический импульс системы. В этом взаимодействии постулируется существование фундаментального слабого заряда, присущего некоторым частицам из класса лептонов и кварков. Слабый заряд образует три разновидности поля с тремя обменными бозонными частицами, имеющими значительную массу. Слабое взаимодействие переносится векторными бозонами и имеет радиус действия порядка 10-15 см. В шестидесятых годах двадцатого века С. Вайнберг и А. Салам предположили, что слабое и электромагнитное взаимодействия - разные стороны проявления одного взаимодействия, наподобие электромагнитного. Эта теория исходит из существования единого фундаментального заряда, отвечающего одновременно и за слабое, и за электромагнитное взаимодействия. При очень высоких температурах (энергиях) структура вакуума нарушается и не может помешать проявлению такого заряда. Тогда слабое и электромагнитное взаимодействия сливаются воедино, а заряд порождает общее поле, квантом которого служит безмассовая бозонная частица с бесконечным радиусом действия. При понижении температуры наступает критический момент, после которого вакуум переходит в более упорядоченную модификацию, что меняет характер его взаимодействия с электрослабым зарядом. В результате заряд распадается на две части, одна из которых предстает как электромагнитный заряд, а другая - как слабый заряд. Бозонная частица с нулевой массой покоя распадается на четыре составляющих. Выделяется бозон электромагнитного взаимодействия - он остается фотоном. А трем полям слабого заряда соответствуют три тяжелых бозона со своими массами, полученными в результате взаимодействия со структурой модифицированного вакуума.
Эта теория допустила экспериментальную проверку. Так, она предсказала значения масс век-торных бозонов, которые были подтверждены в ходе экспериментов на ускорителе (Симон ван дер Мер за решающий вклад в большой проект, осуществление которого привело коткрытию полевых частиц W и Z, переносчиков слабого взаимодействия, удостоен премии. Карло Руббиа награжден премией за решающий вклад в большой проект, который привел к открытию квантов поля W- и Z-частиц, переносчиков слабого взаимодействия. Нобелевская премия 1984 г.).
Это короткодействующее и, казалось бы, малоощутимое взаимодействие имеет самое прямое отношение к термоядерным реакциям, в ходе которых в недрах звёзд водород превращается в гелий, и к другим процессам, сопровождающим эволюцию звёзд разных типов.
4. Сильное взаимодействие - короткодействующее взаимодействие (радиус действия около 10-13 см) примерно на три порядка меньше радиуса слабого взаимодействия. Это взаимодействие обеспечивает прочную связь между нуклонами в ядрах атомов и, вероятно, связывающее кварки внутри элементарных частиц. Как и слабое взаимодействие, оно играет важную роль во многих процессах, происходящих в природе и используемых в технике.
Основная функция сильного взаимодействия - соединять кварки и антикварки в адроны. Теория сильного взаимодействия является типичной полевой теорией и названа квантовой хромо-динамикой. Основным положением ее служит постулат о существовании трех типов цветовых зарядов: красного, синего и зеленого, выражающих способность к объединению кварков в сильном взаимодействии. Каждый из кварков содержит некоторую комбинацию таких зарядов, но при этом не происходит их полной взаимокомпенсации и кварк обладает результирующим цветом, т.е. сохраняет способность к сильному взаимодействию с другими кварками. Но когда три кварка или кварк и антикварк объединяются в адрон, суммарная комбинация цветовых зарядов в нем такова, что адрон в целом обладает цветовой нейтральностью.
Цветовые заряды создают поля с присущими им квантами - бозонами. Обмен виртуальными цветовыми бозонами между кварками и антикварками служит материальной основой сильного взаимодействия. Заряды создают 8 полей с соответствующими восемью бозонными частицами, которые называют глюонами. Им приписывают экзотические свойства: они не имеют массы покоя, чем схожи с фотоном и гравитоном. Но шесть из восьми глюонов имеют цветовые заряды, как и те фермионы, для которых они служат переносчиками взаимодействия. Ни один другой бозон, фигурирующий в полевых теориях, не является носителем заряда, поэтому ранее считалось, что иметь заряд - привилегия фермионов. Глюоны с нулевой массой покоя имеют ограниченный радиус действия 10-13 см, а их цветовой заряд провоцирует сильнейшее возмущение вакуума, так как вызывает активное выделение в вакууме облака виртуальных глюонов и кварк-антикварковых пар, компенсирующих это возмущение. Образовавшееся при этом пространственное распределение цветового заряда уменьшает силу взаимодействия между кварками при их сближении. На очень близких расстояниях вакуумная компенсация цветовых зарядов приводит к тому, что кварки перестают влиять друг на друга и ведут себя как свободные частицы. С увеличением расстояния между кварками сила взаимодействия возрастает. Для разделения двух частиц с цветовыми зарядами понадобилась бы бесконечно большая энергия. Но как только вводимая энергия превысит некоторый определенный уровень, вакуум выделяет уже не виртуальные, а реальные частицы (кварки-антикварки), которые соединяются с первичными частицами и образуют поток адронов, что и наблюдается в экспериментах на ускорителях. Сильное взаимодействие при любых условиях сохраняет бесцветность частиц.
Долгое время до открытия кварков фундаментальным взаимодействием считали ядерное взаимодействие, объединяющее протоны и нейтроны в ядрах атомов. С открытием кваркового уровня вещества, под сильным взаимодействием стали понимать цветовые взаимодействия между кварками, объединяющимися в адроны. Ядерные силы должны как-то выражаться через цветовые силы. Но это не просто сделать, так как барионы (протоны и нейтроны), составляющие ядра, являются цветонейтральными. Теория предполагает, что при сближении барионов на расстояния меньшие, чем 10-13 см, они теряют свои индивидуальные особенности. Глюонный обмен между кварками, удерживающий их в адронах, принимает коллективный характер, связывая кварки всех барионов в единую систему - атомное ядро. Перемещение одного из кварков в сторону другого нарушает локальную нейтральность цветового заряда. Вакуум реагирует на это рождением виртуальной пары кварк-антикварк. Кварк этой пары замещает «нарушителя» на его месте, а антикварк вместе с беглецом образует виртуальный пион (пи-мезон), принимаемый за обменную частицу ядерного взаимодействия.
Рассмотренные четыре типа фундаментальных взаимодействий лежат в основе всех других известных форм движения материи, в том числе возникших на высших ступенях развития.
Физики всегда мечтали создать теорию, объединяющую все физические взаимодействия. Началом создания такой теории было объединение электромагнитного и слабого взаимодействия. Есть попытки создать теорию Большого объединения, объединяющую электромагнитое, слабое и сильное взаимодействия. Еще более грандиозна идея создания Суперобъединения, охватывающую все четыре взаимодействия.
Физики считают, что эту теорию они могут создать на основе теории суперструн, которая появилась совсем недавно. Ее создателями явились М. Грин (Великобритания) и Дж. Шварц (США). Эта теория описывает некие протяженные объекты - струны. Струны - это пространственные отрезки с характерным размером планковской длины 10-33 см. Предполагается что на таких малых расстояниях должны проявляться 6 дополнительных пространственных измерений, которые в отличие от обычных четырех измерений компактифицированы, т.е. свернуты в точки, замкнуты, ограничены в определенных областях и не распространяются в область макромира.
Эта теория является следствием объединения квантовой теории поля с общей теорией относительности. Понятие струны в ней становится синонимом понятия микрочастицы или вообще локализованного в пространстве объекта. Все известные частицы представляют собой определенное возбужденное состояние струны. Такие состояния можно сравнить с набором звуков, вызываемым колебанием струны (например, гитары или скрипки). Более высокие звуки можно сопоставить с новыми частицами, масса которых больше массы предыдущих частиц. Введение понятия струны полностью исключает точечные представления из структуры микромира. Эта теория в сущности сводит физику к геометрии очень сложных пространств.
Теория суперструн тесно связана с новыми представлениями о симметрии - с концепцией суперсимметрии, открытой в 60-70-х годах, которая связала между собой бозоны и фермионы. Преобразования суперсимметрии переводит их друг в друга, и также связывают физику с геометрией. Согласно теории суперструн, фундаментальным объектом современной физики является квантованное суперструнное поле, возбуждениями которого являются сулерструны, взаимодействующие друг с другом и вакуумом (возникающие и поглощающиеся в нем). Струны, в свою очередь, порождают элементарные частицы.
Теория суперструн ведет к некоторым нетривиальным следствиям. Так, среди порожденных струнами элементарных частиц, должны быть гипотетические частицы тахионы - движущиеся со скоростями выше скорости света. Следствием этой теории является объяснение «теневого мира», открытого астрономами факта, что галактики и скопления галактик содержат большую массу невидимого вещества, в десятки раз превосходящего массу самих галактик.
Поможем написать любую работу на аналогичную тему