Концепция современного естествознания

      Странность - в ядерной физике - целое квантовое  число, характеризующее адроны. Странности элементарных частиц и античастиц противоположны по знаку.

      Адроны - элементарные частицы, участвующие  в сильных взаимодействиях (протон, нейтрон, гипероны, мезоны, а также  все резонансные частицы).

      Элементарные частицы - простейшие структурные элементы материи, которые на современном  уровне развития физики нельзя считать  соединением других частиц.

      Между элементарными частицами осуществляются сильные, электромагнитные и слабые взаимодействия, по отношению к которым  элементарные частицы подразделяются:  
- на адроны, участвующие в сильном взаимодействии; 

      - на лептоны, не участвующие  в сильном взаимодействии; и 

      - на виртуальные частицы, выступающие  переносчиками взаимодействий между  частицами.

      По  другой классификации элементарные частицы подразделяются: 

      - на составные частицы адроны; и 

      - на фундаментальные частицы без  внутренней структуры.

      Глюон - гипотетическая частица, которая является переносчиком взаимодействия между  кварками.

      Глюон - квант поля межкваркового взаимодействия.

      Кварки - гипотетические элементарные частицы, из которых состоят все адроны. Считается, что кварки заключены  внутри адронов и неспособны их покидать.

      Странность  S - квантовое число в физике элементарных частиц, необходимое для описания определенных короткоживущих частиц. Странность частицы определяется как: 

      S=N-s - Ns, 

      где

             N-s — количество странных антикварков

             Ns — количество странных кварков.

      Причина для такого непонятного с первого  взгляда определения в том, что  концепция странности была определена до открытия существования кварков, и для сохранения смысла изначального определения странный кварк должен иметь странность -1, а странный антикварк  должен иметь странность +1. Для всех ароматов кварков (странность, очарование, прелесть и истинность) правило следующее: значение аромата и электрический  заряд кварка имеют одинаковый знак. По этому правилу любой аромат, переносимый заряженным мезоном, имеет  тот же знак, что и его заряд. .  
 
 

      5. Дефект массы, энергия связи.

      Задача  о нецелочисленности атомного веса изотопов долго волновала учёных, но теория относительности, установив  связь между массой и энергией тела (E=mc2), дала ключ к решению этой задачи, а протон-нейтронная модель атомного ядра оказалась тем замком, к которому этот ключ подошёл. Для решения данной задачи понадобятся некоторые сведения о массах элементарных частиц и атомных ядер (табл. 1.1).

      Таблица 1.1

      Масса и атомный вес  некоторых частиц

      (Массы  нуклидов и их разности определяют  опытным путем с помощью: масс-спектроскопических  измерений; измерений энергий различных ядерных реакций; измерений энергий β- и α-распадов; микроволновых измерений, дающих отношение масс или их разностей.)

      Сравним массу a-частицы, т.е. ядра гелия, с массой двух протонов и двух нейтронов, из которых оно состоит. Для этого из суммы удвоенной массы протона и удвоенной массы нейтрона вычтем массу a-частицы и полученную таким образом величину назовём дефектом массы

      Dm=2Mp+2Mn-Ma=0,03037 а.е.м. (1.1)

      Атомная единица массы

      mа.е.м.= (1,6597±0,0004)´10-27 кг.(1.2)

      Пользуясь формулой связи между массой и  энергией, делаемой теорией относительности, можно определить величину энергии, которая соответствует этой массе, и выразить её в джоулях или, что  более удобно, в мегаэлектронвольтах (1 Мэв=106 эв). 1 Мэв соответствует энергии, приобретаемой электроном, прошедшим  разность потенциалов в миллион  вольт.

      Энергия, соответствующая одной атомной  единице массы, равна

      E=mа.е.м.× с2=1,6597× 10-27× 8,99 × 1016=1,49 × 10-10 дж=931 Мэв.                                                                                                            (1.3)

      Наличие у атома гелия дефекта массы (Dm = 0,03037 а.е.м.) означает, что при его образовании была излучена энергия (Е=Dmс2= 0,03037× 931=28 Мэв). Именно эту энергию нужно приложить к ядру атома гелия для того, чтобы разложить его на отдельные частицы. Соответственно на одну частицу приходится энергия, в четыре раза меньшая. Эта энергия характеризует прочность ядра и является важной его характеристикой. Её называют энергией связи, приходящейся на одну частицу или на один нуклон (р). Для ядра атома гелия р=28/4=7 Мэв, для других ядер она имеет иную величину.

      В сороковые годы ХХ века благодаря  работам Астона, Демпстера и других ученых с большой точностью были определены значения дефекта массы  и вычислены энергии связи  для ряда изотопов. На рис.1.1 эти результаты представлены в виде графика, на котором  по оси абсцисс отложен атомный  вес изотопов, а по оси ординат  – средняя энергия связи частицы  в ядре.

      Анализ  этой кривой интересен и важен, т.к. по ней, и очень наглядно, видно, какие  ядерные процессы дают большой выход  энергии. По существу ядерная энергетика Солнца и звёзд, атомных электростанций и ядерного оружия является реализацией  возможностей, заложенных в тех соотношениях, которые показывает эта кривая. Она  имеет несколько характерных  участков. Для лёгкого водорода энергия связи равна нулю, т.к. в его ядре всего одна частица. Для гелия энергия связи на одну частицу составляет 7 Мэв. Таким образом, переход от водорода к гелию связан с крупным энергетическим скачком. У изотопов среднего атомного веса: железа, никеля и др. энергия связи частицы в ядре наибольшая (8,6 Мэв) и соответственно ядра этих элементов наиболее прочные. У более тяжёлых элементов энергия связи частицы в ядре меньше и поэтому их ядра относительно менее прочные. К таким ядрам относится и ядро атома урана-235.

      Чем больше дефект массы ядра, тем большая  энергия излучена при его образовании.  Следовательно, ядерное превращение, при котором происходит увеличение дефекта массы, сопровождается добавочным излучением энергии. Рисунок 1.1 показывает, что имеются две области, в  которых эти условия выполняются: переход от самых лёгких изотопов к более тяжёлым, например, от водорода к гелию, и переход от самых  тяжёлых, например урана, к ядрам  атомов среднего веса. 
 
 
 

      6. Симметрия и законы  сохранения.

      Слово "симметрия" ("symmetria") имеет греческое происхождение и означает "соразмерность". Научное определение симметрии принадлежит крупному немецкому математику Герману Вейлю (1885-1955), который в своей замечательной книге "Симметрия"  проанализировал также переход от простого чувственного восприятия симметрии к ее научному пониманию. Согласно Вейлю, под симметрией следует понимать неизменность (инвариантность) какого-либо объекта при определенного рода преобразованиях. Можно сказать, что симметрия есть совокупность инвариантных свойств объекта. Например, кристалл может совмещаться с самим собой при определенных поворотах, отражениях, смещениях. Многие животные обладают приближенной зеркальной симметрией при отражении левой половины тела в правую и наоборот. Однако подчиняться законам симметрии может не только материальный, но и, к примеру, математический объект. Можно говорить об инвариантности функции, уравнения, оператора при тех или иных преобразованиях системы координат. Это в свою очередь позволяет применять категорию симметрии к законам физики. Так симметрия входит в математику и физику, где она также служит источником красоты и изящества.

      Постепенно  физика открывает все новые виды симметрии законов природы: если вначале рассматривались лишь пространственно-временные (геометрические) виды симметрии, то в  дальнейшем были открыты ее негеометрические виды (перестановочная, калибровочная, унитарная и др.). Последние относятся  к законам взаимодействий, и их объединяют общим названием "динамическая симметрия"

      Принцип симметрии пронизывает все структуры  современной физики. Как методологический принцип, он лежит в основании  различных физических теорий и определяет структурную организацию современной  физической теории как целого.

      Законы  сохранения - физические, закономерности, согласно которым численные значения некоторых физических величин не изменяются со временем в любых процессах  или в классе процессов.

      Н.Ф. Овчинников в своей работе отмечает, что именно эта фундаментальная мысль — мысль о неизменных сущностях — характеризует процесс превращения знания в науку. В развитии и конкретизации научной идеи сохранения она принимала разные формы и приводила к открытию “истинных законов мира”.

      Еще в классической физике идея сохранения превратилась в принцип. Были сформулированы соответствующие конкретные законы — законы сохранения энергии, массы, импульса, момента импульса, электрического заряда. Исключительно важную роль играет открытие Ю. Майером закона сохранения энергии. М. Фарадей назвал этот закон  высшим физическим законом, а Р. Фейнман  утверждал, что “из всех законов  сохранения этот закон самый трудный  и абстрактный, но и самый полезный”. По мнению Фейнмана, во многих физических законах содержится в зашифрованном  виде закон сохранения энергии. История  физики показывает, что нет никаких  оснований сомневаться в истинности этого закона, и если что-либо, как  кажется, противоречит ему, то “обычно  оказывается, что не закон ошибочен, а просто мы недостаточно знаем явление”.

      Общий закон сохранения, конкретизируемый в виде различных частных физических законов сохранения, лежит в основе единой физической картины мира.

      С развитием физического знания увеличивается  число конкретных законов сохранения различных физических величин. Так, в физике микромира открыты законы сохранения барионного заряда, лептонного заряда, четности, странности. В структуре  физических теорий появляются новые  формы выражения сохранения —  инвариантность. К таким формам относится, в частности, принцип унитарности  в квантовой теории, который, по мнению Н.Ф. Овчинникова, представляет собой современную формулировку принципа сохранения материи. Особое место занимает так называемый принцип инвариантности научных законов, имеющий ярко выраженную методологическую окраску. Теория относительности требует соблюдения инвариантности физических законов относительно определенных преобразований. Согласно Е. Вигнеру, инвариантные принципы играют роль законов законов. Их функция состоит в том, чтобы наделять структурой законы природы или устанавливать между ними внутреннюю связь, “так же как законы природы устанавливают структуру или взаимосвязь в мире явлений”.

      Принципы  сохранения можно классифицировать в зависимости от вида симметрии, так как между сохранением  и симметрией существует фундаментальная  связь. Известно, что симметрии преобразования времени соответствует закон  сохранения энергии. Симметрическое преобразование пространства отвечает закону сохранения импульса, изотропность пространства — сохранению момента импульса. Всякой симметрии соответствует  некоторый закон сохранения. Тогда  если постоянная Планка указывает на сохранение, то какая симметрия ей соответствует? Какую симметрию  подсказывает эта константа? Может  быть, объединение методологических принципов в систему, что мы в  дальнейшем попытаемся сделать, поможет  дать ответ на этот вопрос. Во всяком случае, понимание постоянной Планка как сохранения может стать тем  звеном в системе, которое позволит систематизировать методологические принципы симметричным образом.