Romualdas Karazija. Fizika humanitarams. II dalis, Šiuolaikinė fizika (2)
2008-05-10 10:34
Romualdas Karazija. Fizika humanitarams. II dalis, Šiuolaikinė fizika. – V.: Tev, 1997
KUO ĮDOMI ŠIUOLAIKINĖ FIZIKA
Šiuolaikinė fizika įdomi tuo, kad ji atskleidžia naujus, mūsų pojūčiais nesuvokiamus pasaulius – labai mažų ir labai didelių atstumų, didelių greičių, labai žemų ir aukštų temperatūrų pasaulius, kurie stebina netikėtais reiškiniais ir dėsningumais, gamtos įvairove, pranokstančia net fantastų išmones. Mikrodalelės, pasižyminčios ir bangų, ir dalelių savybėmis, galinčios sukurti kitas daleles, kur kas masyvesnes už jas pačias, įvykiai, laiko tėkmėje susikeičiantys vietomis priklausomai nuo stebėtojo greičio, kosminiai reiškiniai, stulbinantys savo mastais ir galia, Visatos savybių glaudus ryšys su elementariųjų dalelių savybėmis – tie ir kiti šiuolaikinės fizikos atradimai ne tik papildo, bet ir iš esmės keičia mus supančio pasaulio supratimą.
Šiuolaikinė fizika, naudodamasi sudėtingais (netgi kilometrų dydžio) prietaisais ir galingais matematiniais metodais, prasiskverbė iki pačių bendriausių gamtos paslapčių – laiko, erdvės, pirminių materijos dalių, Visatos atsiradimo ir jos evoliucijos bei kitų problemų, kurios neseniai buvo priskiriamos filosofijos ar net religijos sričiai. Tiesa, neretai fizikai dar tik ieško griežtų ir išsamių atsakymų, bet tie ieškojimai ne mažiau įdomūs negu atradimai. Vadovėlyje pateikiamas netgi mokslo požiūris į kai kurias diskusines ar pseudoproblemas, kaip antai, neatpažintus skraidančius objektus, telekinezę, kosmoso įtaką procesams Žemėje ir pan.
Šiuolaikinės fizikos dėsniai, kad ir kokie jie keisti, įgalino sukurti įvairius labai naudingus prietaisus ir įrenginius. Atominės elektrinės ir asmeniniai kompiuteriai, kompaktiniai diskai ir mobilieji telefonai, nauji medicinos prietaisai ir, greitu laiku, robotai – visa tai remiasi naujosios fizikos atradimais.
Vadovėlyje pateikta gana plati XX a. fizikos panorama, juk kai kuriems iš jūsų, labiau linkusiems į humanitarinius mokslus, gal nebus daugiau progų susipažinti su bendriausiais gamtos dėsningumais (pačiam prasiskverbti iki naujosios fizikos idėjų pro matematinius brūzgynus yra praktiškai neįmanoma). Gaila tik, kad tas žinias čia buvo įmanoma išdėstyti labai populiariai, netgi supaprastintai, beveik be formulių. Pagrindinis tikslas – supažindinti su svarbiausiais atradimais ir idėjomis, tad skyrių gale pateikiami tik klausimai ir beveik nėra uždavinių ar bandymų.
Ši knyga, kaip ir pirmoji, susideda iš pagrindinės ir papildomos dalių. Pagrindinėje dalyje, išspausdintoje kiekvieno skyriaus pradžioje viena skiltimi, dėstomos bendresnės ir svarbesnės žinios, dėsniai ir apibrėžimai, toliau dviem skiltimis pateikiama įvairi papildoma medžiaga, suskirstyta į nedidelius straipsnelius – atradimų istorijos, dėsnių taikymai, platesni pasakojimai apie svarbesnius ir įdomesnius reiškinius, taip pat apie Lietuvos fizikų darbus. <...>
TURINYS
KUO ĮDOMI ŠIUOLAIKINĖ FIZIKA
- ŠIUOLAIKINĖS FIZIKOS PRADŽIA
Fizika XIX a. pabaigoje
Keistasis elementas eteris
Kūnų spinduliavimo mįslės
Katodinių spindulių tyrimai ir pirmieji šiuolaikinės fizikos atradimai
Kvanto atradimas
Rentgeno spindulių atradimas
Radioaktyvumo reiškinys
Rentgeno spindulių prigimtis ir kristalų struktūra
Nobelio premijos
Eksperimentatoriai ir teoretikai - RELIATYVUMO TEORIJOS PARADOKSAI
Specialiosios reliatyvumo teorijos principai
Laiko reliatyvumas
Ilgio reliatyvumas
Ryšys tarp erdvės ir laiko. Keturmatė erdvė
Masės reliatyvumas
Masės ir energijos ryšys
Specialiosios reliatyvumo teorijos eksperimentinis patikrinimas
Einšteinas – žmogus ir mokslininkas
Einšteino pirmtakai
Dvynių paradoksas
Ar įmanomas judėjimas greičiau už šviesą?
Reliatyvumo teorijos pažintinė reikšmė
Fizikos atradimai ir sveikas protas - KEISTOS MIKRODALELIŲ ELGESIO TAISYKLĖS
Atomo modeliai
Materijos bangos ir tikimybės
Neapibrėžtumų ryšys
Elektronų tapatingumas ir Paulio draudimo taisyklė
Nilsas Boras ir „fizikų darželis“
Banga-dalelė
Tunelinis efektas
Papildomumo principas
Ar mikropasaulyje galioja priežastingumas?
Atomo fizika
A. Jucys ir jo teorinė mokykla - ATOMŲ BRANDUOLIAI IR ATOMINĖ ENERGIJA
Radioaktyviojo skilimo dėsnis
Atomo branduolio sandara ir branduolinės reakcijos
Stipriosios ir silpnosios sąveikos
Masės defektas
Branduolių stabilumas. Dalijimosi ir sintezės reakcijos
Atominės bombos istorija
Ar buvo galima išvengti “atominio grybo”?
Ignalinos atominė elektrinė
Černobylio avarija ir jos pėdsakai Lietuvoje
Radiacija ir gyvybė
Valdoma termobranduolinė sintezė
Iškasenų amžiaus nustatymas radioaktyviosios anglies metodu
Moterys ir fizika - PAGRINDINĖS MATERIJOS DALYS
Elektronas, protonas, neutronas ir ... neutrinas
Pozitrono atradimas. Dalelės ir antidalelės
Elementariųjų dalelių virsmai
Elementariųjų dalelių zooparkas
Fundamentaliosios dalelės ir jų kartos
Didžiausieji ir brangiausieji fizikų prietaisai
Neutrinų mįslės
Nepagaunamieji kvarkai
Keturios fundamentinės jėgos ir jų apjungimas - VAISINGIAUSIA TAIKYMAIS FIZIKOS SRITIS
Kietasis kūnas – daugelio sąveikaujančių atomų kolektyvas
Grafitas, deimantas ir fulerenai
Defektai kristaluose
Laidumas ir superlaidumas
Puslaidininkių ypatumai
p-n sandūra
Integrinės schemos ir mikroelektronika
Puslaidininkiniai detektoriai
Superlaidumas
Aukštatemperatūrio superlaidumo atradimas
Tranzistorius – pagrindinis mikroelektronikos elementas
Saulės elementai
Šviesos diodas ir distancinis televizoriaus valdymas
Integrinė schema – XX a. stebuklas
Mikroelektronika ir civilizacijos pažanga
Šiuolaikinės eksperimentinės fizikos Lietuvoje pradininkas - ŠIMTADARBIAI LAZERIAI
Kaip veikia lazeris?
Lazerių tipai
Lazerių profesijos
Rentgeno lazeris
Mazeriai kosmose
Holografija
Brūkšninis kodas
Kompaktinis diskas
Lazerių centras Vilniaus universitete - BENDROJI RELIATYVUMO TEORIJA IR KOSMOLOGIJA
Reliatyvumo teorijos sukūrimas
Bendrosios reliatyvumo teorijos idėjos
Visatos modeliai
Didysis sprogimas
Visatos ateitis
Kreiva erdvė
Pirmosios penkios minutės
Ryšys tarp mikropasaulio ir makropasaulio
Tamsioji medžiaga
Antropinis principas
Etnokosmologija - VISATOS STRUKTŪRA IR JOS SUSIDARYMAS
Galaktikų grupės, spiečiai ir superspiečiai
Visatos struktūros susidarymas
Galaktikų įvairovė
Galaktikų formavimasis
Įvairių bangų astronomija
Kvazarų atradimas ir tyrimai
Kas yra mūsų Galaktikos centre?
Galaktikos tyrinėjimai Lietuvoje - ŽVAIGŽDŽIŲ EVOLIUCIJA
Žvaigždžių susidarymas ir branduolinės reakcijos jose
Saulės masės žvaigždžių raida
Audringa ir keista masyviųjų žvaigždžių raida
Pulsarai – besisukančios neutroninės žvaigždės
Juodųjų bedugnių savybės ir jų paieškos
Saulės neutrinų problema
Planetų susidarymas - ŽEMĖS IR KOSMOSO RYŠIAI
Saulės aktyvumas ir Žemės ritmai
Kometų, asteroidų ir meteoritų pavojai
Kosminiai spinduliai
Saulės ciklai, ligų epidemijos ir Azijos klajoklių antpuoliai
Dangaus akmenys
Asteroidų grėsmė ir apsauga nuo jų
Paslaptingas Orto debesis
Ozono sluoksnis ir skylės jame
Astrologija – tamsus astronomijos šešėlis - MOKSLAS IR NEŽINOMYBĖ
Fizikos atradimai, tyrimai ir taikymai
Mokslas, dar ne mokslas ir pseudomokslas
Ar baigsis fizikoje didžiųjų atradimų laikotarpis
Fizika, filosofija ir religija
Šaltoji branduolių sintezė – neįvykęs atradimas
Kamuolinis žaibas
Nežemiškos civilizacijos
Neatpažinti skraidantys objektai
Telepatija ir telekinezė fiziko akimis
XX a. FIZIKA
Keturios fundamentinės jėgos ir jų suvienijimas
Anot šiuolaikinės fizikos, gamtą valdo keturios fundamentinės jėgos, arba sąveikos. Visos kitos jėgos yra tų fundamentinių jėgų pasireiškimas. Apibendrinkime žinias apie tas pagrindines jėgas.
Gravitacinė, arba visuotinės traukos jėga veikia tarp bet kokių dviejų kūnų, turinčių masę. Ji yra labai silpna, palyginus su kitomis jėgomis tarp mikrodalelių (elementariųjų dalelių, atomų, molekulių) ir net tarp mus supančių kūnų, tačiau tampa labai stipria, pagrindine jėga tarp kosminių kūnų, turinčių milžiniškas mases. Ji lemia planetų, žvaigždžių ir galaktikų, netgi Visatos evoliuciją.
Elektromagnetinė jėga veikia tarp bet kokių kūnų, turinčių elektros krūvį, taip pat tarp elektros srovių ir magnetų. Ši jėga vyrauja mus supančiame pasaulyje, ji nulemia visa, ką mes girdime, jaučiame, ragaujame, užuodžiame ir matome aplinkui. Pati gyvybė yra elektromagnetinių jėgų rezultatas.
Stiprioji jėga, arba sąveika, veikia labai mažais atstumais (apie 10–15 m) tarp kvarkų bei iš jų sudarytų protonų, neutronų ir kitų hadronų. Ji sujungia nukleonus į atomų branduolius ir užtikrina jų stabilumą, kol, didėjant protonų skaičiui branduolyje, šios jėgos neįveikia silpnesnė, bet toliasiekė elektromagnetinė jėga. Būtent stiprioji sąveika suteikia galimybę išsiskirti didelėms energijoms branduolinių reakcijų metu.
Silpnoji jėga, arba sąveika, veikia daugelį elementariųjų dalelių – hadronus ir leptonus. Ji pasireiškia dar mažesniais atstumais negu stiprioji sąveika, sukelia kai kuriuos atomų ir elementariųjų dalelių virsmus. Jei nebūtų šios sąveikos, tai neįsižiebtų žvaigždės, nes nevyktų vandenilio virtimo heliu reakcija, o Visatoje būtų paplitę miuonai, keistosios ir žavingosios dalelės, kurios suyra dėl silpnosios sąveikos.
Kiekviena iš šių keturių fundamentinių jėgų turi savo svarbią veikimo sritį, jos papildo viena kitą ir visos kartu nulemia pasaulio sandarą ir stebimą reiškinių įvairovę.
Ar gali būti dar nežinomų fundamentinių jėgų? Jų egzistavimas mokslo ištirtoje reiškinių srityje yra praktiškai neįtikėtinas, nes fizikai, atliekantys matavimus ir skaičiavimus dideliu tikslumu, būtų pastebėję tokių jėgų veikimą ar jų sukeltus reiškinius. Antra vertus, nėra žinoma jokio draudimo egzistuoti kitoms fundamentinėms jėgoms, tad skverbiantis į neištirtas sritis iš principo gali būti aptiktos dar nežinomos jėgos.
1 pav. Fundamentinių jėgų suvienijimas (punktyru parodytas galimas,
bet dar neįrodytas suvienijimas)
Plėtojant fiziką buvo ne tik atrandamos naujos jėgos, bet ir suvienijamos žinomos jėgos, paaiškėdavo ryšiai tarp jų (1 pav.). I. Niutonas (I. Newton) „sujungė“ Žemės trauką ir dangaus jėgas į visuotinę gravitaciją. Dž.K. Maksvelas (J.C. Maxwell) įrodė, kad elektros, magnetizmo ir šviesos reiškiniai yra glaudžiai susiję tarpusavyje ir nulemti vieno tipo elektromagnetinės jėgos. A. Einšteinas (A. Einstein) ilgai ir atkakliai bandė įgyvendinti savo idėją – įrodyti, kad visos fundamentinės jėgos turi bendrą prigimtį, tačiau tuo metu buvo atrastos naujos jėgos tarp elementariųjų dalelių, ir šios itin sudėtingos problemos sprendimą teko atidėti.
Tik XX a. septintajame dešimtmetyje S. Veinbergui (S. Weinberg) ir A. Salamui (A. Salam) pavyko įrodyti, kad elektromagnetinė ir silpnoji jėgos yra vienos ir tos pačios elektrosilpnosios jėgos, skirtingi pasireiškimai. Vieninga jėga būtų stebima, esant nepaprastai didelėms sąveikaujančių dalelių energijoms, o mums įprastame pasaulyje ji savaiminiu būdu išsiskiria į dvi skirtingas jėgas. Ši gana sudėtinga teorija susilaukė pripažinimo (ir Nobelio premijų jos kūrėjams), kai teorijos išvados buvo sėkmingai patvirtintos eksperimentais.
Dabar mėginama atlikti Didįjį sąveikų suvienijimą – „sujungti“ elektrosilpnąją ir stipriąją jėgas. Jos turėtų supanašėti esant dar didesnėms dalelių energijoms, kai dalelės suartėja ligi 10–31 m. Iš tos teorijos išplauktų išvada, kad kvarkas gali virsti leptonu ir, atvirkščiai, pasikeisdami elementariąja dalele, kurios masė lygi net 1015 protono masių. Deja, aptikti tokią dalelę kol kas nėra jokių vilčių. Lengviau patikrinama kita tos teorijos išvada, kad laisvas protonas turėtų būti nestabili, nors ir labai ilgai gyvuojanti dalelė. Kol kas visi bandymai pastebėti protono skilimą nebuvo sėkmingi.
O suvienyti visas keturias fundamentines jėgas yra tolimos ateities tikslas. Jį pasiekus, matyt, paaiškėtų, kodėl pasaulis yra toks, koks jis yra.