Методические особенности формирования целостной физической картины мира

(6 ученик) Квантовые представления

При уменьшении размеров пространственной области, следуют внутренние области молекул и атомов. В микромире, в диапазоне расстояний от 10-10 до 10-16 м, основную роль играет электромагнитное взаимодействие, объединяющее ядро и электроны в устойчивые системы — атомы и молекулы. Типичные физические явления состоят в переходе атома из одного стационарного состояния в другое с излучением или поглощением кванта энергии.

Переход в эту область микромира заставляет существенно пересмотреть механическую картину движения. Микрочастицы не движутся здесь по определенным траекториям, а проявляют двойственные корпускулярно-волновые свойства. По-новому решается вопрос и об изменении состояния систем: появляются квантовые скачки, сразу переводящие систему из одного дискретного состояния в другое, минуя все промежуточные. Эту область микромира изучает квантовая механика, элементы которой мы изучили в физике атома, в квантовой природе света.

Перешагнем последний достаточно изученный в физике рубеж — 10-15 м — и обратимся к системе, состоящей из протонов и нейтронов, то есть к ядру. Нуклоны связаны самым интенсивным взаимодействием — сильным, которое осуществляется путем обмена π-мезонами между парой нуклонов на расстояниях, не превышающих 10-15 м и обеспечивающих притяжение. Электромагнитное взаимодействие в этой области тоже имеет место и играет важную роль, хотя и уступает сильному. Так, пока ядра состоят из немногих нуклонов, сильное взаимодействие — притяжение — превышает электромагнитное отталкивание положительных протонов и ядро прочно. Но для тяжелых ядер, состоящих из сотен нуклонов, притяжение и отталкивание выравниваются, так как отталкивание осуществляется между каждым и всеми остальными протонами, а притяжение — только между соседними. После известного предела (уран, трансурановые элементы) ядра неустойчивы.

Далее, вплоть до достигнутого в настоящее время предела на шкале расстояний порядка 10-17 — 10-18 м материя представлена только элементарными частицами, причем, кроме названных выше частиц, имеется много неустойчивых, возникающих и исчезающих в реакциях, взаимных превращениях элементарных частиц. Эти процессы обусловлены как сильными, так и электрослабыми взаимодействиями.

Рамки современной физической картины мира. Неисчерпаемость знаний о мире (7 ученик)

Хотя физическая наука охватывает огромную область различных физических явлений, содержит множество законов и выводов, она не является полностью завершенной. Последняя точка в ней никогда не будет поставлена, так как материальный мир многообразен, а знания о нем неисчерпаемы.

Современная ФКМ ограничена «снизу», со стороны малых расстояний, но даже в этой области наши знания о природе и строении элементарных частиц пока что далеко не полны. Сейчас с помощью самых мощных ускорителей доступны изучению структурные элементы и их взаимодействия внутри элементарных частиц на расстояниях порядка 10-17 — 10-18 м. В последнее время здесь достигнуты замечательные успехи: открыто сложное строение мезонов и барионов. Оказалось, что они состоят из более «простых» частиц — кварков. Кварки и лептоны сейчас следует рассматривать как элементарные.

Ограничена современная ФКМ и «сверху», со стороны больших расстояний, пределами «видимости» в оптические и радиотелескопы. С их помощью получают сведения о строении и движении материи в мега-мире до расстояний порядка 1025 — 1020 м. В последнее время, несмотря на скудность информации о таких отдаленных областях Вселенной, и здесь сделаны удивительные открытия. Открыты новые, ранее неведомые человеку объекты: пульсары — нейтронные звезды чрезвычайно высокой плотности, квазары и ядра галактик — объекты с непостижимо большим излучением энергии, природа которых не ясна, и другие.