3. Квантово-полевая картина мира (возникла в начале хх века, в основе – квантовая механика Луи де Бройля, Шредингера, Гейзенберга и Борна)

Основные черты КПКМ:

• Изучение свойств открытых микрочастиц показало, что они проявляют не только свойства частицы, но и свойства волны (интерференция и дифракция электрона) → Материя обладает одновременно и корпускулярными, и волновыми свойствами (квантово-полевая модель реальности).

• Материя способна изменяться, т.к. основные свойства элементарных частиц – это их взаимозависимость и взаимопревращаемость.

• Движение – это только частный случай физического взаимодействия (известно 4 вида фундаментальных физических взаимодействий: гравитационное, электромагнитное, сильное и слабое – поговорим позже). Они осуществляются на основе принципа близкодействия – т.е. взаимодействия передаются соответствующими полями от точки к точке; скорость передачи конечна и не превышает V_света в вакууме (300 000 км/с).

• Пространство и время относительны, они зависят от материи и друг от друга и, согласно теории относительности, сливаются в едином четырехмерном пространственно-временном континууме (сплошная материальная среда, свойства которой изменяются в пространстве и во времени непрерывно).

• Изменились представления о человеке. Человек – это наблюдатель от которого зависит получаемая картина мира. Наш мир таков, каков он есть сейчас, только благодаря существованию человека. Появление человека – закономерный результат эволюции Вселенной.

КПКМ и сейчас находится в стадии становления, с каждым годом к ней добавляются новые элементы, гипотезы, теории и т.п.

Мы уже говорили о том, что ключевым понятием физики является «материя». Поэтому в обязательном порядке нужно поговорить о представлениях о материи с точки зрения физики, об основных физических законах, характеризующих материю.

Представления о материи с точки зрения физики

1. Законы сохранения физических величин.

Учеными выяснена важная особенность природы – симметрия (означает соразмерность).

Симметрия проявляется на всех уровнях строения материи: в микромире (после взаимодействий элементарные частицы неразличимы); в макромире – множество примеров: молекулы (зеркальная симметрия – изомеры) кристаллы (поворотная симметрия), живые организмы (радиальная; двусторонняя симметрия); в мегамире (структура спиральных и эллиптических галактик, шарообразное строение звезд и планет). Известно и множество примеров нарушения симметрии: при анатомической симметрии правого и левого полушарий у человека общеизвестна их функциональная асимметрия (право- и леворукость); в состав живых организмов входят только «правовращающие» сахара и «левовращающие» АК; во Вселенной нарушена симметрия между веществом и антивеществом (последнего намного меньше).

В начале 20 в. (1918 г.) немецким математиком Эммой Нетер была доказана теорема, согласно которой именно из свойства симметрии вытекают все законы сохранения. Что же такое – законы сохранения:

Законы сохранения физических величин – это утверждения, согласно которым численные значения некоторых величин не изменяются со временем в любых процессах.

Законы сохранения – самые важные, основополагающие утверждения современного естествознания, демонстрирующие единство материального мира. Они обязательно выполняются во всех процессах, происходящих без обмена веществом и энергией с окружающей средой.

З-н сохранения вещества и энергии – при любых физических взаимодействиях вещество и энергия не возникают и не исчезают, а только превращаются из формы в другую.

Переходы вещества: образование оксидов при горении веществ (масса увеличивается, т.к. добавляется масса О₂) - особенно ярко проявляется в химии.

Переходы энергии: трение → теплота, электричество → магнетизм, механическое движение → электричество, тепло → электричество и т.д.

Теория относительности Эйнштейна связала массу и энергию уравнением Е=mc^2: «масса тела есть мера содержащейся в нем энергии».

З-н сохранения импульса

Импульс – произведение массы на скорость (Р=mV). В замкнутой системе при любых взаимодействиях тел сумма их импульсов остается постоянной.

На этом принципе построена игра в бильярд.

Также на з-не сохранения импульса основана стрельба из огнестрельного оружия. Посланная вперед пуля и стрелок имеют сумму импульсов, равную нулю. Для выполнения з-на сохранения импульса маленькая масса пули требует большой скорости. Стрелок же из-за своей большой массы (по сравнению с пулей) получает ничтожную скорость в виде отдачи ружья.

З-н сохранения момента импульса

Моментом импульса обладают все вращающиеся тела: L=mVr → с уменьшением радиуса скорость возрастает.

Особенно хорошо этот з-н проявляется в фигурном катании: в начале вращения обе руки и нога разводятся на максимально возможное расстояние от тела. Затем, подводя руки и ногу обратно к телу (уменьшая радиус), фигурист начинает вращаться быстрее.

Сохранение момента импульса происходит как в процессах микромира, так и в масштабах вращающихся звезд и галактик – этот з-н имеет всеобщий хар-р.

З-н сохранения электрического заряда – в замкнутой системе, в которой отсутствуют контакты с внешним миром, при любых взаимодействиях тел сумма электрических зарядов всех тел остается постоянной (q₁+q₂+…+q_n=const.).

Электрический заряд замкнутой системы не изменяется при любых протекающих в ней процессах. Если в результате реакций заряженные частицы рождаются, то суммарный заряд системы не изменяется, т.к. рождаются всегда пары частиц с противоположными знаками заряда. Нельзя уничтожить заряд только одного знака, возможно лишь взаимное уничтожение двух электрических зарядов противоположных знаков.

Определенные представления о материи заложены и в теории электромагнитного поля.