Фізіка. 11 клас

Фізіка, з’яўляючыся навукай аб прыродзе, дае чалавеку веды аб навакольным свеце, дазваляючы тым самым, з аднаго боку, рашаць праблемы цывілізацыі, а з другога — берагчы нашу планету для будучых пакаленняў. Як аб’яднаць назапашаныя веды? Што сёння павінен ведаць кожны адукаваны чалавек аб фізічных з’явах?

У курсе фізікі вы пазнаёміліся з рознымі відамі ўзаемадзеянняў цел і аб’ектаў у прыродзе, якія вызначаюць не толькі разнастайнасць фізічных з’яў навакольнага свету, але і напрамак эвалюцыі Сусвету. Фізіка — навука аб прыродзе, аднак кожны яе раздзел падрабязна разглядае фізічныя з’явы толькі з аднаго боку, вылучаючы тыя ці іншыя ўласцівасці матэрыі па пэўнай прымеце. Спазнанне законаў прыроды гістарычна таксама ішло галоўным чынам на базе таго ці іншага фізічнага
падыходу.

Па меры назапашвання ведаў чалавецтва імкнулася «злучыць» усе разрозненыя факты і законы ў рамках абагульненай навуковай карціны свету. Пад карцінай свету разумеюць сукупнасць тэорый, законаў і прынцыпаў, якія апісваюць навакольны свет.
Першая, механічная карціна свету грунтавалася на класічнай механіцы І. Ньютана (мал. 233). У аснове пабудовы гэтай карціны свету знаходзілася тлумачэнне прычын і вызначэнне заканамернасцей механічнага руху нябесных цел, а таксама макра- і мегасістэм (Зямля, Месяц, Сонца, Сонечная сістэма, Галактыка). У якасці першапрычыны механічнага руху разглядалася гравітацыйнае ўзаемадзеянне паміж целамі, якое бясконца хутка перадаецца на любыя адлегласці ў Сусвеце.
Напомнім, што на падставе сілавых або энергетычных уяўленняў можна вызначыць законы руху розных аб’ектаў: ад атамаў і малекул да планет і зорак. Найважнейшую ролю адыгрываюць прынцыпы інерцыі і адноснасці, уведзеныя ў механіку Г. Галілеем.
На падставе механічнай карціны свету ў XVIII—XIX стст. былі распрацаваны «зямная», нябесная і малекулярная механіка. Аднак у той жа час у фізіцы назапашвалася значная колькасць эксперыментальных даных, якія супярэчылі ідэям атамізму (дыскрэтнасці будовы рэчыва), што складалі яе фундамент.
Вывучэнне электрычных і магнітных узаемадзеянняў істотна змяніла ўяўленні аб матэрыі і прывяло да з’яўлення электрамагнітнай карціны свету (гл. мал. 233). У яе аснове ляжалі ўяўленні аб свеце, у якім усе з’явы апісваюцца з дапамогай сіл (гравітацыйных і электрамагнітных). Асноўны ўклад у стварэнне электрадынамікі зрабілі Ш. Кулон (электрастатычныя ўзаемадзеянні), А. Вольта (крыніца пастаяннага току), А. Ампер (магнітныя палі і токі), М. Фарадэй (электрамагнітная індукцыя), Д. Максвел (тэорыя электрамагнетызму), Г. Герц (адкрыццё электрамагнітных хваль) і Г. Лорэнц (класічная электронная тэорыя будовы рэчыва).
М. Фарадэй прыйшоў да думкі аб неабходнасці замены дыскрэт­ных (карпускулярных) уяўленняў аб матэрыі неперарыўнымі (канты­нуальнымі). Матэрыя па Фарадэю ўяўлялася як неперарыўнае бясконцае поле з сілавымі пунктавымі цэнтрамі. Д. Максвел стварыў матэматычную тэорыю электрамагнітнага поля. На падставе гэтай тэорыі ён зрабіў вывад, што распаўсюджванне электрамагнітнага ўзбурэння адбываецца з канчатковай скорасцю ў выглядзе электрамагнітных хваль. Новая карціна свету змяніла і прынцыпы перадачы ўзаемадзеяння: яны перадаюцца пасродкам поля бесперапынна ад пункта да пункта і з канчатковай скорасцю. Як вынікае з электрамагнітнай карціны свету, унутраная будова рэчыва вызначаецца дзеяннем электрамагнітных сіл.
Фактычным завяршэннем фарміравання электрамагнітнай карціны свету стала спецыяльная тэорыя адноснасці А. Эйнштэйна. Ён дапоўніў законы электрадынамікі ідэяй адноснасці як прасторы, так і часу.
Аднак на мяжы XIX—ХХ ст. выявіўся шэраг тэарэтычных праблем і эксперыментальных фактаў, якія не знаходзілі тлумачэння ў рамках электрамагнітнай карціны свету: радыеактыўнасць, цеплавое выпраменьванне, атамныя спектры, устойлівасць атамаў.
Першыя радыкальныя крокі ў стварэнні квантава-палявой карціны свету (гл. мал. 233) былі зроблены на пачатку ХХ ст. Квантаванне выпраменьвання ў працэсах выпускання, паглынання і распаўсюджвання (М. Планк, А. Эйнштэйн); стацыянарныя станы электронаў у атаме (Н. Бор); зусім фантастычная для свайго часу ідэя — карпускулярна-хвалевага дуалізму (Л. дэ Бройль) і, нарэшце, стварэнне квантавай ме­ханікі (Э. Шродзінгер, В. Гейзенберг, П. Дзірак, В. Паўлі).
Вывучэнне будовы атамнага ядра (Э. Рэзерфард, П. Кюры і М. Складоўская-Кюры, Д. Чэдвік) прывяло да станаўлення фізікі атам­нага ядра і элементарных часціц. Былі адкрыты прынцыпова новыя тыпы ўзаемадзеянняў, уласцівыя толькі мікрасвету субатамных часціц, — моцнае і слабае. Энергія ядзерных рэакцый была пастаўлена на службу лю­дзям (Э. Фермі, І. Курчатаў).
Асаблівасцю сучаснай фізічнай карціны свету з’яўляецца яе іма­вернасны характар, які выражаецца ў выглядзе статыстычных законаў (гл. мал. 233), што вывучаюцца ў рамках статыстычнай фізікі. Тут, у адрозненне ад механічнай карціны свету, няма «жорсткай» пэўнасці «будучыні».
Тут выпадковасць падзей выступае як аб’ектыўная ўласцівасць матэрыі. У сучаснай фізіцы асноўным матэрыяльным аб’ектам з’яўляецца квантавае поле, пераход якога з аднаго стану ў іншы і прыводзіць да з’яўлення часціц.
Адзначым дзве заканамернасці, якія ўласцівы развіццю фізікі. Першая прадстаўлена прынцыпам адпаведнасці (гл. мал. 233): прыватныя тэорыі, справядлівасць якіх эксперыментальна пацверджана, са з’яўленнем больш агульных тэорый захоўваюць сваё значэнне як прыватны ці гранічны выпадак. Прыкладам можа служыць спецыяльная тэорыя адноснасці, вывады якой пры малых скарасцях адпавядаюць вывадам механікі Ньютана.
Другая заканамернасць — інтэграцыя ці ўзаемапранікненне раздзелаў фізікі. Напрыклад, развіццё фізікі элементарных часціц і яе злучэнне з астраноміяй прывялі да з’яўлення астрафізікі, якая займаецца заканамернасцямі эвалюцыі зорак і Сусвету.
Квантава-палявая карціна свету па меры назапашвання новых навуковых фактаў і з’яўлення новых навуковых гіпотэз працягвае раз-вівацца.
Такім чынам, пад прыродазнаўчанавуковай карцінай свету разумеюць сукупныя сучасныя веды аб навакольным свеце, назапашаныя прыродазнаўчымі навукамі: фізікай, астраноміяй, матэматыкай, хіміяй, біялогіяй. Фізічная карціна свету з’яўляецца састаўной часткай пры­родазнаўчанавуковай карціны свету.
Фізічная карціна свету не вычэрпваецца ўяўленнямі аб структурнай будове матэрыі. Яна праяўляецца таксама і ў законах руху часціц, і ў законах іх узаемадзеяння.

Так на малюнку 233-1 паказана структура свету ў парадку павелічэння памераў адпаведных аб’ектаў. 

Нягледзячы на дзіўную разнастайнасць узаемадзеянняў аб’ектаў у навакольным свеце (часціц, цел, галактык), у прыродзе, па сучасных даных, прысутнічаюць толькі чатыры тыпы фундаментальных узаемадзеянняў. Яны адрозніваюцца па інтэнсіўнасці і радыусе дзеяння. Менавіта гэтыя фундаментальныя ўзаемадзеянні і з’яўляюцца галоўнымі «дзеючымі асобамі і выканаўцамі» ў пабудове сучаснай фізічнай кар-
ціны свету.
Самае слабае з узаемадзеянняў — гравітацыйнае ўзаемадзеянне. Яно прыкладна ў 10³⁸ разоў слабейшае за ядзернае. Гэта ўзаемадзеянне апісваецца законам сусветнага прыцягнення, які быў адкрыты І. Ньютанам у 1687 г. Гравітацыйныя сілы дзейнічаюць паміж любымі целамі, у тым ліку і паміж элементарнымі часціцамі, аднак вырашальную ролю яны адыгрываюць толькі ў астранамічных аб’ектаў, якія маюць каласальныя масы.
У электрамагнітным узаемадзеянні ўдзельнічаюць любыя электрычна зараджаныя часціцы і целы, а яго «пераносчыкам» (квантам электрамагнітнага поля) з’яўляюцца фатоны. Электрамагнітныя сілы забяспечваюць магчымасць стабільнага існавання атамаў, малекул, вызначаюць механічныя ўласцівасці цвёрдых цел, вадкасцей і газаў.
Моцнае ўзаемадзеянне праяўляецца пры ўзаемадзеяннях нуклонаў унутры ядра (адронаў). У адрозненне ад гравітацыйнага і электрамагнітнага ўзаемадзеянняў, якія можна аднесці да далёкадзеючых, г. зн. дзеючых на адлегласцях, характэрных для макрасвету, моцнае ўзаемадзеянне з’яўляецца караткадзеючым, паколькі яно праяўляецца на адлегласцях, не большых за памеры ядра () Аднак на гэтых адлегласцях моцнае ўзаемадзеянне значна больш інтэнсіўнае за электрамагнітнае і тым больш гравітацыйнае, за што і атрымала сваю назву. Вобразна моцнае ўзаемадзеянне можна назваць «волатам з кароткімі рукамі». Моцныя ўзаемадзеянні паміж нуклонамі ў ядрах атамаў забяспечваюць устойлівасць ядзер розных атамаў. Паводле сучасных уяўленняў, моцнае ўзаемадзеянне пераносіцца квантамі новага тыпу — глюёнамі, якія падобна фатонам з’яўляюцца бязмасавымі часціцамі.
У слабым узаемадзеянні ўдзельнічаюць любыя элементарныя часціцы, акрамя фатонаў. Радыус дзеяння слабых сіл вызначаецца характэрным памерам элементарных часціц () Гэта ўзаемадзеянне мацнейшае за гравітацыйнае, але значна слабейшае за электрамагнітнае і моцнае ўзаемадзеянні. Слабыя ўзаемадзеянні праяўляюцца пры распадах адных элементарных часціц, у выніку чаго з’яўляюцца іншыя элементарныя часціцы. Такім чынам, слабае ўзаемадзеянне вызначае стабільнасць элементарных часціц і адыгрывае вырашальную ролю пры іх узаемаператварэннях. Яно ажыццяўляецца пасродкам абмену досыць масіўнымі часціцамі — базонамі (W⁺, W^–, Z⁰), масы якіх складаюць каля 80 мас пратона. Базоны былі эксперыментальна адкрыты ў 1983 г.
Калі прыняць інтэнсіўнасць моцнага ўзаемадзеяння за адзінку () то адносная інтэнсіўнасць электрамагнітнага ўзаемадзеяння бу­дзе складаць  слабага  гравітацыйнага  З гэтага вынікае цікавы факт — найвялікшыя намаганні ў прыродзе неабходны для ўтрымання найбольш дробных часціц, а не планет ці зорных гігантаў!
Уся разнастайнасць узаемадзеянняў навакольнага свету, паводле сучаснай квантава-палявой карціны свету, зводзіцца да ўзаемадзеяння дзвюх груп квантавых аб’ектаў, першую з якіх складаюць удзельнікі фундаментальных узаемадзеянняў, а другую — іх пераносчыкі.
Да ўдзельнікаў узаемадзеянняў адносяцца электроны, пратоны, ней­троны, якія і з’яўляюцца першасным «будаўнічым матэрыялам» для стварэння ўсяго матэрыяльнага ў прыродзе. Абмен часціцамі-пераносчыкамі (гравітон, фатон, глюёны і базоны) дазваляе часціцам-удзельнікам ажыццяўляць чатыры тыпы фундаментальных узаемадзеянняў, да якіх зводзяцца ўсе назіраемыя ўзаемадзеянні ў прыродзе. Вобразна можна ўявіць сабе навакольны свет як царства фундаментальных часціц, «якія кішаць і ўзаемадзейнічаюць адна з адной».
На наступным «узроўні» больш складанай арганізацыі матэрыі размяшчаюцца элементарныя часціцы, складзеныя з фундаментальных, агульны лік якіх, паводле сучасных даных, — большы за 500. Далей ідуць ядры, якія складаюцца з нуклонаў, агульны лік адпавядае ліку хімічных элементаў і іх ізатопаў — 2000. На наступным этапе арганізацыі матэрыі з’яўляюцца атамы, складзеныя з ядзер і электронаў, колькасць якіх адпавядае колькасці ядзер.
Атамы, узаемадзейнічаючы паміж сабой, утвараюць малекулы, агульны лік якіх ацэньваецца прыкладна ў 10 млн і ўвесь час нарастае за кошт сінтэзу новых злучэнняў. Малекулы ўтвараюць розныя рэчывы, рэчывы — целы, целы — астранамічныя аб’екты, астранамічныя аб’екты — Сусвет.
У наш час актуальнай з’яўляецца праблема аб’яднання розных тыпаў фундаментальных узаемадзеянняў у рамках адной тэорыі. Абнадзейлівым поспехам на гэтым шляху стала аб’яднанне электрамагнітнага і слабага ўзаемадзеянняў у адзінае электраслабае ўзаемадзеянне (мал. 234).

На павестцы дня — пабудова тэорыі вялікага аб’яднання, якая ўключае ў сябе электрамагнітнае, слабае і моцнае ўзаемадзеянні.
Яшчэ больш грандыёзная ідэя аб’яднання ўсіх чатырох фундаментальных узаемадзеянняў, уключаючы гравітацыю, у рамках тэорыі супераб’яднання. Гэта тэорыя можа быць створана на аснове навейшай фізічнай тэорыі «суперструн», распрацаванай амерыканскімі фізікамі М. Грынам і Д. Шварцам, якая аб’ядноўвае ўсе фундаментальныя ўзаемадзеянні пры звышвысокіх энергіях.
Акрамя пабудовы сучаснай фізічнай карціны свету, якая з’яўляецца састаўной часткай сучаснай прыродазнаўчанавуковай карціны свету, фізіка «сфармулявала» шэраг прынцыпаў, якія з’яўляюцца агульнымі для любога навуковага даследавання, г. зн. яны могуць лічыцца філасоф­скімі прынцыпамі. Сюды адносіцца прынцып прычыннасці, прынцып адноснасці, прынцыпы захавання, прынцып інварыянтнасці, прынцып дадатковасці, прынцып адпаведнасці і некаторыя іншыя.