· Шлях мікроскопії 3

· Межа мікроскопії 5

· Невидимі випромінювання 7

· Електрони та електронна оптика 9

· Електрони – хвилі!? 12

· Пристрій електронного мікроскопа 13

· Об'єкти електронної мікроскопії 15

· Види електронних мікроскопів 17

· Особливості роботи з електронним мікроскопом 21

· Шляхи подолання дифракційної межі електронної мікроскопії 23

· Список литературы 27

· Малюнки 28

Примітки:

1. Символ означає зведення у ступінь. Наприклад, 2 3 означає "2 в ступені 3".

2. Символ e означає запис числа у показовій формі. Наприклад, 2 e3 означає "2, помножене на 10 в 3 ступені".

3. Усі малюнки знаходяться на останній сторінці.

4. Внаслідок використання не зовсім "свіжої" літератури дані в цьому рефераті не відрізняються особливою "свіжістю".

Око не бачило б Сонця,

якби він не був подібний

Сонцю.

Гете.

Шлях мікроскопії.

Коли на порозі XVII століття був створений перший мікроскоп, навряд чи хтось (і навіть його винахідник) міг уявити майбутні успіхи та численні галузі застосування мікроскопії. Озираючись назад, ми переконуємося, що цей винахід знаменувало щось більше, ніж створення нового пристрою: вперше людина отримала можливість побачити раніше невидиме.

Приблизно до цього часу відноситься ще одна подія - винахід телескопа, що дозволило побачити невидиме у світі планет і зірок. Винахід мікроскопа і телескопа було революцією у способах вивчення природи, а й у методі дослідження.

Справді, натурфілософи давнини спостерігали природу, дізнаючись про неї лише те, що бачило око, відчувала шкіра, чуло вухо. Можна лише дивуватися з того, як багато правильних відомостей про навколишній світ отримали вони, користуючись «неозброєними» органами почуттів і не ставлячи спеціальних експериментів, як це роблять зараз. Разом з тим поряд з точними фактами та геніальними здогадами як багато хибних «спостережень», тверджень та висновків залишили нам вчені давнини та середніх віків!

Лише значно пізніше було знайдено метод вивчення природи, що полягає у постановці свідомо запланованих експериментів, метою яких є перевірка припущень та чітко сформульованих гіпотез. Особливості цього методу дослідження Френсіс Бекон - один з його творців - висловив у наступних, що стали знаменитими, словами: «Ставити експеримент - це вчиняти допит природі». без будь-яких пристроїв, які «підсилюють» органи почуттів. Винахід мікроскопа та телескопа являло собою колосальне розширення можливостей спостереження та експерименту.

Вже перші спостереження, проведені за допомогою найпростішої і найдосконалішої за сучасними уявленнями техніки, відкрили «цілий світ у краплі води». Виявилося, що знайомі предмети виглядають зовсім інакше, якщо їх розглядати в мікроскоп: гладкі на погляд і дотик поверхні виявляються насправді шорсткими, в «чистій» воді рухаються міріади дрібних організмів. Так само перші астрономічні спостереження за допомогою телескопів дали можливість людині по-новому побачити звичний світ планет і зірок: наприклад, поверхня Місяця, оспіваного поетами всіх поколінь, виявилася гористою і поцяткованою численними кратерами, а у Венери було виявлено зміну фаз, як і в Місяця.

Надалі ці найпростіші спостереження дадуть життя самостійним областям науки мікроскопії та спостережної астрономії. Минуть роки, і кожна з цих областей розвинеться в численні розгалуження, що виражаються в низці різних застосувань в біології, медицині, техніці, хімії, фізиці, навігації.

Сучасні мікроскопи, які на відміну від електронних ми називатимемо оптичними, є досконалими приладами, що дозволяють отримувати великі збільшення з високою роздільною здатністю. Роздільна здатність визначається відстанню, на якій два сусідні елементи структури можуть бути видимі окремо. Однак, як показали дослідження, оптична мікроскопія практично досягла принципової межі своїх можливостей через дифракцію та інтерференцію ¾ явищ, обумовлених хвильовою природою світла.

Ступінь монохроматичності та когерентності є важливою характеристикою хвиль будь-якої природи (електромагнітних, звукових та ін.). Монохроматичні коливання - це коливання, що складаються з синусоїдальних хвиль однієї певної частоти. Коли ми представляємо коливання у вигляді простої синусоїди відповідно з постійними амплітудою, частотою і фазою, то це є певною ідеалізацією, так як, строго кажучи, в природі не існує коливань і хвиль, що точно описуються синусоїдою. Однак, як показали дослідження, реальні коливання та хвилі можуть з більшим або меншим ступенем точності наближатися до ідеальної синусоїди (володіти більшим або меншим ступенем монохроматичності). Коливання та хвилі складної форми можна представити у вигляді набору синусоїдальних коливань та хвиль. По суті, цю математичну операцію здійснює призма, що розкладає в кольоровий спектр сонячне світло.

Монохроматичні хвилі, зокрема і світлові, однієї й тієї частоти (за певних умов!) можуть взаємодіяти між собою в такий спосіб, що у результаті «світло перетвориться на темряву» чи, як кажуть, хвилі можуть інтерферувати. При інтерференції відбуваються місцеві "посилення та придушення" хвиль один одному. Для того щоб картина інтерференції хвиль залишалася незмінною з часом (наприклад, при розгляді її оком або фотографуванні), необхідно, щоб хвилі були між собою когерентні (дві хвилі когерентні між собою, якщо вони дають стійку картину інтерференції, чому відповідають рівності їх частот і постійний зсув фаз).

Якщо на шляху розповсюдження хвиль помістити перешкоди, то вони суттєво впливатимуть на напрямок поширення цих хвиль. Такими перешкодами можуть бути краї отворів в екранах, непрозорі предмети, також будь-які інші види неоднорідностей на шляху поширення хвиль. Зокрема, неоднорідностями можуть бути також і прозорі (для даного випромінювання) предмети, але що відрізняються за коефіцієнтом заломлення, а отже, і за швидкістю проходження хвиль усередині них. Явище зміни напряму поширення хвиль під час проходження їх поблизу перешкод називають дифракцією. Зазвичай дифракція супроводжується інтерференційними явищами.

Межа мікроскопії.

Зображення, одержуване за допомогою будь-якої оптичної системи, є результатом інтерференції різних частин світлової хвилі, що пройшла через цю систему. Зокрема, відомо, що обмеження світлової хвилі вхідною зіницею системи (краями лінз, дзеркал і діафрагм, що становлять оптичну систему) і пов'язане з ним явище дифракції призводить до того, що крапка, що світиться, буде зображена у вигляді дифракційного кружка. Ця обставина обмежує можливість розрізняти дрібні деталі зображення, яке формується оптичною системою. Зображення, наприклад, нескінченно віддаленого джерела світла (зірки) в результаті дифракції на круглій зіниці (оправі зорової труби), є досить складною картиною (рис. 1). На цій картині можна побачити набір концентричних світлих та темних кілець. Розподіл освітленостей, який можна зафіксувати, якщо рухатися від центру картини до її країв, описується досить складними формулами, які наводяться в курсах оптики. Проте закономірності, властиві становищу першого (від центру картини) темного кільця, виглядають просто. Позначимо через D діаметр вхідної зіниці оптичної системи та через l довжину хвилі світла, що посилається нескінченно віддаленим джерелом.

Мал. 1. Дифракційне зображення крапки, що світиться (так званий диск Ейрі).

Якщо позначити через j кут, під яким видно радіус першого темного кільця, як доводиться в оптиці

sin j » 1,22 * ( l /D) .

Таким чином, в результаті обмеження хвильового фронту краями оптичної системи (вхідною зіницею) замість зображення точки, що світиться, що відповідає нескінченно віддаленому об'єкту, ми отримуємо набір дифракційних кілець. Природно, це явище обмежує можливість розрізнення двох близько розташованих точкових джерел світла. Дійсно, у разі двох віддалених джерел, наприклад двох зірок, розташованих дуже близько один до одного на небесному склепіння, у площині спостереження утворюються дві системи концентричних кілець. За певних умов можуть перекриватися, і розрізнення джерел стає неможливим. Не випадково тому відповідно до «рекомендації» формули, наведеної вище, прагнуть будувати астрономічні телескопи з великими розмірами вхідної зіниці. Межу роздільної здатності, при якій можуть спостерігатися два близько розташованих джерела світла, визначають наступним чином: для визначеності як межі дозволу приймають таке положення дифракційних зображень двох точкових джерел світла, при якому перше темне кільце, створюване одним із джерел, збігається з центром світлої плями, створюваного іншим джерелом.

МАТЕРІЇ У МІКРОМИРІ

Згідно з сучасними науковими поглядами, всі природні об'єкти є упорядкованими, структурованими, ієрархічно організованими системами. Застосовуючи системний підхід, природознавство не просто виділяє типи матеріальних систем, а розкриває їх зв'язок та співвідношення. Виділяються три рівні будови матерії.

Макросвіт- Світ макрооб'єктів, розмірність яких співвідносна з масштабами людського досвіду; просторові величини виражаються у міліметрах, сантиметрах та кілометрах, а час – у секундах, хвилинах, годинах, роках.

Мікросвіт- світ гранично малих, безпосередньо не спостерігаютьсямікрооб'єктів, просторова розмірність яких обчислюється від 10-8 до 10-16 см, а час життя - від нескінченності до 10-24 сек.

Мегамір- світ величезних космічних масштабіві швидкостей, відстань у якому вимірюється світловими роками, а час існування космічних об'єктів – мільйонами та мільярдами років.

І хоча цих рівнях діють свої специфічні закономірності, мікро-, макро- і мегамири тісно взаємопов'язані.

Мікросвіт: концепції сучасної фізики

Квантово-механічна концепція опису мікросвіту.Вивчаючи мікрочастинки, вчені зіштовхнулися з парадоксальної, з погляду класичної науки, ситуацією: одні й самі об'єкти виявляли як хвильові, і корпускулярні властивості. Перший крок у цьому напрямі було зроблено німецьким фізиком М. Планком (1858-1947).

У процесі роботи з дослідження теплового випромінювання «абсолютно чорного» тіла М. Планк дійшов приголомшливого висновку про те, що в процесах випромінювання енергія може бути віддана або поглинена не безперервно і не в будь-яких кількостях, а лише у відомих неподільних порціях. квантах. Величина цих дрібних порцій енергії визначається через кількість коливань відповідного виду випромінювання та універсальну природну константу, яку М. Планк увів у науку під символом h: Е = hy , згодом знаменитим (де hу - квант енергії, у - Частота).

Отриману формулу Планк доповів 19 грудня 1900 року на засіданні Берлінського фізичного товариства. В історії фізики цей день вважається днем ​​народження квантової теорії та всієї атомної фізики, цей день знаменує початок нової ери природознавства.

Великий німецький фізик-теоретик А. Ейнштейн (1879-1955) переніс у 1905 р. ідею квантування енергії при тепловому випромінюванні на випромінювання взагаліі в такий спосіб обґрунтував нове вчення про світло. Уявлення про світло як про дощ квантів, що швидко рухаються, було надзвичайно сміливим, у правильність якого спочатку повірили небагато людей. З розширенням квантової гіпотези до квантової теорії світла був згоден сам М. Планк, який відносив свою квантову формулу тількидо аналізованих ним законів теплового випромінювання чорного тіла.

А. Ейнштейнж припустив, що йдеться про природну закономірність загальногохарактеру, і дійшов висновку, що слід визнати корпускулярну структуру світла. Квантова теорія світлаА. Ейнштейна, стверджувала, що світло є хвильове явище, що постійно поширюється у світовому просторі. І водночас світлова енергія має перервну структуру. Світло може розглядатися як потік світлових квантів або фотонів. Їхня енергія визначається елементарним квантом дії Планка та відповідним числом коливань. Світло різного забарвленняскладається із світлових квантів різної енергії.

Стало можливим наочно уявити явище фотоелектричного ефекту, суть якого полягає у вибиванні електронів з речовини під дією електромагнітних хвиль. Явище фотоефекту виявили у другій половині 19 століття, а 1888-1890 роках фотоефект систематично вивчав російський фізик Олександр Григорович Столетов. Зовні ефект виявлявся в тому, що при падінні на негативно заряджену металеву пластинку світлового потоку з'єднаний з платівкою електроскоп показує наявність миттєвого електричного струму. Однак струм протікає лише по замкнутому ланцюгу, а ланцюг «металева платівка – електроскоп» незамкнуто. А.Ейнштейн показав, що таке замикання ланцюга відбувається за допомогою потоку електронів, що вибиваються фотонами з поверхні платівки.

Експерименти показали, що наявність або відсутність фотоефекту визначається частотою хвилі, що падає. Якщо припустити, кожен електрон виривається одним фотоном, стає ясно наступне: ефект виникає у тому разі, якщо енергія фотона, отже, та її частота, досить велика подолання сил зв'язку електрона з речовиною.

Мал. Схема фотоефекту

За цю роботу Ейнштейн у 1922 р. отримав Нобелівську премію з фізики. Його теорія отримала підтвердження в експериментах американського фізика Р. Е. Міллікена(1868-1953). Відкрите 1923 р. американським фізиком А. X. Комптоном(1892-1962) явище (ефект Комптона), яке відзначається при вплив дуже жорсткими рентгенівськими променями на атоми з вільними електронами, знову і остаточно підтвердило квантову теорію світла.

Виникла парадоксальна ситуація: виявилося, що світло поводиться не лише як хвиля, а й як потік корпускул. У дослідах з дифракціїі інтерференціївиявляються його хвильовівластивості, а при фотоефект - корпускулярні. Основна характеристика його дискретності (притаманна йому порція енергії) обчислювалася через суто хвильову характеристику – частоту у (Е = hy). Таким чином, виявилося, що для опису полянеобхідний не тільки континуальний, а й корпускулярнийпідхід.

Не залишилося незмінним і уявлення про підходи до дослідження речовини: 1924 р. французький фізик Луї де Бройль(1892-1987) висунув ідею про хвильові властивості матерії, про необхідність використовувати хвильові та корпускулярні уявлення не тільки в теорії світла, але також і в теорії речовини. Він стверджував, що хвильові властивості, поряд з корпускулярними, присуши всім видам матерії: електронів, протонів, атомів, молекул і навіть макроскопічним тілам. Згідно з де Бройлем, будь-якому тілу з масою т , що рухається зі швидкістю v , відповідає хвиля

Фактично аналогічна формула була відома раніше, але тількистосовно квантів світла - фотонам.

У 1926 р. австрійський фізик Е. Шредінгер(1887-1961), знайшов математичне рівняння, що визначає поведінку хвиль матерії, так зване рівняння Шредінгера. Англійська фізик П. Дірак(1902-1984) узагальнив його. Смілива думка Л. де Бройля про загальний «дуалізм» частки та хвилі дозволила побудувати теорію, за допомогою якої можна було охопити властивості матерії та світла у тому єдності.

Найбільш переконливим свідченням правоти Де Бройля стало виявлення у 1927 р. дифракції електронів американськими фізиками К. Девіссоном та Л. Джермером. Надалі були виконані досліди щодо виявлення дифракції нейтронів, атомів і навіть молекул. Ще важливішим було відкриття нових елементарних частинок, передбачених з урахуванням системи формул розвиненої хвильової механіки.

Таким чином, на зміну двом різнимпідходам до дослідження двох різних форм матерії: корпускулярного та хвильового – прийшов єдинийпідхід – корпускулярно-хвильовий дуалізм. Визнання корпускулярно-хвильового дуалізмуу сучасній фізиці стало загальним: будь-який матеріальний об'єкт характеризується наявністю як корпускулярних, і хвильових властивостей.

Квантово-механічний опис мікросвіту ґрунтується на співвідношенні невизначеностей, встановленому німецьким фізиком В. Гейзенбергом(1901-76), та принцип додатковостідатського фізика Н. Бора(1885-1962),.

Суть співвідношення невизначеностейВ. Гейзенберга у тому, що не можна однаково точно визначити взаємододаткові характеристики мікрочастинки, наприклад, координати частки та її імпульс (кількість руху). Якщо ставиться експеримент, який точно показує, де частка в даний момент, то рух порушується настільки, що частинку після цього неможливо знайти. І, навпаки, при точному вимірі швидкості не можна визначити місце розташування частки.

З погляду класичної механіки, співвідношення невизначеностей є абсурдом. Однак ми, люди, живемо в макросвіті та в принципі не можемо побудувати наочну модель, яка була б адекватна мікросвіту.Співвідношення невизначеностей є вираження неможливості спостерігати мікросвіт, не порушуючи його. При корпускулярному описівимір проводиться для того, щоб отримати точне значення енергії та величини руху мікрочастинкинаприклад, при розсіюванні електронів. При експериментах, спрямованих на точне визначення місця, навпаки, використовується хвильове пояснення, зокрема, при проходженні електронів через тонкі пластинки або спостереженні відхилення променів.

Фундаментальним принципом квантової механіки є також принцип додатковості, якому Н. Бордав таке формулювання: «Поняття частки і хвилі доповнюють один одного і в той же час суперечать один одному, вони є картинами, що доповнюють те, що відбувається».

Таким чином, корпускулярна та хвильова картини повинні доповнювати одна одну, тобто. бути комплементарними.Тільки при врахуванні обох аспектів можна отримати загальну картину мікросвіту. Є два класи приладів: в одних квантові об'єкти поводяться як хвилі, в інших – подібно до частинок. М. Борн(1882-1970) зауважив, що хвилі та частки – це «проекції» фізичної реальності на експериментальну ситуацію.

Атомістична концепція будови матерії.Атомістична гіпотеза будови матерії, висунута в античності Демокрітом, була відроджена у XVIII ст. хіміком Дж. Дальтон.У фізику уявлення про атоми як про останні неподільні структурні елементи матерії прийшли з хімії.

Власне фізичні дослідженняатоми починаються наприкінці XIX ст., коли французьким фізиком А. А. Беккерелем(1852 – 1908) відкрили явище радіоактивності. Вивчення радіоактивності було продовжено французьким фізиком подружжям П. Кюрі(1859-1906) та М. Склодовської-Кюрі(1867-1934), які відкрили нові радіоактивні елементи полоній та радій.

Історія дослідження будови атомапочалася 1895 р. завдяки відкриттю англійським фізиком Дж. Дж. Томсоном(1856 - 1940) електрона. Оскільки електрони мають негативний заряд, а атом загалом електрично нейтральний, було зроблено припущення про наявність і позитивно зарядженої частки. Маса електрона становила за розрахунками 1/1836 маси позитивно зарядженої частки.

Виходячи з такої маси позитивно зарядженої частки, англійський фізик У. Томсон(1824 - 1907, з 1892 лорд Кельвін), Запропонував у 1902 р. першу модель атома: позитивний заряд розподілений у досить великій області, а електрони вкраплені в нього, як «родзинки в пудинг». Однак ця модель не встояла перед дослідною перевіркою.

У 1908 р. Е. Марсдені X. ГейгЕр, співробітники англійського фізика Е. Резерфорда, провели досліди з проходження альфа-частинок через тонкі металеві пластинки і виявили, що майже всі частинки проходять через пластинку, ніби немає перешкоди, і тільки 1/10000 з них зазнає сильного відхилення. Е. Резерфорд(1871-1937) дійшов висновку, що вони ударяються про якусь перешкоду. яке є позитивно зарядженим ядром атома, розмір якого (10 -12 см) дуже малий порівняно з розмірами атома (10 -8 см), але в ньому майже повністю зосереджена маса атома.

Модель атома, запропонована Е. Резерфордом в 1911 р.,нагадувала сонячну систему: у центрі знаходиться атомне ядро, а навколо нього своїми орбітами рухаються електрони. Нерозв'язне протиріччяцієї моделі полягало в тому, що електрони, щоб не втратити стійкість, повинні рухатисянавколо ядра. У той же час електрони, що рухаються, відповідно до законів електродинаміки, обов'язково повинні випромінюватиелектромагнітну енергію. Але в такому випадку електрони дуже швидко втратили всю свою енергію та впали б на ядро.

Наступне протиріччя пов'язані з тим, що спектр випромінювання електрона може бути безперервним, оскільки електрон, наближаючись до ядру, змінював свою частоту. Однак атоми випромінюють світло тільки певних частот. Планетарна модель атома Резерфорда виявилася несумісною з електродинамікою Дж. К. Максвелла.

У 1913 р. великий датський фізик Н. Борвисунув гіпотезу будови атома, засновану на двох постулатах, абсолютно несумісних з класичною фізикою, та заснованих на принципі квантування:

1) у кожному атомі існує кілька стаціонарних орбітелектронів, рухаючись якими, електрон може існувати, не випромінюючи;

2) при переходіелектрона з однієї стаціонарної орбіти на іншу атом випромінює чи поглинає порцію енергії.

Постулати Бора пояснюють стійкість атомів: електрони, що знаходяться в стаціонарних станах, без зовнішньої на те причини не випромінюють електромагнітної енергії. Пояснюються і лінійні спектри атомів: кожній лінії спектру відповідає перехід електрона з одного стану до іншого.

Теорія атома Н. Бора дозволяла дати точне опис атома водню, що складається з одного протона і одного електрона, що досить добре узгоджується з експериментальними даними. Подальше поширення теорії на багатоелектронні атоми зіткнулося з непереборними труднощами. Довжина хвилі електрона, що рухається, дорівнює приблизно 10 -8 см, тобто. вона того ж порядку, що й розмір атома. Але рух частинки, що належить будь-якій системі, можна з достатнім ступенем точності описувати як механічний рух матеріальної точки за певною орбітою, лише якщо довжина хвилі частки зневажливо малапроти розмірами системи.

Отже, точно описати структуру атома виходячи з уявлення про орбіти точкових електронів принципово неможливо, оскільки таких орбіт насправді немає. Внаслідок своєї хвильової природи електрони та його заряди хіба що розмазані по атому, проте рівномірно, отже, у деяких точках усереднена за часом електронна щільність заряду більше, а інших - менше.

Теорія М. Бора є хіба що прикордонну смугу першого етапу розвитку сучасної фізики. Це останнє зусилля описати структуру атома на основі класичної фізики, доповнюючи її лише невеликою кількістю нових припущень. Процеси в атомі в принципі не можна наочно подати у вигляді механічних моделей за аналогією з подіями в макросвіті. Навіть поняття простору і часу в формі, що існує в макросвіті, виявилися невідповідними для опису мікрофізичних явищ.

Елементарні частинки та кваркова модель атома.Подальший розвиток ідей атомізму було з вивченням елементарних частинок. Термін «елементарна частка»спочатку означав найпростіші, далі ні на що не розкладаються частинки, що лежать в основі будь-яких матеріальних утворень. Нині встановлено, що частинки мають ту чи іншу структуру, проте назва, що історично склалася, продовжує існувати. Наразі відкрито понад 350 мікрочастинок.

Основними характеристикамиЕлементарними частинками є маса, заряд, середній час життя, спин і квантові числа.

Масу спокою елементарних частиноквизначають по відношенню до маси спокою електрона. Існують елементарні частинки, що не мають маси спокою, – фотони. Інші частинки за цією ознакою поділяються на лептони- легкі частинки (електрон та нейтрино); мезони- Середні частки з масою в межах від однієї до тисячі мас електрона; баріони- важкі частки, чия маса перевищує тисячу мас електрона та до складу яких входять протони, нейтрони, гіперони та багато резонансів.

Електричний заряд.Всі відомі частинки мають позитивний, негативний або нульовий заряд. Кожній частинці, крім фотону та двох мезонів, відповідають античастинки з протилежним зарядом. Вважається, що кварки - частки з дробовимелектричним зарядом.

За часом життячастинки поділяються на стабільні(Фотон, два різновиди нейтрино, електрон і протон) і нестабільні. Саме стабільні частки відіграють найважливішу роль структурі макротіл. Решта частинок нестабільні, вони існують близько 10 -10 - 10 -24 з, після чого розпадаються. Елементарні частинки із середнім часом життя 10 -23 - 10 -22 сек. називають резонансами,які розпадаються ще до того, як встигнуть залишити атом чи атомне ядро. Тому зафіксувати їх у реальних експериментах не вдається.

Концепція «спина»,не має аналогів у класичній фізиці, позначають власний момент кількості руху мікрочастинки.

«Квантові числа»виражають дискретні стани елементарних частинок, наприклад, положення електрона на конкретній електронній орбіті, магнітний момент та ін.

Усі елементарні частинки поділяють на два класи - ферміони(названі на честь Е. Фермі) та бозони(названі на честь Ш. Бозе). Ферміони складають речовина,бозони переносять взаємодія,тобто. є квантами полів. Зокрема, до ферміонів відносяться кварки та лептони, до бозонів – кванти полів (фотони, векторні бозони, глюони, гравітіно та гравітони). Ці частки вважаються істинно елементарними,тобто. далі нерозкладними. Інші частинки класифікуються як умовно елементарні,тобто. складові частинки, утворені з кварків та відповідних квантів полів.

Елементарні частинки беруть участь у всіх видах відомих взаємодій. Розрізняють чотири види фундаментальних взаємодійв природі.

Сильна взаємодіявідбувається на рівні атомних ядер і є взаємним тяжінням і відштовхуванням їх складових частин. Воно діє з відривом порядку 10 -13 див. За певних умов сильна взаємодія дуже міцно пов'язує частки, у результаті утворюються матеріальні системи із високим енергією зв'язку - атомні ядра. Саме тому ядра атомів є дуже стійкими, їх важко зруйнувати.

Електромагнітна взаємодіяприблизно в тисячу разів слабший за сильний, але значно більш далекоглядний. Взаємодія такого типу властиво електрично зарядженим частинкам. Носієм електромагнітної взаємодії є фотон - квант електромагнітного поля, що не має заряду. У процесі електромагнітної взаємодії електрони та атомні ядра поєднуються в атоми, атоми - в молекули. У певному сенсі ця взаємодія є основним у хімії та біології.

Слабка взаємодіяможливо між різними частинками. Воно простягається на відстань порядку 10 -13 - 10 -22 см і пов'язано головним чином з розпадом частинок, наприклад, з перетвореннями нейтрону в протон, електрон і антинейтрино, що відбуваються в атомному ядрі. Відповідно до сучасного рівня знань більшість частинок нестабільні саме завдяки слабкій взаємодії.

Гравітаційна взаємодія- найслабше, що не враховується в теорії елементарних частинок, оскільки на характерних для них відстані близько 10 -13 см воно дає надзвичайно малі ефекти. Однак на ультрамалихвідстанях (порядку 10 -33 см) та при ультравеликихЕнергіях гравітація знову набуває істотного значення. Тут починають виявлятися незвичайні властивості фізичного вакууму. Надважкі віртуальні частинки створюють довкола себе помітне гравітаційне поле, яке починає спотворювати геометрію простору. У космічних масштабах гравітаційна взаємодія має вирішальне значення. Радіус його дії не обмежений.

Табл. Фундаментальні взаємодії

Усі чотири взаємодії необхідні та достатнідля побудови різноманітного світу. Без сильних взаємодійне існували б атомні ядра, а зірки та Сонце не могли б генерувати за рахунок ящірної енергії теплоту та світло. Без електромагнітних взаємодійне було б ні атомів, ні молекул, ні макроскопічних об'єктів, а також тепла та світла. Без слабких взаємодійбули б можливі ядерні реакції у надрах Сонця і зірок, не відбувалися спалахи наднових зірок і необхідні життя важкі елементи було б поширитися у Всесвіті. Без гравітаційної взаємодіїВсесвіт не міг би еволюціонувати, оскільки гравітація є об'єднуючим фактором, що забезпечує єдність Всесвіту як цілого та його еволюцію.

Сучасна фізика дійшла висновку, що всі чотири фундаментальні взаємодії можна отримати з однієї фундаментальної взаємодії. суперсили. Найбільш яскравим досягненням став доказ того, що при дуже високих температурах (або енергіях) всі чотири взаємодії поєднуються в одне.

При енергії в 100 ГеВ (100 млрд. електрон-вольт) поєднуються електромагнітна та слабка взаємодії. Така температура відповідає температурі Всесвіту через 10 -10 с після Великого вибуху. За енергії 10 15 ГеВ до них приєднується сильна взаємодія, а при енергії 10 19 ГеВ відбувається поєднання всіх чотирьох взаємодій.

Досягнення у сфері дослідження елементарних частинок сприяли подальшому розвитку концепції атомізму. В даний час вважають, що серед багатьох елементарних частинок можна виділити 12 фундаментальних частинок і стільки ж античасток. Шість частинок – це кваркиз екзотичними назвами "верхній", "нижній", "зачарований", "дивний", "справжній", "чарівний". Інші шість - лептони: електрон, мюон, тау-частка та відповідні їм нейтрино (електронне, мюонне, тау-нейтрино).

Ці 12 частинок групують у три покоління, Кожна з яких складається з чотирьох членів.

У першому – «верхній» та «нижній» кварки, електрон та електронне нейтрино.

У другому – «зачарований» та «дивний» кварки, мюон та мюонне нейтрино.

У третьому – «справжній» та «чарівний» кварки та тау-частки зі своїм нейтрино.

Вся звичайна речовина складається із частинок першого покоління.Передбачається, що решту поколінь можна створити штучно на прискорювачах заряджених частинок.

На основі кваркової моделі фізики розробили сучасне вирішення проблеми будови атомів.

Кожен атом складається з важкого ядра(сильно пов'язаних глюонними полями протонів та нейтронів) та електронної оболонки. Протон має позитивний електричний заряд, заряд нейтрону дорівнює нулю. Протон із двох «верхніх» кварків та одного «нижнього», а нейтрон – з одного «верхнього» та двох «нижніх» кварків. Вони нагадують хмару з розмитими кордонами, що складається з віртуальних частинок, що народжуються і зникають.

Залишаються ще питання про походження кварків та лептонів, про те, чи є вони основними «цеглинами» природи і наскільки фундаментальні? Відповіді на ці питання шукають у сучасній космології. Велике значення має дослідження народження елементарних частинок із вакууму, побудова моделей первинного ядерного синтезу, що породили ті чи інші частки у момент народження Всесвіту.

Запитання для самоконтролю

1. У чому суть системного підходу до будови матерії?

2. Розкрийте взаємозв'язок мікро-, макро- та мегамирів.

3. Які уявлення про речовину та поле як види матерії були вироблені в рамках класичної фізики?

4. Що означає поняття "квант"? Розкажіть про основні етапи розвитку уявлень про кванти.

5. Що означає поняття «корпускулярно-хвильовий дуалізм»? Яке значення має принцип додатковості М. Бора у описі фізичної реальності мікросвіту?

6. Яка структура атома з погляду сучасної фізики?

8. Дайте характеристику властивостей елементарних частинок.

9. Виділіть основні структурні рівні організації матерії у мікросвіті та розкрийте їх взаємозв'язок.

10. Які уявлення про простір та час існували в доньютоновський період?

11. Як змінилися уявлення про простір та час зі створенням геліоцентричної картини світу?

12. Як трактував І. Ньютон час та простір?

13. Які уявлення про простір та час стали визначальними в теорії відносності А. Ейнштейна?

14. Що таке просторово-часовий континуум?

15. Розкрийте сучасні метричні та топологічні властивості простору та часу.

Обов'язкова:

4.2.1. Квантово-механічна концепція опису мікросвіту

При переході до дослідження мікросвіту виявилося, що фізична реальність єдина і немає прірви між речовиною та полем.

Вивчаючи мікрочастинки, вчені зіштовхнулися з парадоксальної з погляду класичної науки ситуацією: одні й самі об'єкти виявляли як хвильові, і корпускулярні властивості.

Перший крок у цьому напрямі було зроблено німецьким фізиком М. Планком.Як відомо, наприкінці ХІХ ст. у фізиці виникли труднощі, які отримали назву «ультрафіолетової катастрофи». Відповідно до розрахунків за формулою класичної електродинаміки інтенсивність теплового випромінювання абсолютно чорного тіла мала необмежено зростати, що явно суперечило досвіду. В процесі роботи з дослідження теплового випромінювання, яку М. Планк назвав найважчою у своєму житті, він дійшов приголомшливого висновку про те, що в процесах випромінювання енергія може бути віддана або поглинена не безперервно і не в будь-яких кількостях, а лише в відомих неподільних порціях - квантах.Енергія квантів визначається через число коливань відповідного виду випромінювання та універсальну ес тественну константу, яку М. Планк увів у науку під символом h : Е = h у.

Якщо введення кванта ще не створило справжньої квантової теорії, як неодноразово підкреслював М. Планк, то все ж таки 14 грудня 1900 р., у день опублікування формули, було закладено її фундамент. Тому в історії фізики цей день вважається днем ​​народження квантової фізики. А оскільки поняття елементарного кванта дії служило надалі основою для розуміння всіх властивостей атомної оболонки та атомного ядра, то 14 грудня 1900 слід розглядати і як день народження всієї атомної фізики і початок нової ери природознавства.

Першим фізиком, який захоплено прийняв відкриття елементарного кванта дії та творчо розвинув його, був А. Ейнштейн.У 1905 р. він переніс геніальну ідею квантованого поглинання та віддачі енергії при тепловому випромінюванні на випромінювання взагалі і таким чином обґрунтував нове вчення про світло.

Уявлення про світло як про потік квантів, що швидко рухаються, було надзвичайно сміливим, майже зухвалим, у правильність якого спочатку повірили деякі. Насамперед, із розширенням квантової гіпотези до квантової теорії світла не згоден сам М. Планк, який відносив свою квантову формулу лише до аналізованих їм законів теплового випромінювання чорного тіла.

А. Ейнштейн припустив, що йдеться про природну закономірність загального характеру. Не оглядаючись на погляди, що панують в оптиці, він застосував гіпотезу Планка до світла і дійшов висновку, що слід визнати корпускулярнуструктуру світла.

Квантова теорія світла, або фотонна теорія А Ейнштейна, стверджувала, що світло є хвильове явище, що постійно поширюється у світовому просторі. І водночас світлова енергія, щоб бути фізично дієвою, концентрується лише певних місцях, тому світло має перервну структуру. Світло може розглядатися як потік неподільних енергетичних зерен, світлових квантів або фотонів. Їхня енергія визначається елементарним квантом дії Планка та відповідним числом коливань. Світло різного забарвлення складається із світлових квантів різної енергії.

Ейнштейнівське уявлення про світлові кванти допомогло зрозуміти і наочно уявити явище фотоелектричного ефекту, суть якого полягає у вибиванні електронів з речовини під дією електромагнітних хвиль. Експерименти показали, що наявність або відсутність фотоефекту визначається не інтенсивністю падаючої хвилі, а її частотою. Якщо припустити, кожен електрон виривається одним фотоном, стає ясно наступне: ефект виникає лише тому випадку, якщо енергія фотона, отже, і його частота, досить велика подолання сил зв'язку електрона з речовиною.

Правильність такого тлумачення фотоелектричного ефекту (за цю роботу Ейнштейн 1922 р. отримав Нобелівську премію з фізики) через 10 років отримала підтвердження в експериментах американського фізика Р.Е. Міллікена.Відкрите 1923 р. американським фізиком А.Х. Комптономявище (ефект Комптона), яке відзначається при впливі дуже жорсткими рентгенівськими променями на атоми з вільними електронами, знову і вже остаточно підтвердило квантову теорію світла. Ця теорія відноситься до найбільш підтверджених експериментально-фізичних теорій. Але хвильова природа світла була вже твердо встановлена ​​дослідами з інтерференції та дифракції.

Виникла парадоксальна ситуація: виявилося, що світло поводиться не лише як хвиля, а й як потік корпускул. У дослідах з дифракції та інтерференції проявляються його хвильові властивості, а при фотоефекті – корпускулярні. При цьому фотон виявився корпускулою особливого роду. Основна характеристика його дискретності - властива йому порція енергії - обчислювалася через суто хвильову характеристику - частоту у (Е = Ну).

Як і всі великі природничо-наукові відкриття, нове вчення про світло мало фундаментальне теоретико-пізнавальне значення. Старе положення про безперервність природних процесів, яке було ґрунтовно похитнуте М. Планком, Ейнштейн виключив із значно більшої області фізичних явищ.

Розвиваючи уявлення М. Планка та А. Ейнштейна, французький фізик Луї де Брошкав 1924 р. висунув ідею про хвильові властивості матерії. У своїй роботі «Світло і матерія» він писав про необхідність використовувати хвильові та корпускулярні уявлення не тільки відповідно до вчення А. Ейнштейна в теорії світла, але також і в теорії матерії.

Л. де Бройль стверджував, що хвильові властивості, поряд з кор пускулярними, притаманні всім видам матерії: електронам, прото нам, атомам, молекулам і навіть макроскопічним тілам.

Згідно з де Бройлем, будь-якому тілу з масою т,що рухається зі швидкістю V,відповідає хвиля:

Фактично аналогічна формула була відома раніше, але тільки стосовно квантів світла - фотонів.

У 1926 р. австрійський фізик Е. Шредінгерзнайшов математичне рівняння, що визначає поведінку хвиль матерії, так зване рівняння Шредінгера. Англійська фізик П. Діракузагальнив його.

Смілива думка Л. де Бройля про загальний «дуалізм» частки і хвилі дозволила побудувати теорію, за допомогою якої можна було охопити властивості матерії та світла у їхній єдності. Кванти світла ставали при цьому особливим моментом загальної будови мікросвіту.

Хвилі матерії, які спочатку представлялися як наочно-реальні хвильові процеси на кшталт хвиль акустики, прийняли абстрактно-математичний вигляд і отримали завдяки німецькому фізику М. Борнусимволічне значення як "хвилі ймовірності".

Однак гіпотеза де Бройля потребувала досвідченого підтвердження. Найбільш переконливим свідченням існування хвильових властивостей матерії стало виявлення в 1927 р. дифракції електронів американськими фізиками К. Девіссономі Л. Джер- міром.Надалі були виконані досліди щодо виявлення дифракції нейтронів, атомів і навіть молекул. У всіх випадках результати підтверджували гіпотезу де Бройля. Ще важливішим було відкриття нових елементарних частинок, передбачених на основі системи формул розвиненої хвильової механіки.

Визнання корпускулярно-хвильового дуалізму у сучасній фізиці стало загальним. Будь-який матеріальний об'єкт характеризується наявністю як корпускулярних, так і хвильових властивостей.

Той факт, що той самий об'єкт проявляється і як частка і як хвиля, руйнував традиційні уявлення.

Форма частинки має на увазі сутність, укладену в малому обсязі або в кінцевій області простору, тоді як хвиля поширюється по його величезних областях. У квантовій фізиці ці два описи реальності є взаємовиключними, але однаково необхідними для того, щоб повністю описати аналізовані явища.

Остаточне формування квантової механіки як за слідчою теорією відбулося завдяки роботам німецького фізика В. Гейзенберга,який встановив принцип невизначеності? та датського фізика Н. Бора,який сформулював принцип додатковості, на підставі яких описується поведінка мікрооб'єктів.

Суть співвідношення невизначеностейВ. Гейзенберга полягає в наступному. Припустимо, ставиться завдання визначити стан частинки, що рухається. Якби можна було скористатися законом класичної механіки, то ситуація була б простою: слід лише визначити координати частки та її імпульс (кількість руху). Але закони класичної механіки для мікрочастинок застосовуватися не можуть: неможливо не тільки практично, а й взагалі з однаковою точністю встановити місце та величину руху мікрочастинки. Тільки одне з цих двох властивостей можна визначити точно. У книзі «Фізика атомного ядра» У. Гей-зенберг розкриває зміст співвідношення невизначеностей. Він пише, що ніколи не можна одночасно точно знати обидві пари метра - координату та швидкість.Ніколи не можна одночасно знати, де знаходиться частка, наскільки швидко і в якому напрямку вона рухається. Якщо ставиться експеримент, який точно показує, де частка знаходиться в даний момент, то рух порушується такою мірою, що частинку після цього неможливо знайти. І навпаки, при точному вимірі швидкості не можна визначити місце розташування частки.

З погляду класичної механіки, співвідношення невизначеностей представляється абсурдом. Щоб краще оцінити становище, потрібно мати на увазі, що ми, люди, живемо в макросвіті і в принципі не можемо побудувати наочну модель, яка була б адекватна мікросвіту.Співвідношення невизначеностей є вираження неможливості спостерігати мікросвіт, не порушуючи його. Будь-яка спроба дати чітку картину мікрофізичних процесів повинна спиратися або на корпускулярне, або хвильове тлумачення. При корпускулярному описі вимір проводиться для того, щоб отримати точне значення енергії і величини руху мікрочастинки, наприклад, при розсіюванні електронів. При експериментах, спрямованих на точне визначення місця, навпаки, використовується хвильове пояснення, зокрема, при проходженні електронів через тонкі пластинки або при спостереженні відхилення променів.

Існування елементарного кванта дії є перешкодою для встановлення одночасно і з однаковою точністю величин «канонічно пов'язаних», тобто. положення та величини руху частки.

Фундаментальним принципом квантової механіки поряд із співвідношенням невизначеностей є принцип додаток ності,якому Н. Бор дав таке формулювання: «Поняття частки і хвилі доповнюють одна одну і в той же час суперечать одна одній, вони є доповнювальними картинами про вихід»1.

Протиріччя корпускулярно-хвильових властивостей мікрооб'єктів є результатом неконтрольованої взаємодії мікрооб'єктів і макроприладів. Є два класи приладів: в одних квантові об'єкти поводяться як хвилі, в інших - подібно до частинок. В експериментах ми спостерігаємо не реальність як таку, а лише квантове явище, що включає результат взаємодії приладу з мікрооб'єктом. М. Борн образно зауважив, що хвилі та частинки – це «проекції» фізичної реальності на експериментальну ситуацію.

Вчений, що досліджує мікросвіт, перетворюється, таким чином, із спостерігача на дійову особу, оскільки фізична реальність залежить від приладу, тобто. зрештою від свавілля спостерігача. Тому М. Бор і вважав, що фізик пізнає не саму реальність, а лише власний контакт із нею.

Істотною рисою квантової механіки є ймовірний характер передбачень поведінки мікрооб'єктів, яке описується за допомогою хвильової функції Е. Шредінгера. Хвильова функція визначає параметри майбутнього стану мікро об'єкта з тим чи іншим ступенем ймовірності. Це означає, що при проведенні однакових дослідів з однаковими об'єктами щоразу виходитимуть різні результати. Однак деякі значення будуть вірогіднішими за інші, тобто. буде відомо лише ймовірнісний розподіл значень.

З урахуванням факторів невизначеності, додатковості та імовірності Н. Бор дав так звану «копенгагенську» інтерпретацію суті квантової теорії: «Раніше було прийнято вважати, що фізика описує Всесвіт. Тепер ми знаємо, що фізика описує лише те, що ми можемо сказати про Всесвіт»1.

Позицію М. Бора поділяли У. Гейзенберг, М. Борн, У. Пау лі та інших менш відомих фізиків. Прихильники копенгагенської інтерпретації квантової механіки не визнавали причинність або детермінізм у мікросвіті і вважали, що в основі фізичної реальності лежить фундаментальна невизначеність - індетермінізм.

Представникам копенгагенської школи різко заперечували Г.А. Лоренц, М. Планк, М. Лауе, А. Ейнштейн, П. Ланжевен та інших. А. Ейнштейн писав із цього приводу М. Борну: «У наших наукових поглядах ми розвинулися в антиподи. Ти віриш у Бога, що грає в кістки, а я - в повну закономірність об'єктивно сущого... У чому я твердо переконаний, так це в тому, що врешті-решт зупиняться на теорії, в якій закономірно пов'язаними будуть не ймовірності, але факти »2. Він виступав проти принципу невизначеності, за детермінізм, проти тієї ролі, що у квантової механіці відводять акту спостереження. Подальший розвиток фізики показав правоту Ейнштейна, який вважав, що квантова теорія в існуючому вигляді просто є незакінченою: те, що фізики поки не можуть позбутися невизначеності, свідчить не про обмеженість наукового методу, як стверджував М. Бор, а лише про незавершеності квантової механіки Ейнштейн наводив все нові й нові аргументи на підтвердження своєї точки зору.

Найбільш відомий так званий парадокс Ейнштейна – Подольського – Розена, або ЕПР-парадокс, за допомогою якого вони хотіли довести незавершеність квантової механіки. Парадокс є уявним експериментом: що станеться, якщо частинка, що складається з двох протонів, розпадеться так, що протони розлетяться в протилежні сторони? Через спільність походження їх властивості пов'язані або, як кажуть фізики, корелюють один з одним. За законом збереження імпульсу, якщо один протон полетить нагору, то другий - обов'язково вниз. Вимірявши імпульс одного протона, ми обов'язково дізнаємось і імпульс іншого, навіть якщо він полетів на інший кінець Всесвіту. Між частинками існує нелокальний зв'язок, який Ейнштейн назвав «дією привидів на відстані», при якому кожна частка в кожен будь-який момент часу знає, де знаходиться інша і що з нею відбувається.

ЕПР-парадокс несумісний з невизначеністю, що постулюється в квантовій механіці. Ейнштейн вважав, що є якісь приховані параметри, які не враховані. Питання: чи існує детермінізм та причинність у галузі мікросвіту; чи повна квантова механіка; чи існують приховані параметри, які вона не враховує, були предметом дискусій фізиків більше по луві і знайшли свій дозвіл теоретично лише наприкінці XX ст.

У 1964 р. Дж. С. Бєлаобгрунтував положення, згідно з яким квантова механіка передбачає більш сильну кореляцію між взаємно пов'язаними частинками, ніж та, про яку говорив Ейнштейн.

Теорема Белла стверджує: якщо деяка об'єктивна Всесвіт існує і якщо рівняння квантової механіки структурно подібні до цього Всесвіту, то між двома частинками, що коли-небудь входили в контакт, існує деякий вид нелокального зв'язку1. Суть теореми Белла у тому, що немає ізольованих систем: кожна частка Всесвіту перебуває у «миттєвої» зв'язку з іншими частинками. Вся система, навіть якщо її частини розділені величезними відстанями і між ними відсутні сигнали, поля, механічні сили, енергія тощо, функціонує як єдина система.

У середині 80-х років А. Аспект(Паризький університет) перевірив цей зв'язок експериментально, вивчаючи поляризацію пар фото тонів, що випускаються одним джерелом у напрямку ізолюваних детекторів. При порівнянні результатів двох серій вимірів між ними виявилася узгодженість. З погляду відомого фізика Д. Бома,експерименти А. Аспекта підтвердили теорему Белла та підтримали позиції нелокальних прихованих змінних, існування яких припустив А. Ейнштейн. У трактуванні квантової механіки Д. Бомом немає невизначеності координат частки та її імпульсу.

Вченими було висловлено припущення, що зв'язок здійснюється через передачу інформації, носіями якої виступають особливі поля.

4.2.2. Хвильова генетика

Відкриття, зроблені в квантовій механіці, справили плідний вплив не тільки на розвиток фізики, а й на інші галузі природознавства, насамперед на біологію, в рамках якої було розроблено концепцію хвильової, або квантової, генетики.

Коли в 1962 р. Дж. Вотсон, А. Вілсон і Ф. Крик отримали Нобелівську премію за відкриття подвійної спіралі ДНК, що несе спадкову інформацію, то генетикам здалося, що основні проблеми передачі генетичної інформації близькі до вирішення. Уся інформація записана в генах, сукупність яких у клітинних хромосомах визначає програму розвитку організму. Ставилося завдання розшифрування генетичного коду, під яким розумілася вся послідовність нуклеотидів у ДНК.

Проте дійсність не виправдала очікувань вчених. Після відкриття структури ДНК та детального розгляду участі цієї молекули у генетичних процесах основна проблема феномена життя – механізми її відтворення – залишилася, по суті, нерозкритою. Розшифрування генетичного коду дало можливість пояснити синтез білків. Класичні генетики виходили з того, що генетичні молекули, ДНК, мають речову природу і працюють як речовина, представляючи собою речову матрицю, на яку записано речовий генетичний код. Відповідно до нього напрацьовується тілесний, речовий і матеріальний організм. Але питання про те, яким чином у хромосомах кодується просторово-тимчасова структура організму, на основі знання послідовності нуклеотидів вирішити не можна. Радянськими вченими А.А. Лю харчовимі А.Г. Гурвічемще в 20-30-і роки була висловлена ​​думка про те, що розгляд генів як суто речових структур явно недостатньо для теоретичного опису феномену життя.

А.А. Любищев у своїй праці «Про природу спадкових факторів», виданому 1925 р., писав про те, що гени не є ні шматками хромосоми, ні молекулами автокаталітичних ферментів, ні радикалами, ні фізичною структурою. Він вважав, що треба визнати ген як потенційну субстанцію. Найкращому розумінню ідей А.А. Любищева сприяє аналогія генетичної молекули з нотним записом. Нотний запис сам по собі речовий і є значками на папері, але реалізуються ці значки не в речовинному вигляді, а в звуках, які є акустичними хвилями.

Розвиваючи ці ідеї, А.Г. Гурвіч стверджував, що в генетиці «необхідно ввести поняття біологічного поля, властивості якого формально запозичені з фізичних уявлень»1. Головна ідея А.Г. Гурвіча полягала в тому, що розвиток ембріона відбувається за заздалегідь встановленою програмою і приймає ті форми, які вже є в його полі. Він перший пояснив поведінку компонентів організму, що розвивається, як цілого на основі польових уявлень. Саме в полі містяться форми, що приймаються ембріоном у процесі розвитку. Віртуальну форму, що визначає результат процесу розвитку в будь-який його момент, Гурвіч назвав динамічно преформованою формою і тим самим ввів у первісне формулювання поля елемент телеології. Розробивши теорію клітинного поля, він поширив ідею поля як принципу, що регулює і координує ембріональний процес, також і на функціонування організмів. Обґрунтувавши загальну ідею поля, Гурвіч сформулював її як універсальний принцип біології. Їм було відкрито біологічне фотонне випромінювання клітини.

Ідеї ​​російських біологів А.А. Любищева та А.Г. Гурвіча є гігантським інтелектуальним досягненням, яке випередило свій час. Суть їхніх думок полягає у тріаді:

Гени дуалістичні - вони речовина та поле одночасно.

Польові елементи хромосом розмічають простір - час організму - і цим керують розвитком біосистем.

Гени мають естетично-подібну та мовленнєву регуляторні функції.

Ці ідеї залишалися недооціненими до появи робіт В.П. Казначєєвау 60-ті роки XX ст., в яких експериментально були підтверджені передбачення вчених про наявність лівих форм передачі інформації в живих організмах. Науковий напрямок у біології, представлений школою В.П. Казначеєва, сформувалося як результат численних фундаментальних досліджень по так званому дзеркальному цитопатическому ефекту, що виражався в тому, що живі клітини, розділені кварцовим склом, що не пропускає жодної молекули речовини, проте обмінюються інформацією. Після робіт Казначєєва існування хвильового знакового каналу між клітинами біосистем не викликало сумніву.

Поруч із експериментами В.П. Казначєєва китайський дослідник Цзян Каньчженпровів серію супергенетичних експериментів, які перегукувались із передбаченням О.Л.Любищева та А.Г. Гурвіча. Відмінність робіт Цзян Каньчжена у цьому, що він проводив експерименти не так на клітинному рівні, але в рівні організму. Він виходив з того, що ДНК – генетичний матеріал – існує у двох формах: пасивної (у вигляді ДНК) та активної (у вигляді електромагнітного поля). Перша форма зберігає генетичний код і забезпечує стабільність організму, а друга у стані його змінити шляхом впливу на нього біоелектричними сигналами. Китайський вчений сконструював апаратуру, яка була здатна зчитувати, передавати на відстань і вводити хвильові супергенетичні сигнали з біосистеми-донора в організм-акцептор. В результаті він вивів немислимі гібриди, «заборонені» офіційною генетикою, яка оперує поняттями тільки речових генів. Так з'явилися на світ тварини та рослинні химери: куро-качки; кукурудза, з качанів якої росли пшеничні колосся, і т.д.

Визначний експериментатор Цзян Каньчжен інтуїтивно розумів деякі сторони фактично створеної ним експериментальної хвильової генетики і вважав, що носіями польової геноінформації є надвисокочастотні електромагнітні випромінювання, які використовуються в його апаратурі, проте теоретичного обґрунтування він дати не зміг.

Після експериментальних робіт В.П. Казначєєва та Цзян Кань чжена, які не могли бути пояснені в термінах традиційної генетики, виникла нагальна необхідність у теоретичному розвитку моделі хвильового геному, у фізико-математичному та теоретико-біологічному осмисленні роботи хромосоми ДНК у польовому та речовинному вимірі.

Перші спроби вирішити цю проблему зробили російські вчені П.П. Гаряєв, А.А. Березіні А.А. Васильєв,якими були поставлені такі завдання:

показати можливість дуалістичного трактування роботи геному клітини на рівнях речовини та поля в рамках фізико-математичних моделей;

показати можливість звичайних та «аномальних» режимів роботи геному клітини з використанням фантомно-хвильових образно-знакових матриць;

Знайти експериментальні докази правильності запропонованої теорії.

В рамках теорії, розробленої ними, що отримала назву хвильової генетики, було висунуто, обґрунтовано та експериментально підтверджено кілька основних положень, які значно розширили розуміння феномену життя та процесів, що відбуваються у живій матерії.

Гени - як речовинні структури, а й хвильові матриці, якими, як у шаблонах, будується організм.

Взаємна передача інформації між клітинами, що допомагає формуватися організму як цілісній системі та коригувати злагоджену роботу всіх систем організму, відбувається не лише хімічним шляхом – синтезом різноманітних ферментів та інших «сигнальних» речовин. П.П. Гаряєв припустив, а потім експериментально довів, що клітини, їх хромосоми, ДНК, білки передають інформацію за допомогою фізичних полів - електромагнітними і акустичними хвилями і тривимірними голограмами, що читаються лазерним хромосомним світлом і випромінюють це світло, яке трансформується в радіохвилі і передає на радіохвилі ну інформацію у просторі організму. Геном вищих організмів сприймається як біологографічний комп'ютер, який формує просторово-тимчасову структуру біосистем. Як носії польових матриць, за якими будується організм, виступають хвильові фронти, що задаються геноголограмами, і так звані солітони на ДНК - особливий вид акустичних і електромагнітних полів, що продукуються генетичним апаратом самого організму і здатних до посередницьких функцій з обміну стратегічною регуляторною клітинами, тканинами та органами біосистеми.

У хвильовій генетиці були підтверджені ідеї Гурвіча – Лю біщева – Казначєєва – Цзян Каньчжена про польовий рівень гено-інформації. Іншими словами, дуалізм поєднує єдності «хвиля - частка» або «речовина - поле», прийнятий у квантовій електродинаміці, виявився застосовним і в біології, що і передбачали свого часу АГ. Гурвіч та АА. Любищев. Ген-речовина та ген-поле не виключають один одного, але взаємно доповнюють.

Жива матерія складається з неживих атомів і елементарних частинок, які поєднують у собі фундаментальні властивості хвилі та частинки, але ці властивості використовуються біосистемами як основа для хвильового енергоінформаційного обміну. Інакше кажучи, генетичні молекули випромінюють інформаційно-енергетичне поле, в якому закодовано весь організм, його фізичне тіло та душа.

Гени - це не тільки те, що складає так званий генеті чеський код, але і вся інша, велика частина ДНК, яка раніше вважалася безглуздою.

Але саме ця більша частина хромосом аналізується в рамках хвильової генетики як головна «інтелектуальна» структура всіх клітин організму: «Некодуючі регіони ДНК - це не просто junk (сміття), а структури, призначені для якихось цілей з незрозумілим поки що призначенням. некодирующие послідовності ДНК (а це 95-99% геному) є стратегічним інформаційним змістом хромосом... «тексти»1. Цей компонент геному, який одержав назву супергено-континуум, тобто. надген, забезпечує розвиток життя людини, тварин, рослин, і навіть програмує природне вмирання. Між генами та супергенами немає різкого та непереборного кордону, вони діють як єдине ціле. Гени дають матеріальні «репліки» у вигляді РНК та білків, а супергени перетворять внутрішні та зовнішні поля, формуючи з них хвилеві структури, в яких кодується інформація. Генетична спільність людей, тварин, рослин, найпростіших полягає в тому, що на рівні білків ці варіанти практично не відрізняються або слабо відрізняються у всіх організмів і кодуються генами, що становлять лише кілька відсотків загальної довжини хромосоми. Але вони відрізняються на рівні «сміттєвої частини» хромосом, що становить майже всю їхню довжину.

Власної інформації хромосом недостатньо для розвитку організму. Хромосоми за деяким виміром звернені у фізичнійський вакуум, що дає головну частину інформації для розвитку ембріона. Генетичний апарат здатний сам і за допомогою вакууму генерувати командні хвильові структури типу голограм, забезпеч які розвивають організм.

Значними для глибшого розуміння життя як космо-планетарного явища стали експериментальні дані, отримані П.П. Гаряєвим, які довели недостатність геному клітини для повноцінного відтворення програми розвитку організму за умов біопольової інформаційної ізоляції. Експеримент полягав у тому, що було збудовано дві камери, у кожній з яких створені всі природні умови для розвитку ло лостиків з жабиної ікри - необхідний склад повітря і води, температура, режим освітлення, ставковий мул і т.д. Відмінності полягали лише в тому, що одна камера була зроблена з пермалою - матеріалу, що не пропускає електромагнітні хвилі, а друга - зі звичайного металу, який для хвиль не перешкода. У кожну камеру було поміщено однакову кількість заплідненої жаби ікри. В результаті експерименту в першій камері з'явилися суцільно виродки, які за кілька днів загинули, у другій камері в належний термін вилупилися і нормально розвинулися пуголовки, що потім перетворилися на жаб.

Зрозуміло, що для нормального розвитку пуголовків у першій камері їм не вистачало якогось фактора, що несе частину спадкової інформації, без якої організм не може бути «зібраний» у повному вигляді. Оскільки стінки першої камери відсікали пуголовків тільки від випромінювань, які вільно пронизували другу камеру, то природно припустити, що фільтрація або спотворення природного інформаційного фону викликає потворність і загибель ембріонів. Це означає, що комунікації генетичних структур із зовнішнім інформаційним полем, безумовно, необхідні для гармонійного розвитку організму. Зовнішні (екзобіологічні) польові сигнали несуть додаткову, а можливо, і головну інформацію в геноконтинуум Землі.

Тексти ДНК та голограми хромосомного континууму можуть читатися у багатовимірному просторово-часовому та семантичному. варіантах. Існують хвильові мови геному клітин, подібні до людськими.

На особливу увагу заслуговує в хвильовій генетиці обґрунтування єдності фрактальної (повторюючої самої себе в різних масштабах) структури послідовностей ДНК і людської мови. Те, що чотири літери генетичного алфавіту (аденін, гуанін, цитозин, тимін) у ДНК-текстах утворюють фрактальні структури, було виявлено ще в 1990 р. і не викликало особливої ​​реакції. Однак відкриття геноподібних фрактальних структур у людській мові стало несподіванкою і для генетиків, і для лінгвістів. Стало очевидно, що прийняте і вже звичне порівняння ДНК із текстами, що мало метафоричний характер після відкриття єдності фрактальної структури та людської мови, цілком виправдане.

Спільно із співробітниками Математичного інституту РАН група П.П. Гаряєва розробила теорію фрактального уявлення природних (людських) та генетичних мов. Практична перевірка цієї теорії в галузі «мовленнєвих» характеристик ДНК показала стратегічно вірну орієнтацію досліджень.

Так само, як і в експериментах Цзян Каньчжен, групою П.П. Гаряєва був отриманий ефект трансляції та введення хвильової супергенетичної інформації від донора до акцептора. Були створені пристрої - генератори солітонних полів, які можна було вводити мовні алгоритми, наприклад, російською чи англійською мовами. Такі мовні структури перетворювалися на солітонні модульовані поля - аналоги тих, якими оперують клітини в процесі хвильових комунікацій. Організм та його генетичний апарат «дізнається» такі «хвильові фрази» як свої власні і надходить відповідно до введених людиною ззовні мовних рекомендацій. Вдалося, наприклад, створюючи певні мовні, вербальні алгоритми, відновити радіаційно пошкоджене насіння пшениці та ячменю. Причому насіння рослин «розуміли» цю мову незалежно від того, якою мовою вона вимовлялася - російською, німецькою або англійською. Експерименти було проведено на десятках тисяч клітин.

Для перевірки ефективності стимулюючих зростання хвильових програм у контрольних експериментах в геном рослин через генератори вводили безглузді мовні псевдокоди, які ніяк не впливали на обмін речовин рослин, у той час як смислове входження в біопольові семантичні пласти генома рослин давало ефект різкого, але короткочасного ного прискорення зростання.

Розпізнавання геномами рослин людської мови (незалежно від мови) повністю відповідає положенню лінгвістичної генетики про існування прамови геному біосистем на ранніх етапах їх еволюції, спільного для всіх організмів і збереженого в загальній структурі генофонду Землі. Тут видно відповідність ідеям класика структурної лін гвістики М. Хомського, який вважав, що це природні мови мають глибинну вроджену універсальну граматику, ін варіантну всім людей і, мабуть, їх власних супергенетичних структур.

4.2.3. Атомістична концепція будови матерії

Атомістична гіпотеза будови матерії, висунута в античності Демокрітом,була відроджена у XVIII ст. хіміком Дж. Дальтоном,який прийняв атомну вагу водню за одиницю і зіставив із нею атомні ваги інших газів. Завдяки працям Дж. Дальтона стали вивчатися фізико-хімічні властивості атома. У ХІХ ст. Д.І. Менделєєвпобудував систему хімічних елементів, засновану на їхній атомній вазі.

У фізику уявлення про атоми як про останні тижні мих структурних елементах матерії прийшли з хімії. Власне фізичні дослідження атома починаються наприкінці XIX ст., коли французьким фізиком А.А. Беккерелембуло відкрито явище радіоактивності, яке полягало в мимовільному перетворенні атомів одних елементів на атоми інших елементів. Вивчення радіоактивності було продовжено французьким фі зиком подружжям П'єромі Марією Кюрі,що відкрили нові радіоактивні елементи полоній та радій.

Історія дослідження будови атома почалася в 1897 р. завдяки відкриттю Дж. Томсономелектрона - негативно зарядженої частинки, що входить до складу всіх атомів. Оскільки електрони мають негативний заряд, а атом в цілому електрично нейтральний, було зроблено припущення про наявність крім електрона і позитивно зарядженої частинки. Маса електрона склала за розрахунками 1/1836 маси позитивно зарядженої частинки - протона.

Виходячи з величезної, порівняно з електроном, маси позитивно зарядженої частинки, англійський фізик У. Томсон(Лорд Кельвін)запропонував у 1902 р. першу модель атома - позитивний заряд розподілений у досить великій області, а електрони вкраплені в нього, як «родзинки в пудинг». Ця ідея була розвинена Дж. Томсон.Модель атома Дж. Томсона, над якою він працював майже 15 років, не встояла перед дослідною перевіркою.

У 1908 р. Е. Марсдені X . Гейгер,співробітники Е. Резерфорда, провели досліди з проходження альфа-частинок через тонкі платівки із золота та інших металів і виявили, що майже всі вони проходять через платівку, ніби немає перешкоди, і лише 1/10 000 з них зазнає сильного відхилення. За моделлю Дж. Томсона це пояснити не вдавалося, але Е. Резерфорд знайшов вихід. Він звернув увагу, що більшість частинок відхиляється на малий кут, а мала - до 150°. е. Резерфорд дійшов висновку, що вони ударяються про якусь перешкоду, ця перешкода є ядро ​​атома - позитивно заряджену мікрочастинку, розмір якої (10-12 см) дуже малий порівняно з розмірами атома (10-8 см), але в ній майже повністю зосереджено масу атома.

Модель атома, запропонована Е. Резерфордом у 1911 р., нагадувала Сонячну систему: у центрі знаходиться атомне ядро, а навколо нього по своїх орбітах рухаються електрони.

Ядро має позитивний заряд, а електрони негативний. Замість сил тяжіння, які у Сонячній системі, в атомі діють електричні сили. Електричний заряд ядра атома, чисельно рівний порядковому номеру в періодичній системі Менделєєва, врівноважується сумою зарядів електронів - атом електрично нейтральний.

Нерозв'язне протиріччя цієї моделі полягало у тому, що електрони, ніж втратити стійкість, повинні рухатися навколо ядра. У той же час вони, згідно з законами електродинаміки, обов'язково повинні випромінювати електромагнітну енергію. Але в такому разі електрони дуже швидко втратили всю свою енергію і впали на ядро.

Наступне протиріччя пов'язані з тим, що спектр випромінювання електрона може бути безперервним, оскільки електрон, наближаючись до ядру, змінював свою частоту. Досвід показує, що атоми випромінюють світло лише певних частот. Саме тому атомні спектри називають лінійчастими. Інакше кажучи, планетарна модель атома Резерфорда виявилася несумісною з електродинамікою Дж. До. Максвелла.

У 1913 р. великий датський фізик Н. Борзастосував принцип квантування при вирішенні питання про будову атома та характеристику атомних спектрів.

Модель атома Н. Бора базувалася на планетарній моделі Е. Резерфорда і розробленої ним самим квантової теорії будови атома. Н. Бор висунув гіпотезу будови атома, засновану на двох постулатах, абсолютно несумісних з класичною фізикою:

1) у кожному атомі існує кілька стаціонарних зі стоянь(говорячи мовою планетарної моделі, кілька стаціонарних орбіт) електронів, рухаючись якими, електрон, може існувати, не випромінюючи;

2) при переходіелектрона з одного стаціонарного стану в інший атом випромінюєабо поглинає порцію енергії.

Постулати Бора пояснюють стійкість атомів: електрони, що знаходяться в стаціонарних станах, без зовнішньої на те причини не випромінюють електромагнітної енергії. Стає зрозумілим, чому атоми хімічних елементів не випромінюють випромінювання, якщо їх стан не змінюється. Пояснюються і лінійні спектри атомів: кожній лінії спектра відповідає перехід електрона з одного стану в інший.

Теорія атома Н. Бора дозволяла дати точне опис атома водню, що складається з одного протона і одного електрона, що досить добре узгоджується з експериментальними даними. Подальше поширення теорії на багатоелектронні атоми і молекули зіткнулося з непереборними труднощами. Чим докладніше теоретики намагалися описати рух електронів в атомі, визначити їх орбіти, тим більшою була розбіжність теоретичних результатів з експериментальними даними. Як стало ясно в ході розвитку квантової теорії, ці розбіжності були пов'язані головним чином із хвильовими властивостями електрона. Довжина хвилі електрона, що рухається в атомі, дорівнює приблизно 10-8 см, тобто. вона того ж порядку, що й розмір атома. Рух частки, що належить будь-якій системі, можна з достатнім ступенем точності описувати як механічний рух матеріальної точки по певній орбіті (траекторії) тільки в тому випадку, якщо довжина хвилі частки нехтує малою порівняно з розмірами системи. Іншими словами, слід враховувати, що електрон не крапка і не тверда кулька, вона має внутрішню структуру,яка може змінюватись в залежності від його стану. При цьому деталі внутрішньої структури електрона невідомі.

Отже, точно описати структуру атома виходячи з уявлення про орбіти точкових електронів принципово неможливо, оскільки таких орбіт насправді немає. Внаслідок своєї хвильової природи електрони та їх заряди хіба що розмазані по атому, проте рівномірно, отже, у деяких точках усереднена за часом електронна щільність заряду більше, а інших - менше.

Опис розподілу щільності електронного заряду було дано в квантовій механіці: щільність електронного заряду в певних точках дає максимум. Крива, що зв'язує точки максимальної густини, формально називається орбітою електрона. Траєкторії, обчислені теорії Н. Бора для одноелектронного атома водню, збіглися з кривими максимальної середньої щільності заряду, що й зумовило узгодженість з експериментальними даними.

Теорія М. Бора є хіба що прикордонну смугу першого етапу розвитку сучасної фізики. Це останнє зусилля описати структуру атома на основі класичної фізики, доповнюючи її лише невеликою кількістю нових припущень. Введені Бором постулати ясно показали, що класична фізика не в змозі пояснити навіть найпростіші досліди, пов'язані з структурою атомаПостулати, чужорідні класичній фізиці, порушили її цілісність, але дозволили пояснити лише невелике коло експериментальних даних.

Складалося враження, що постулати М. Бора відбивають якісь нові, невідомі властивості матерії, але лише частково. Відповіді на ці питання були отримані внаслідок розвитку квантової механіки З'ясувалося,що атомна модель Н. Бора неслід розуміти буквально, якце було на початку. Процеси ватомі в принципіне можна наочно подати у вигляді механічного ськихмоделей за аналогією зподіями в макросвіті. Навіть зрозуміла простору і часу в існуючій вмакросвіті формівиявилися невідповідними для опису мікрофізичних явищ. Атом фізиків-теоретиків дедалі більше ставав абстрактно-неспостережуваною сумою рівнянь.

4.2.4. Елементарні частинки та кваркова модель атома

Подальший розвиток ідей атомізму було з вивченням елементарних частинок. Частинки, що входять до складу насамперед «неподільного» атома, називають елементарними. До них відносять і ті частинки, які отримують в умовах експерименту на потужних прискорювачах. Наразі відкрито понад 350 мікрочастинок.

Термін «елементарна частка»спочатку означав найпростіші, далі ні на що не розкладаються частинки, що лежать в основі будь-яких матеріальних утворень. Пізніше фізики усвідомили всю умовність терміна «елементарний» стосовно мікрооб'єктів. Зараз вже не підлягає сумніву, що частки мають ту чи іншу структуру, але тим не менш назва, що історично склалася, продовжує існувати.

Основними характеристиками елементарних частинок є маса, заряд, середній час життя, спин та квантові числа.

Масу спокоюелементарних частинок визначають по відношенню до маси спокою електрона. Існують елементарні частинки, що не мають маси спокою, – фотони. Інші частинки за цією ознакою поділяються на: лептони- легкі частинки (електрон та її трино); мезони -середні частинки з масою в межах від однієї до тисячі мас електрона; баріони- важкі частки, чия маса перевищує тисячу мас електрона і до складу яких входять про тони, нейтрони, гіперони та багато резонансів.

Електричний зарядє іншою найважливішою характеристикою елементарних частинок. Всі відомі частинки мають позитивний, негативний або нульовий заряд. Кожній частинці, крім фотону та двох мезонів, відповідають античастинки з протилежним зарядом. У 1967 р. американський фізик М. Гелл- Маннвисловив гіпотезу про існування кварків – частинок із дробовим електричним зарядом.

За часом життя частки поділяються на стабільніі нестабіль ні.Стабільних частинок п'ять: фотон, два різновиди нейтрино, електрон та протон. Саме стабільні частинки відіграють важливу роль у структурі макротіл. Всі інші частки нестабільні, вони існують близько 10-10 - 10-24 , після чого розпадаються.

Крім заряду, маси та часу життя, елементарні частки описуються також поняттями, що не мають аналогів у класичній фізиці: поняттям «спін»,або власний момент кількості руху мікрочастинки, та поняттям «квантові чис ла»,що виражає стан елементарних частинок.

Згідно з сучасними уявленнями, всі елементарні частинки поділяються на два класи: ферміони(названі на честь Е. Фермі) та бозони(Названі на честь Ш. Бозе).

До ферміонів відносяться кварки та лептони, до бозонів - кванти полів (фотони, векторні бозони, глюони, гравітіно та граві тони). Ці частки вважаються істинно елементарними,тобто. далі нерозкладними. Інші частинки класифікуються як умовно елементарні,тобто. складові частинки, утворені з кварків та відповідних квантів полів. Ферміони складають речовину,бозони переносять взаємодія.

Елементарні частинки беруть участь у всіх видах відомих взаємодій. Розрізняють чотири види фундаментальних взаємодій у природі: сильне, електромагнітне, слабке та гравітаційне.

Сильна взаємодія відбувається на рівні атомних ядер і є взаємним тяжінням їх складових частин. Воно діє з відривом порядку 10-13 див. За певних умов сильна взаємодія дуже міцно пов'язує частки, у результаті утворюються матеріальні системи із високим енергією зв'язку - атомні ядра. Саме тому ядра атомів є дуже стійкими, їх важко зруйнувати.

Електромагнітна взаємодія приблизно в тисячу разів слабший за сильний, але значно більш далекоглядний. Взаємодія такого типу властиво електрично зарядженим частинкам. Носієм електромагнітної взаємодії є фотон - квант електромагнітного поля, що не має заряду. У процесі електромагнітної взаємодії електрони та атомні ядра поєднуються в атоми, атоми - в молекули. У певному сенсі ця взаємодія є основною в хімії та біології.

Слабке взаємодія можливо між різними частинками. Воно простягається на відстань порядку 10-15-10-22см і пов'язано головним чином з розпадом частинок, наприклад, з перетвореннями нейтрону в протон, електрон і антинейтрино, що відбуваються в атомному ядрі. Відповідно до сучасного рівня знань більшість частинок нестабільні саме завдяки слабкій взаємодії.

Гравітаційна взаємодія - найслабше, не враховує моє теоретично елементарних частинок, оскільки у характерних їм відстанях порядку 10-13 див воно дає надзвичайно малі ефекти. Однак на ультрамалих відстанях (порядку 10-33 см) і при ультравеликих енергіях гравітація знову набуває істотного значення. Тут починають виявлятися незвичайні властивості фізичного вакууму. Надважкі віртуальні частинки створюють навколо себе помітне гравітаційне поле, яке починає спотворювати геометрію простору. У космічних масштабах гравітаційна взаємодія має вирішальне значення. Радіус його дії не обмежений.

Від сили взаємодії залежить час, протягом якого відбувається перетворення елементарних частинок. Ядерні реакції, пов'язані з сильними взаємодіями, відбуваються протягом 10-24-10-23 с. Це приблизно той найкоротший інтервал часу, за який частка, прискорена до високих енергій, швидкості, близької швидкості світла, проходить через елементарну частинку розміром порядку 10-13см. Зміни, обумовлені електромагнітними взаємодіями, здійснюються протягом 10-19-10-21 с, а слабкими (наприклад, розпад елементарних частинок) - в основному 10 - 10 с.

За часом різних перетворень можна будувати висновки про силі пов'язаних із нею взаємодій.

Усі чотири взаємодії необхідні і достатні для побудови різноманітного світу.

Без сильних взаємодій не існували б атомні ядра, а зірки та Сонце не могли б генерувати за рахунок ядерної енергії теплоту та світло.

Без електромагнітних взаємодій був би ні атомів, ні молекул, ні макроскопічних об'єктів, і навіть тепла і світла.

Без слабких взаємодій були б можливі ядерні реакції у надрах Сонця і зірок, не відбувалися спалахи наднових зірок і необхідні життя важкі елементи було б поширитися у Всесвіті.

Без гравітаційної взаємодії не тільки не було б галактик, зірок, планет, а й увесь Всесвіт не міг би еволюціо нувати, оскільки гравітація є об'єднуючим фактором, що забезпечує єдність Всесвіту як цілого та його еволюцію.

Сучасна фізика дійшла висновку, що всі чотири фундаментальні взаємодії, необхідні для створення з елементарних частинок складного та різноманітного матеріального світу, можна отримати з однієї фундаментальної взаємодії – суперсили. Найбільш яскравим досягненням став доказ того, що при дуже високих температурах (або енергіях) всі чотири взаємодії об'єднуються в одну.

При енергії в 100 ГеВ (100 млрд електрон-вольт) поєднуються електромагнітна та слабка взаємодії. Така температура відповідає температурі Всесвіту через 10 - 10с після Великого вибуху. При енергії 1015 ГеВ до них приєднується сильна взаємодія, а при енергії 1019 ГеВ відбувається об'єднання всіх чотирьох взаємодій.

Це припущення має суто теоретичний характер, оскільки експериментальним шляхом його перевірити неможливо. Побічно ці ідеї підтверджуються астрофізичними даними, які можна розглядати як експериментальний матеріал, накопичений Всесвітом.

Досягнення у сфері дослідження елементарних частинок сприяли подальшому розвитку концепції атомізму. В даний час вважають, що серед безлічі елементарних частинок можна виділити 12 фундаментальних частинокі стільки ж античастинок1. Шість частинок - це кварки з екзотичними назвами: «верхній», «нижній», «зачарований», «дивний», «справжній», «чарівний». Інші шість - лептони: електрон, мюон, тау-частка та відповідні їм нейтрино (електронне, мюонне, тау-нейтрино).

Ці 12 частинок групують у три покоління, кожне з яких складається з чотирьох членів.

У першому поколінні – «верхній» та «нижній» кварки, електрон та електронне нейтрино.

У другому поколінні - «зачарований» і «дивний» кварки, мюон та мюонне нейтрино.

У третьому поколінні – «справжній» та «чарівний» кварки та тау-частки зі своїм нейтрино.

Звичайна речовина складається з частинок першого покоління.

Передбачається, що решту поколінь можна створити штучно на прискорювачах заряджених частинок.

На основі кваркової моделі фізики розробили просте та витончене вирішення проблеми будови атомів.

Кожен атом складається з важкого ядра (сильно пов'язаних глюонними полями протонів і нейтронів) та електронної оболонки. Число протонів у ядрі дорівнює порядковому номеру елемента в періодичній таблиці хімічних елементів Д.І. Менделєєва. Протон має позитивний електричний заряд, маса в 1836 разів більша за масу електрона, розміри порядку 10 - 13 см. Електричний заряд нейтрону дорівнює нулю. Протон, згідно з кварковою гіпотезою, складається з двох «верхніх» кварків і одного «нижнього», а нейтрон – з одного «верхнього» та двох «нижніх» кварків. Їх не можна уявити у вигляді твердої кульки, швидше, вони нагадують хмару з розмитими кордонами, що складається з віртуальних частинок, що народжуються і зникають.

Залишаються ще питання про походження кварків і лептонів, про те, чи є вони основними «цеглинками» природи і наскільки фундаментальні. Відповіді на ці питання шукають у сучасній космології. Велике значення має дослідження народження елементарних частинок із вакууму, побудова моделей первинного ядерного синтезу, що породили ті чи інші частки у момент народження Всесвіту.

4.2.5. Фізичний вакуум

Вакуум у перекладі латинської ( vacuum ) означає порожнечу.

Ще в античності було поставлено питання про те, чи порожній світовий простір чи заповнений якимось матеріальним середовищем, чимось, що відрізняється від порожнечі.

Відповідно до філософської концепції великого давньогрецького філософа Демокріта,всі речовини складаються з частинок, між якими знаходиться порожнеча. Але згідно з філософською концепцією іншого не менш знаменитого давньогрецького філософа Арі стотеля,у світі немає найменшого місця, де не було б «нічого». Це середовище, що пронизує всі простори Всесвіту, було названо ефіром.

Поняття «ефіру» увійшло європейську науку. Великий Ньютон розумів, що всесвітнього тяжіння матиме сенс, якщо простір має фізичної реальністю, тобто. є середовищем, що володіє фізичними властивостями. Він писав: «Думка про те, щоб одне тіло могло впливати на інше через порожнечу на відстані, без участі чогось такого, що переносило б дію і силу від одного тіла до іншого, - видається мені безглуздим»1.

У класичній фізиці не було експериментальних даних, які б підтверджували існування ефіру. Але не було й даних, які б спростовували це. Авторитет Ньютона, сприяв з того що ефір став розглядатися як найважливішого поняття фізики. Під поняття «ефір» стали підбивати все, що викликалося гравітаційними та електромагнітними силами. Але оскільки інші фундаментальні взаємодії до виникнення атомної фізики практично не вивчалися, то за допомогою ефіру бралися пояснювати будь-які явища та будь-який процес.

Ефір мав забезпечувати дію закону всесвітнього тяжіння; ефір виявлявся середовищем, яким йдуть світлові хвилі; ефір ніс відповідальність за всі прояви електромагнітних сил. Розвиток фізики змушував наділяти ефір все новими і новими суперечливими властивостями.

Досвід Майкельсона, найбільший з усіх «негативних» досвідів в історії науки, привів до висновку, що гіпотеза нерухомого світового ефіру, на яку класична фізика покладала великі надії, неправильна. Розглянувши всі припущення щодо ефіру з часів Ньютона і до початку XX ст., А. Ейнштейн у праці «Еволюція фізики» підбив підсумки: «Усі наші спроби зробити ефір реальним провалилися. Він не виявив ні своєї механічної будови, ні абсолютного руху. Від усіх властивостей ефіру не залишилося нічого... Усі спроби відкрити властивості ефіру призвели до труднощів та протиріч. Після стількох невдач настає момент, коли слід забути про ефір і постаратися ніколи більше не згадувати про нього».

У спеціальній теорії відносності відбулася відмова від поняття «ефіру».

У загальній теорії відносності як матеріальне середовище, що взаємодіє з тілами, що володіють гравітаційними масами, розглядалося простір. Сам творець загальної теорії відносності вважав, що якесь всюдисуще матеріальне середовище все-таки має існувати і мати певні властивості. Після публікації робіт із загальної теорії відносності Ейнштейн неодноразово повертався до поняття «ефіру» і вважав, що «ми не можемо в теоретичній фізиці обійтися без ефіру, тобто континууму, наділеного фізичними властивостями».

Однак поняття «ефір» вже належало історії науки, повернення до нього не було, а «континуум, наділений фізичними властивостями» був названий фізичним вакуумом.

У сучасній фізиці вважається, що роль фундаментальної матеріальної основи світу виконує фізичний вакуум, який є універсальним середовищем, що пронизує весь простір. Фізичний вакуум - це таке безперервне середовище, в якому немає ні частинок речовини, ні поля і водночас є фізичним об'єктом, а не позбавленим будь-яких властивостей «ніщо». Безпосередньо фізичний вакуум немає, в експериментах спостерігається лише прояв його властивостей.

Принципове значення для вирішення проблем вакууму мають роботи П. Дірака.До появи вважалося, що вакуум є чисте «ніщо», яке яким би перетворенням ні під вергать, змінитися неспроможна. Теорія Дірака відкрила шлях до перетворень вакууму, в яких колишнє «ніщо» зверталося б у безліч пар «частка – античастка».

Вакуум у Дірака є море електронів з від'ємною енергією як однорідне тло, що не впливає на проходження в ньому електромагнітних процесів. Ми не спостерігаємо електронів з негативною енергією саме тому, що вони утворюють суцільне невидиме тло, на якому відбуваються всі світові події. Спостерігаються можуть лише зміни стану вакууму, його «обурення».

Коли в море електронів потрапляє багатий енергією світловий квант - фотон, то він викликає обурення і електрон з від'ємною енергією може перескочити в стан з позитивною енергією, тобто. спостерігатиметься як вільний електрон. Тоді в морі негативних електронів утворюється "дірка" і народиться пара: електрон + дірка.

Спочатку передбачалося, що дірками в дираківському вакуумі є протони, єдині відомі на той час елементарні частинки з протилежним електрону зарядом. Однак цій гіпотезі не судилося вижити: в експерименті

анігіляцію електрона із протоном ніхто ніколи не спостерігав.

Питання про реальне існування та фізичний сенс дірок було вирішено у 1932 р. американським фізиком К.А. Андерсеном,займався фотографуванням треків частинок, що приходять з космосу в магнітному полі. Він виявив у космічних променях слід невідомої раніше частинки, за всіма параметрами тотожної електрону, але має заряд протилежного знака. Ця частка названа позитроном. При зближенні з електроном позитрон анігілює з ним на два фотони високої енергії (гамма-кванти), необхідність виникнення яких обумовлена ​​законами збереження енергії та імпульсу:

Згодом виявилося, що майже всі елементарні частинки (навіть не мають електричних зарядів) мають своїх «дзеркальних» двійників - античастинки, здатні анігілювати з ними. Виняток становлять лише деякі істинно нейтральні частинки, наприклад фотони, які тотожні своїм античастинкам.

Величезна заслуга П. Дірака полягала в тому, що він розробив релятивістську теорію руху електрона, що передбачила позитрон, анігіляцію та народження з вакууму електро-позитронних пар. Стало ясно, що вакуум має складну структуру, з якої можуть народжуватися пари: частка + античастка. Експерименти на прискорювачах підтвердили це припущення.

Однією з особливостей вакууму є наявність у ньому полів з енергією, що дорівнює нулю, і без реальних частинок. Виникає питання: як може існувати електромагнітне поле без фото, електронно-позитронне поле без електронів і позитронів і т.д.

Для пояснення нульових коливань полів у вакуумі було запроваджено поняття віртуальної (можливої) частки - частки з дуже малим терміном життя близько 10 - 21 - 10-24 с. Це пояснює, чому у вакуумі постійно народжуються і зникають частки - кванти відповідних полів. Окремі віртуальні частки не можна виявити в принципі, але їх сумарний вплив на звичайні мікрочастинки виявляється експериментально. Фізики вважають, що абсолютно всі реакції, всі взаємодії між реальними елементарними частинками відбуваються за неодмінної участі вакуумного віртуального фону, на який елементарні частинки теж впливають. Звичайні частинки породжують віртуальні частки. Електрони, наприклад, постійно випускають і відразу поглинають віртуальні фотони.

Подальші дослідження квантової фізики були присвячені вивченню можливості появи з вакууму реальних частинок, теоретичне обґрунтування якої було дано Е. Шредінге ром 1939 р.

В даний час концепція фізичного вакууму, найбільш повно розроблена в працях академіка РАВН Г.І. Шипова1,є дискусійною: є як прихильники, так і противники його теорії.

У 1998 р. Г.І. Шипов розробив нові фундаментальні рівняння, що описують структуру фізичного вакууму. Ці рівняння являють собою систему нелінійних диференціальних рівнянь першого порядку, до якої входять геометризовані рівняння Гейзенберга, геометризовані рівняння Ейнштейна та геометризовані рівняння Янга - Мілса. Про мандрівку - час у теорії Г.І. Шипова як викривлено, як у теорії Енштейна, а й закручено, як і геометрії Рімана - Картана. Французький математик Елі Картонпершим висловив думку про те, що в природі повинні існувати поля, що породжуються обертанням. Ці поля одержали назви полів кручення. Для обліку крутіння простору Г.І. Шиповим було введено в геометричні рівняння безліч кутових координат, що дозволило використовувати в теорії фізичного вакууму кутову метрику, що визначає квадрат нескінченно малого повороту чотиривимірної системи відліку.

Додавання обертальних координат, за допомогою яких описується поле кручення, призвело до поширення принципу відносності на фізичні поля: всі фізичні поля, що входять до рівнянь вакууму, мають відносний характер.

Рівняння вакууму після відповідних спрощень призводять до рівнянь та принципів квантової теорії. Отримана таким чином квантова теорія виявляється детерміновано ної,хоча імовірнісне трактування поведінки квантових об'єктів залишається неминучим. Частинки є граничним випадком чисто польової освіти при прагненні маси (або заряду) цієї освіти до постійної величини. У даному граничному випадку відбувається виникнення корпусно-хвильово-хвильового дуалізму. Оскільки не враховується відносний характер фізичних полів, пов'язаний із обертанням, токвантова теорія не є повною і тим самим підтверджуються припущення А. Ейнштейна про те, що «досконаліша квантова теорія може бути знайдена на шляху розширення принципу відносності»2.

Вакуумні рівняння Шилова описують викривлений і закручений простір - час, тлумачене як ваку розумні збудження, що у віртуальному стані.

В основному стані абсолютний вакуум має нульові середні значення моменту імпульсу та інших фізичних характеристик і в незбуреному стані спостерігаємо. Різні стани вакууму виникають за його флуктуацій.

Якщо джерелом обурення є заряд q , то його стан проявляється як електромагнітне поле.

Якщо джерелом обурення є маса т,той стан вакууму характеризується як гравітаційне поле, що вперше було висловлено А.Д. Сахаровим.

Якщо джерелом обурення є спин, то стан вакууму інтерпретується як спинове поле, або торсіонне поле (поле кручення).

Виходячи з того що фізичний вакуум - це динамічна система, що має інтенсивні флуктуації, фізики вважають, що вакуум є джерелом матерії та енергії як вже реалізованих у Всесвіті, так і перебувають у прихованому стані. За словами академіка Г.І. Наана,"вакуум є все, і все є вакуум".

4.3. Мегасвіт: сучасні астрофізичні та космологічні концепції

Мегамир, або космос, сучасна наука розглядає як взаємодіючу систему всіх небесних тіл, що розвивається. Мегасвіт має системну організацію у формі планет та планетних систем, що виникають навколо зірок та зіркових систем – галактик.

Усі існуючі галактики входять у систему найвищого порядку – Метагалактику. Розміри Метагалактики дуже великі: радіус космологічного горизонту становить 15-20 млрд світових років.

Поняття «Всесвіт» і «Метагалактика» - дуже близькі поняття: вони характеризують один і той же об'єкт, але в різних аспектах. Концепція «Всесвіт»позначає весь існуючий матеріал світ; поняття «Метагалактика»- Той самий світ, але з точки зору його структури - як упорядковану систему галактик.

Будова та еволюція Всесвіту вивчаються космології.Космологія як розділ природознавства знаходиться на своєрідному стику науки, релігії та філософії. У основі космологічних моделей Всесвіту лежать певні світоглядні передумови, а ці моделі мають велике світоглядне значення.

4.3.1. Сучасні космологічні моделі Всесвіту

Як зазначалося у попередньому розділі, у класичній науці існувала так звана теорія стаціонарного стану ленної,згідно з якою Всесвіт завжди був майже такий самий, як зараз. Наука ХІХ ст. розглядала атоми як вічні найпростіші елементи матерії. Джерело енергії зірок було невідоме, тому не можна було судити про їхній час життя. Коли вони погаснуть, Всесвіт стане темним, але, як і раніше, буде стаціонарним. Холодні зірки продовжували б хаотичне і вічне блукання в просторі, а планети породжували б свій постійний біг ризикованими орбітами. Астрономія була статичною: вивчалися рухи планет і комет, описувалися зірки, створювалися їх класифікації, що було, звичайно, дуже важливо. Але питання про еволюцію Всесвіту не ставився.

Класична ньютонівська космологія явно чи неявно приймала такі постулати1:

Всесвіт – це все існуюче, «світ загалом». Космологія пізнає світ таким, яким він існує сам по собі, безвідносно до умов пізнання.

Простір і час Всесвіту є абсолютними, вони не залежать від матеріальних об'єктів і процесів.

Простір та час метрично нескінченні.

Простір і час однорідні та ізотропні.

Всесвіт стаціонарний, не зазнає еволюції. Змінюватися можуть конкретні космічні системи, але не світ загалом.

У ньютонівській космології виникали два парадокси, пов'язані з постулатом нескінченності Всесвіту.

Перший парадокс отримав назву, гравітаційного. Суть його полягає в тому, що якщо Всесвіт нескінченний і в ньому існує нескінченна кількість небесних тіл, то сила тяжіння буде нескінченно велика, і Всесвіт повинен сколапсувати, а не існувати вічно.

Другий парадокс називається фотометричним: якщо існує нескінченна кількість небесних тіл, то має бути нескінченна світність неба, що не спостерігається.

Ці парадокси, які не можна розв'язати в рамках ньютонівської космології, дозволяє сучасна космологія, в межах якої було введено уявлення про еволюціонуючий Всесвіт.

Сучасна релятивістська космологія будує моделі Вселенної, відштовхуючись від основного рівняння тяжіння, введеного А. Ейнштейном у загальній теорії відносності (ОТО).

Основне рівняння ОТО пов'язує геометрію простору (точніше, метричний тензор) із щільністю та розподілом матерії у просторі.

Вперше в науці Всесвіт постав як фізичний об'єкт. Теоретично фігурують її параметри: маса, щільність, розмір, температура.

Рівняння тяжіння Ейнштейна має не одне, а безліч рішень, чим і обумовлено наявність багатьох космологічних моделей Всесвіту. Перша модель була розроблена А. Ейнштейном в 1917 р. Він відкинув постулати ньютонівської космології про абсолютність і нескінченність простору. Відповідно до космологічної моделі Всесвіту А. Ейнштейна світовий простір однорідний і ізотроцний, матерія в середньому розподілі на ній рівномірно, гравітаційне тяжіння мас компенсується універсальним космологічним відштовхуванням. Модель А. Ейнштейна має стаціонарний характер, оскільки метрика простору розглядається як незалежна від часу. Час існування Всесвіту нескінченно, тобто. немає ні початку, ні кінця, а простір безмежно, але звісно.

Всесвіт у космологічній моделі А. Ейнштейна стаційний, нескінченний у часі і безмежний у просторі.

Ця модель здавалася на той час цілком задовільною, оскільки вона узгоджувалась з усіма відомими фактами. Але нові ідеї, висунуті А. Ейнштейном, стимулювали подальше дослідження і незабаром підхід до проблеми рішуче змінився.

У тому ж 1917 р. голландський астроном В. де Сіттерзапропонував іншу модель, що є також розв'язанням рівнянь тяжіння. Це рішення мало ту властивість, що воно існувало б навіть у разі «порожнього» Всесвіту, вільного від матері. Якщо ж у такому Всесвіті з'являлися маси, то рішення переставало бути стаціонарним: виникало деякого роду космічне відштовхування між масами, яке прагнуло видалити їх один від одного. Тенденція до розширення, поВ. де Сіттер, ставала помітною лише на дуже великих відстанях.

У 1922 р. російський математик та геофізик А.А. Фрідманвідкинув постулат класичної космології про стаціонарність Вселенної і отримав рішення рівнянь Ейнштейна, що описує Всесвіт з «простором, що розширюється».

Розв'язання рівнянь А.А. Фрідмана припускає три можливості. Якщо середня щільність речовини та випромінювання у Всесвіті дорівнює деякій критичній величині, світовий простір виявляється евклідовим і Всесвіт необмежено розширюється від первісного точкового стану. Якщо щільність менша критичної, простір має геометрію Лобачевського і також необмежено розширюється. І нарешті, якщо щільність більша критичної, простір Всесвіту виявляється римановим, розширення на деякому етапі змінюється стисненням, яке триває аж до початкового точкового стану.

Оскільки середня щільність речовини у Всесвіті невідома, то сьогодні ми не знаємо, в якому з цих просторів Вселенного ми живемо.

У 1927 р. бельгійський абат та вчений Ж. Лвметрпов'язав «розширення» простору з даними астрономічних спостережень. Леметр ввів поняття «початок Всесвіту» як сингулярності (тобто надщільного стану) і народження Всесвіту як Великого вибуху.

У 1929 р. американський астроном Е.П. Хабблвиявив існування дивної залежності між відстанню і швидкістю галактик: всі галактики рухаються від нас, причому зі швидкістю, яка зростає пропорційно відстані, - система га лактик розширюється.

Розширення Всесвіту довгий час вважалося науково встановленим фактом, проте однозначно вирішити питання на користь тієї чи іншої моделі в даний час не є можливим.

4.3.2. Проблема походження та еволюції Всесвіту

Як би не вирішувалося питання про різноманіття космологічних моделей, очевидно, що наш Всесвіт еволюціонує. Згідно з теоретичними розрахунками Ж. Леметра, радіус Всесвіту в первісному стані дорівнював 10-12 см, що близько за розмірами до радіусу електрона, а його щільність становила 1096 г/см3. У сингулярному стані Всесвіт був мікро об'єкт мізерно малих розмірів.

Від початкового сингулярного стану Всесвіт перейшов до розширення внаслідок Великого вибуху. Починаючи з кінця 40-х років. минулого століття все більшу увагу в космології привертає фізика процесів на різних етапах космологічного розширення. Учень А.А. Фрідмана Г.А. Гамоврозробив модель гарячоюВсесвіту, розглянувши ядерні реакції, що протікали на самому початку розширення Всесвіту, і назвав її «кіс мологією Великого вибуху».

Ретроспективні розрахунки визначають вік Всесвіту 13-15 млрд років. Г.А. Гамов припустив, що температура речі 130

ства була велика і падала з розширенням Всесвіту. Його розрахунки показали, що Всесвіт у своїй еволюції проходить певні етапи, в ході яких відбувається утворення хімічних елементів та структур. У сучасній космології для наочності початкову стадію еволюції Всесвіту ділять на эпохи1.

Епоха адронів(важких частинок, що вступають у сильні взаємодії). Тривалість ери 0,0001 с, температура 1012 градусів Кельвіна, щільність 1014см3. Наприкінці ери відбувається анігіляція частинок і античасток, але залишається не кількість протонів, гіперонів, мезонів.

Ера лептонів(легких частинок, що вступають в електромагнітну взаємодію). Тривалість ери 10 с, температура 10 10 градусів Кельвіна, щільність 104/см3. Основну роль відіграють легкі частки, що беруть участь у реакціях між протонами і нейтронами.

Фотонна ера.Тривалість 1 млн. років. Основна частка маси – енергії Всесвіту – припадає на фотони. До кінця ери температура падає з 1010 до 3000 градусів за Кельвіном, щільність - від 104 г/см3 до 10 - 21 г/см3. Головну роль грає випромінювання, яке наприкінці ери відокремлюється від речовини.

Зіркова еранастає через 1 млн років після зародження Вселенної. У зіркову еру починається процес утворення протоз скрізь та протогалактик.

Потім розгортається грандіозна картина утворення структури Метагалактики.

У сучасній космології поряд із гіпотезою Великого вибуху обґрунтовується і так звана інфляційна модельВсесвіту, в якому розглядається ідея творення Всесвіту. Ця ідея має дуже складне обґрунтування і пов'язана з квантовою космологією. У цій моделі описується еволюція Всесвіту починаючи з 10-45 з початку розширення.

Відповідно до інфляційної гіпотези космічна еволюція в ранньому Всесвіті проходить ряд етапів.

початок Всесвіт визначається фізиками-теоретиками як стан квантової супергравітації з радіусом Всесвіту 10 -50 см (для порівняння: розмір атома визначається як 10-8 см, а розмір атомного ядра 10-13 см). Основні події в ранньому Всесвіті розігрувалися за мізерно проміжок часу від 10-45 с до 10-30 с.

Стадія інфляціїУ результаті квантового стрибка Всесвіт перейшов у стан збудженого вакууму і за відсутності в ньому речовини і випромінювання інтенсивно розширювався за експоненційним законом. У цей час створювалося саме простір і час Всесвіту. За період інфляційної стадії тривалістю 10 -34 с Всесвіт роздувся від неймовірно малих квантових розмірів 10 - 33 см до неймовірно великих 101 000 000 див, що багато порядків перевищує розмір спостережуваної Всесвіту - 1028 див. Весь цей первісний період у Всесвіті був ні речі, ні випромінювання.

Перехід від інфляційної стадії до фотонної.Стан хибного вакууму розпався, енергія, що вивільнилася, пішла на народження важких частинок і античастинок, які, проанігувавши, дали потужний спалах випромінювання (світла), що освітило космос.

Етап відокремлення речовини від випромінювання:речовина, що залишилася після ані гіляції, стала прозорою для випромінювання, контакт між речовиною і випромінюванням зник. Виділення, що відокремилося від речовини, і становить сучасний реліктовий фон, теоретично передбачений Г.А. Гамовим та експериментально виявлений у 1965 р.

Надалі розвиток Всесвіту йшов у напрямку від мак симально простого однорідного станудо створення все більше складних структур- атомів (спочатку атомів водню), галактик, зірок, планет, синтезу важких елементів у надрах зірок, у тому числі і необхідних для створення життя, виникнення життя і як вінця творіння – людини.

Відмінність між етапами еволюції Всесвіту в інфляційній моделі та моделі Великого вибуху стосується тільки початкового етапу порядку 10-30 с, далі між цими моделями принципових розбіжностей у розумінні етапів космічної еволюції немає. Відмінності пояснення механізмів космічної еволюції пов'язані з розбіжністю світоглядних установок. Вже з самого початку появи ідеї Всесвіту, що розширюється і еволюціонує, навколо нього почалася боротьба.

Першою стала проблема початку і кінця часу існування Всесвіту, визнання якого суперечило матеріалістичним твердженням про вічність часу і нескінченності простору, неутворюваності і незнищеності матерії.

Які ж природничо-наукові обгрунтування початку та кінця часу існування Всесвіту?

Таким обґрунтуванням є доведена у 1965 р. американськими фізиками-теоретиками. Пенроузта С. Хокінгомтеорема, згідно з якою у будь-якій моделі Всесвіту з розширенням обов'язково має бути сингулярність – обрив ліній часу у минулому, що можна розуміти як початок часу. Це ж вірно і для ситуації, коли розширення зміниться на стиск - тоді виникне урвище ліній часу в майбутньому - кінець часу. Причому точка початку стиснення інтерпретується фізиком Ф. Тіпле ромяк кінець часу – Великий Стік, куди стікаються не лише галактики, а й самі «події» всього минулого Всесвіту.

Друга проблема пов'язана з творінням світу з нічого. Матеріалісти відкидали можливість творіння, оскільки вакуум - це не нічого, а вид матерії. Так, це так, вакуум є особливим видом матерії. Але річ у цьому, що з А.А. Фрідмана математично момент початку розширення простору виводиться не з надмалим, а з нульовимобсягом. У своїй популярній книзі «Світ як простір і час», виданій у 1923 р., він говорить про можливість «створення світу з нічого».

Теоретично фізичного вакууму Г.І. Шилова вищим рівнем реальності виступає геометричний простір - Абсолютне Ніщо. Це положення його теорії перегукується з твердженнями англійського математика В. Кліффорда про те, що у світі немає нічого, крім простору з його крученням і кривизною, а матерія є згустками простору, своєрідними пагорбами кривизни на тлі плоского простору. Ідеї ​​В. Кліффорда використав і А. Ейнштейн, який у загальній теорії відносності вперше показав загальний глибокий взаємозв'язок абстрактного геометричного поняття кривизни простору із фізичними проблемами гравітації.

З абсолютного Ніщо, порожнього геометричного простору в результаті його кручення утворюються просторово-часові виховання правого і лівого обертань, що переносять інформацію. Ці вихори можна трактувати як інформаційне поле, що пронизує простір. Рівняння, що описують інформаційне поле, нелінійні, тому інформаційні поля можуть мати складну внутрішню структуру, що дозволяє їм бути носіями значних обсягів інформації.

Первинні поля кручення (інформаційні поля) породжують фізичний вакуум, який є носієм усіх інших фізичних полів - електромагнітних, гравітаційних, торсійних. В умовах інформаційно-енергетичного збудження вакуум породжує речові мікрочастинки.

Спробу вирішити одну з основних проблем світобудови - виникнення всього з нічого - зробили в 80-х роках. XX ст. американський фізик А. Гутта радянський фізик А. Лінде.Енергію Всесвіту, що зберігається, розділили на гравітаційну та негравітаційну частини, що мають різні знаки. І тоді повна енергія Всесвіту дорівнюватиме нулю. Фізики вважають, що якщо передбачуване незбереження баріонного числа підтвердиться, то тоді жоден із законів збереження не перешкоджатиме народженню Всесвіту з нічого.Поки що цю модель можна розраховувати лише теоретично, а питання залишається відкритим.

Найбільша складність для вчених виникає при поясненні причинКосмічна еволюція. Якщо відкинути част ки, то можна виділити дві основні концепції, що пояснюють еволюцію Всесвіту: концепцію самоорганізації та концепцію креаціонізму.

Для концепції самоорганізаціїматеріальний Всесвіт є єдиною реальністю, і жодної іншої реальності крім неї не існує. Еволюція Всесвіту описується в термінах самоорганізації: йде мимовільне впорядкування систем у напрямку становлення все більш складних структур. Динамічний хаос породжує порядок. Питання про цілікосмічної еволюції у межах концепції самоорганізації ставитися неспроможна.

У рамках концепції креаціонізму,тобто. твори, еволюція Всесвіту пов'язується з реалізацією програми,визначається реальністю вищого порядку, ніж матеріальний світ. Прихильники креаціонізму звертають увагу на існування у Всесвіті спрямованого номогенезу (від грец. nomos - закон та genesis - походження) - розвитку від найпростіших систем до дедалі складнішим і інформаційно ємним, під час якого створювалися умови виникнення життя і. Як додатковий аргумент залучається антропний прин цип,сформульований англійськими астрофізиками Б. Карромі Ріссом.

Суть антропното принципу полягає в тому, що існування того Всесвіту, в якому ми живемо, залежить від чисельних значень фундаментальних фізичних констант - постійної планки, постійної гравітації, констант взаємодії і т.д.

Чисельні значення цих постійних визначають основні особливості Всесвіту, розміри атомів, атомних ядер, планет, зірок, щільність речовини та життя Всесвіту. Якби ці значення відрізнялися від існуючих хоча б на мізерно малу величину, то не тільки життя було б неможливим, а й сам Всесвіт як складна впорядкована структура була б неможлива. Звідси робиться висновок, що фізична структура Всесвіту запрограмована і спрямована до появи життя. Кінцева мета космічної еволюції - поява людини у Всесвіті відповідно до задумів Творця1.

Серед сучасних фізиків-теоретиків є прихильники як концепції самоорганізації, так і концепції креаційнізму. Останні визнають, що розвиток фундаментальної теоретичної фізики робить нагальною необхідністю розробку єдиної науково-теїстичної картини світу, що синтезує всі досягнення в галузі знання та віри. Перші ж дотримуються суворо наукових поглядів.

4.3.3. Структура Всесвіту

Всесвіту на різних рівнях, від умовно елементарних частинок і до гігантських надскопивань галактик, властива структурність. Сучасна структура Всесвіту є результатом космічної еволюції, в ході якої з протогалактик утворилися галактики, з протозірок - зірки, з протопланетної хмари - планети.

Метагалактикаявляє собою сукупність зоряних систем - галактик, а її структура визначається їх розподілом у просторі, заповненому надзвичайно розрідженим міжгалактичним газом і пронизуваному міжгалактичними променями.

Відповідно до сучасних уявлень, для Метагалактики характерна пориста (сітчаста, пориста) структура. Ці уявлення ґрунтуються на даних астрономічних спостережень, які показали, що галактики розподілені не рівномірно, а зосереджені поблизу кордонів осередків, усередині яких галактик майже немає. Крім того, знайдено величезні обсяги простору (по рядку мільйона кубічних мегапарсек), у яких галактик поки що не виявлено. Просторовою моделлю такої структури може служити шматок пемзи, яка неоднорідна у невеликих виділених обсягах, але однорідна у великих обсягах.

Якщо брати не окремі ділянки Метагалактики, а її великомасштабну структуру в цілому, то очевидно, що в цій структурі не існує якихось особливих, чимось болючих місць або на правління і речовина розподілена порівняно рівномірно.

Вік Метагалактики близький до віку Всесвіту, оскільки утворення її структури припадає на період, що йде за роз'єднанням речовини та випромінювання. За сучасними даними, вік Метагалактики оцінюється у 15 млрд років. Вчені вважають, що, мабуть, близький до цього і вік галактик, які сформувалися на одній з початкових стадій розширення Метагалактики.

Галактика- гігантська система, що складається з скупчень зірок і туманностей, які у просторі досить складну конфігурацію.

За формою галактики умовно поділяються на три типи: еліптичні, спіральні та неправильні.

Еліптичнігалактики мають просторову форму еліпсоїда з різним ступенем стиснення. Вони є найпростішими за структурою: розподіл зірок рівномірно зменшується від центру.

Спіральнігалактики представлені у формі спіралі, включаючи спіральні гілки. Це найчисленніший вид галак тик, до якого відноситься і наша Галактика - Чумацький Шлях.

Неправильнігалактики не мають вираженої форми, у яких відсутня центральне ядро.

Деякі галактики характеризуються виключно потужним радіовипромінюванням, що перевершує видиме випромінювання. Це – радіогалактики.

Мал. 4.2. Спіральна галактика NGG 224 (Туманність Андромеди)

У будові «правильних» галактик дуже спрощено можна виділити центральне ядро ​​і сферичну периферію, представлену або у формі величезних спіральних гілок, або у формі еліптичного диска, що включають найбільш гарячі та яскраві зірки та масивні газові хмари.

Ядра галактик виявляють свою активність у різних формах: у безперервному закінченні потоків речовини; у викидах згустків газу та хмар газу з масою в мільйони сонячних мас; у нетепловому радіовипромінюванні з навколоядерної області.

У ядрі галактики зосереджено найстаріші зірки, вік яких наближається до віку галактики. Зірки середнього та молодого віку розташовані в диску галактики.

Зірки та туманності в межах галактики рухаються досить складним чином: разом із галактикою вони беруть участь у розширенні Всесвіту; крім того, вони беруть участь у обертанні галактики навколо осі.

Зірки.На сучасному етапі еволюції Всесвіту речовина в ній знаходиться переважно в зірковомустані. 97% речовини в нашій Галактиці зосереджено в зірках, що являють собою гігантські плазмові утворення різної величини, температури, з різною характеристикою руху. У багатьох інших галактик, якщо не у більшості, «зіркова субстанція» складає більш ніж 99,9% їхньої маси.

Вік зірок змінюється у досить великому діапазоні значень: від 15 млрд років, що відповідають віку Всесвіту, до сотень тисяч - наймолодших. Існують зірки, які утворюються нині і перебувають у протозвездной стадії, тобто. вони ще стали справжніми зірками.

Величезне значення має дослідження взаємозв'язку між зірками і міжзоряним середовищем, включаючи проблему безперервного утворення зірок з дифузної (розсіяної) матерії, що конденсується.

Народження зірок відбувається в газово-пилових туманностях під дією гравітаційних, магнітних та інших сил, завдяки яким йде формування нестійких однорідностей і дифузна матерія розпадається на ряд згущень. Якщо такі згущення зберігаються досить довго, то з часом вони перетворюються на зірки. Важливо відзначити, що відбувається процес народження не окремої ізольованої зірки, а зоряних асоціацій. Газові тіла, що утворилися, притягуються один до одного, але не обов'язково об'єднуються в одне величезне тіло. Як правило, вони починають обертатися щодо один одного, і відцентрова сила цього руху протидіє силі тяжіння, що веде до подальшої концентрації. Зірки еволюціонують від протозірок, гігантських газових куль, що слабо світяться і з низькою температурою, до зірок - щільним плазмовим тілам з температурою всередині мільйони градусів. Потім починається процес ядерних перетворень, що описується в ядерній фізиці. Основна еволюція речовини у Всесвіті відбувалася і відбувається в надрах зірок. Саме там знаходиться той «плавильний тигель», який зумовив хімічну еволюцію речовини у Всесвіті.

У надрах зірок при температурі близько 10 млн. градусів і при дуже високій щільності атоми знаходяться в іонізованому стані: електрони майже повністю або абсолютно всі відокремлені від своїх атомів. Ядра, що залишилися, вступають у взаємодію один з одним, завдяки чому водень, що є в достатку в більшості зірок, перетворюється за участю вуглецю в гелій. Ці та подібні ядерні перетворення є джерелом колосальної кількості енергії, що забирається випромінюванням зірок.

Величезна енергія, що випромінюється зірками, утворюється в результаті ядерних процесів, що відбуваються всередині них. Ті ж сили, які вивільняються при вибуху водневої бомби, утворюють усередині зірки енергію, що дозволяє їй випромінювати світло і тепло протягом мільйонів і мільярдів років за рахунок перетворення водню на більш важкі елементи, і насамперед у гелій. У результаті завершальному етапі еволюції зірки перетворюються на інертні («мертві») зірки.

Зірки немає ізольовано, а утворюють системи. Найпростіші зіркові системи - так звані кратні системи - складаються з двох, трьох, чотирьох, п'яти і більше зірок, що обертаються навколо загального центру тяжіння. Компоненти деяких кратних систем оточені загальною оболонкою дифузної матерії, джерелом якої, мабуть, є самі зірки, що викидають її у простір у вигляді потужного потоку газу.

Зірки об'єднані також у ще більші групи – зоряні скупчення, які можуть мати «розсіяну» чи «кульову» структуру. Розсіяні зоряні скупчення - налічують кілька сотень окремих зірок, кульові скупчення - багато сотень тисяч. І асоціації, чи скупчення зірок, також є незмінними і вічно існуючими. Через певну кількість часу, що обчислюється мільйонами років, вони розсіюються силами галактичного обертання.

сонячна системає групою небесних тіл, дуже різних за розмірами та фізичною будовою. У цю групу входять: Сонце, дев'ять великих планет, десятки супутників планет, тисячі малих планет (астероїдів), сотні комет, безліч метеоритних тіл, що рухаються як роями, так і у вигляді окремих частинок. До 1979 було відомо 34 супутника і 2000 астероїдів. Всі ці тіла об'єднані в одну систему завдяки силі тяжіння центрального тіла - Сонця. Сонячна система є упорядкованою системою, має свої закономірності будови. Єдиний характер Сонячної системи проявляється в тому, що всі планети обертаються навколо Сонця в тому самому напрямку і майже в одній і тій же площині. Більшість супутників планет (їх місяців) обертається в тому ж напрямку і в більшості випадків в екваторіальній площині своєї планети. Сонце, планети, супутники планет обертаються довкола своїх осей у тому напрямі, у якому вони здійснюють рух своїми траєкторіями. Закономірно і будова Сонячної системи: кожна наступна планета віддалена від Сонця приблизно вдвічі далі, ніж попередня. Беручи до уваги закономірності будови Сонячної системи, здається неможливим її випадкове утворення.

Про механізм утворення планет у Сонячній системі також немає загальновизнаних висновків. Сонячна система, за оцінками вчених, утворилася приблизно 5 млрд. років тому, причому Сонце - зірка другого (або ще пізнішого) покоління. Таким чином, Сонячна система виникла на продуктах життя недіяльності зірок попередніх поколінь, що накопичувалися в газово-пилових хмарах. Ця обставина дає підставу називати Сонячну систему малою частиною зоряного пилу. Про походження Сонячної системи та її історичну еволюцію наука знає менше, ніж необхідно для побудови теорії планетоутворення. Від перших наукових гіпотез, висунутих приблизно 250 років тому, до наших днів було запропоновано велику кількість різних моделей походження та розвитку Сонячної системи, але жодна з них не отримала переклад у ранг загальновизнаної теорії. Більшість гіпотез, що висувались раніше, сьогодні становить лише історичний інтерес.

Перші теорії походження Сонячної системи були висунуті німецьким філософом І. Кантомта французьким математиком П.С. Лапласом.Їх теорії увійшли до науки як певна колективна космогонічна гіпотеза Канта-Лапласа, хоча розроблялися вони незалежно друг від друга.

Згідно з цією гіпотезою система планет навколо Сонця утворилася в результаті дії сил тяжіння і відштовхування між частинками розсіяної матерії (туманності), що знаходиться в обертальному русі навколо Сонця.

Початком наступного етапу у розвитку поглядів на освіту Сонячної системи послужила гіпотеза англійського фізика та астрофізика Дж. X . Джинс.Він припустив, що колись Сонце зіткнулося з іншою зіркою, внаслідок чого з нього був вирваний струмінь газу, який, згущаючись, перетворився на планети. Однак з урахуванням величезної відстані між зірками таке зіткнення здається абсолютно неймовірним. Більш детальний аналіз виявив і інші недоліки цієї теорії.

Сучасні концепції походження планет Сонячної системи ґрунтуються на тому, що потрібно враховувати не тільки механічні сили, а й інші, зокрема електромагнітні. Ця ідея була висунута шведським фізиком та астрофізиком X . Альф- веномта англійським астрофізиком Ф. Хойл.Вважається імовірним, що саме електромагнітні сили відіграли вирішальну роль при зародженні Сонячної системи.

Відповідно до сучасних уявлень, первісна газова хмара, з якої утворилися і Сонце, і планети, складалася з іонізованого газу, схильного до впливу електромагнітних сил. Після того, як з величезної газової хмари за допомогою концентрації утворилося Сонце, на дуже великій відстані від нього залишилися невеликі частини цієї хмари. Гравітаційна сила стала притягувати залишки газу до зірки, що утворилася - Сонцю, але його магнітне поле зупинило падаючий газ на різних відстанях - саме там, де знаходяться планети. Гравітаційна та магнітні сили вплинули на концентрацію та згущення падаючого газу, і в результаті утворилися планети.

Коли виникли найбільші планети, той же процес повторився в менших масштабах, створивши таким чином системи супутників. Теорії походження Сонячної системи носять гіпотетичний характер, і однозначно вирішити питання їх достовірності на етапі розвитку науки неможливо. У всіх існуючих теоріях є протиріччя та неясні місця.

Запитання для самоконтролю

У чому полягає суть системного підходу до будови матерії?

Розкрийте взаємозв'язок мікро-, макро- та мегамирів.

Які уявлення про речовину і поле як види матерії

Чи вироблені в рамках класичної фізики?

4. Що означає поняття квант? Розкажіть про основні етапи розвитку уявлень про кванти.

5. Що означає поняття «корпускулярно-хвильовий дуалізм»? Яке

Чи має значення принцип додатковості Н. Бора в описі фізичної реальності мікросвіту?

6. Який вплив мала квантова механіка на сучасну ге-

нетику? Назвіть основні тези хвильової генетики.

7. Що означає поняття «фізичний вакуум»? Яка його роль у

еволюції матерії?

8. Виділіть основні структурні рівні організації матерії

мікросвіті і дайте їм характеристику.

9. Визначте основні структурні рівні організації матерії

у мегасвіті та дайте їм характеристику.

Які моделі Всесвіту розроблені в сучасній космології?

Дайте характеристику основним етапам еволюції Всесвіту з погляду сучасної науки.

бібліографічний список

Вайнберг.Перші три хвилини. Сучасний погляд на походження Всесвіту. - М: Наука, 1981.

Володимиров Ю. З.Фундаментальна фізика, філософія та релігія. - Кострома: Вид-во МІЦАОСТ, 1996.

Гернек Ф.Піонери атомної доби. - М: Прогрес, 1974.

Дорфман Я.Г.Всесвітня історія фізики з початку 19-го століття до середини 20-го століття. - М.: Наука, 1979.

Ідліс Г.М.Революція в астрономії, фізиці та космології. - М: Наука, 1985.

Каїра Ф.Дао фізики. - СПб., 1994.

Кирилін В.А.Сторінки історії науки та техніки. - М: Наука, 1986.

Кудрявцев П.С.Курс історії фізики. - М: Світ, 1974.

Льоцці М.Історія фізики. - М: Світ, 1972.

1 Q. Меріон Дж. Б.Фізика та фізичний світ. - М: Мир, 1975.

Налімов В.В.На межі третього тисячоліття. - М: Наука, 1994.

Шкловський І.С. Зірки,їх народження, життя та смерть. - М.: Наука, 1977.

Гаряєв П.П.Хвильовий геном. - М: Суспільна користь, 1994.

Шипов Г.І.Теорія фізичного вакууму. Нова парадигма. - М: НТ-Центр, 1993.

Фізика мікросвіту

Структурні рівні матерії у фізиці

(Вставити картинку)

Структурні рівні речовин у мікросвіті

Молекулярний рівень- Рівень молекулярної будови речовин. Молекула – єдина квантово – механічна система, що об'єднує атоми.

Атомний рівень- Рівень атомної будови речовин.

атом - Структурний елемент мікросвіту, що складається з ядра та електронної оболонки.

Нуклонний рівень- рівень ядра та частинок його складових.

Нуклон – загальна назва протона та нейтрону, які є стільниковими частими атомних ядер.

Кварковий рівень- рівень елементарних частинок – кварків та лептонів

Структура атома

Розміри атомів близько 10-10 м.

Розміри ядер атомів всіх елементів близько 10 -15 м, що в десятки тисяч разів менше від розмірів атомів.

Ядро атома позитивно, а електрони, що обертаються навколо ядра, несуть із собою негативний електричний заряд. Позитивний заряд ядра дорівнює сумі негативних зарядів електронів. Атом електрично нейтральний.

Планетарна модель атома Резерфорда . (Вставити малюнок)

Показано кругові орбіти чотирьох електронів.

Електрони на орбітах утримуються силами електричного тяжіння між ними та ядром атома

Електрон не може перебувати в тому самому енергетичному стані. В електронній оболонці електрони розташовуються шарами. Кожна оболонка містить певну кількість: у першому найближчому від ядра шарі – 2, у другому – 8, третьому – 18, четвертому – 32 тощо. буд. Після другого шару електронні орбіти розраховуються на підшари.

Енергетичні рівні атома та умовне зображення процесів поглинання та випромінювання фотонів (Подивитися малюнок)

При переході з низького енергетичного рівня більш високий енергетичний рівень атом поглинає енергію (квант енергії) рівний різниці енергії між переходу. Атом випускає квант енергії, якщо електрон в атомі перехід з більш високого енергетичного рівня на нижчий (переходить стрибком).

Загальна класифікація елементарних частинок

Елементарні частки- це нерозкладні частинки, внутрішня структура яких є об'єднанням інших вільних частинок, вони є атомам чи атомними ядрами, крім протона

Класифікація

Фотони

Електрони

• Баріони

Нейтрон

Основні характеристики елементарних частинок

Маса

Лептони (легкі)

Мезони (середні)

Баріони (важкі)

Час життя

стабільні

Квазістабільні (розпадаються при слабкому та електромагнітному взаємодії)

Резонанси (нестійкі короткоживучі частки, що розпадаються за рахунок сильної взаємодії)

Взаємодії у мікросвіті

Сильна взаємодіязабезпечує сильний зв'язок і нейтронів у ядрах атомів, кварків у нуклонах

Електромагнітна взаємодіязабезпечує зв'язок електронів з ядрами, атомів у молекулах.

Слабка взаємодіязабезпечує перехід між різними типами кварків, зокрема визначає розпад нейтронів, викликає взаємні переходи між різними типами лептонів.

Гравітаційна взаємодіяв мікросвіті при відстані 10 -13 см не може не враховуватися, проте при відстанях порядку 10 -33 см починають проявлятися особливі властивості фізичного вакууму - віртуальні надважкі частки оточують себе гравітаційним полем, що спотворює геометрію простору

Характеристика взаємодії елементарних частинок

Тип взаємодії	Відносна інтенсивність	Радіус дії див	Частинки між якими відбувається взаємодія	Частинки – переносники взаємодії
				назва	Маса ГеВ
Сильне			Адрони (нейтрони, протони, мезони)	Глюони
Електромагнітне			Усі електрично заряджені тіла та частки	Фотон
Слабке			Усі елементарні частинки, крім фотонів	Векторні обозони W + , W - , Z 0
Гравітаційне			Усі частки	Гравітони (гіпотетично частка)

Структурні рівні організації матерії (поле)

Поле

Гравітаційне (кванти – гравітони)

Електромагнітне (кванти – фотони)

Ядерне (кванти – мезони)

Електронно – позитивне (квант – електрони, позитрони)

Структурні рівні організації матерії (речовина та поле)

Речовина та поле різняться

За масою спокою

За закономірностями руху

За ступенями проникності

За рівнем концентрації маси та енергії

Як корпускулярна та хвильова сутності

Загальний висновок : Відмінність речовин і поля чітко характеризує реальний світ макроскопічному наближенні. Ця відмінність не є абсолютною, і при переході до мікрооб'єктів яскраво виявляється його відносність. У мікросвіті поняття «частки» (речовина) та «хвилі» (поля) виступають як додаткові характеристики, що виражають внутрішні суперечливість сутності мікрооб'єктів.

Кварки – складові елементарних частинок

У всіх кварків дрібний електричний заряд. Кварки характеризуються дивністю, чарівністю та красою.

Баріонний заряд у всіх кварків дорівнює 1/3, у відповідних антикварків -1/3. У кожного кварка три стани, ці стани називаються колірними: R – червоний, G – зелений та B – блакитний

Надіслати свою гарну роботу до бази знань просто. Використовуйте форму нижче

Студенти, аспіранти, молоді вчені, які використовують базу знань у своєму навчанні та роботі, будуть вам дуже вдячні.

Розміщено на http://www.allbest.ru/

Контрольна робота

Мікросвіт: концепції сучасної фізики

Вступ

Мікросвіт - це світ гранично малих, безпосередньо не спостерігаються мікрооб'єктів. (Просторова розмірність, яких обчислюється від 10-8 до 10-16 см, а час життя – від нескінченності до 10-24 с.)

Квантова механіка (хвильова механіка) - це теорія, що встановлює спосіб опису та закони руху на мікрорівні.

Вивчення явищ мікросвіту призвело до результатів, які різко розходилися із загальноприйнятими у класичній фізиці та навіть теорії відносності. Класична фізика бачила свою мету в описі об'єктів, що існують у просторі, та у формулюванні законів, що керують їх змінами у часі. Але для таких явищ, як радіоактивний розпад, дифракція, випромінювання спектральних ліній, можна стверджувати лише, що є певна ймовірність того, що індивідуальний об'єкт такий і він має таку властивість. У квантовій механіці немає місця для законів, які керують змінами окремого об'єкта у часі.

Для класичної механіки характерно опис частинок шляхом завдання їх становища і швидкостей та залежність цих величин від часу. У квантовій механіці однакові частинки в однакових умовах можуть поводитися по-різному.

1. Мікросвіт: концепції сучасної фізики опису мікросвіту

При переході до дослідження мікросвіту виявилося, що фізична реальність єдина і немає прірви між речовиною та полем.

Вивчаючи мікрочастинки, вчені зіштовхнулися з парадоксальної з погляду класичної науки ситуацією: одні й самі об'єкти виявляли як хвильові, і корпускулярні властивості.

Перший крок у цьому напрямі було зроблено німецьким фізиком М. Планком. Як відомо, наприкінці ХІХ ст. у фізиці виникли труднощі, які отримали назву «ультрафіолетової катастрофи». Відповідно до розрахунків за формулою класичної електродинаміки інтенсивність теплового випромінювання абсолютно чорного тіла мала необмежено зростати, що явно суперечило досвіду. В процесі роботи з дослідження теплового випромінювання, яку М. Планк назвав найважчою у своєму житті, він дійшов приголомшливого висновку про те, що в процесах випромінювання енергія може бути віддана або поглинена не безперервно і не в будь-яких кількостях, а лише у відомих неподільних порціях - квантах. Енергія квантів визначається через кількість коливань відповідного виду випромінювання та універсальну природну константу, яку М. Планк увів у науку під символом h: Е = h у.

Якщо введення кванта ще не створило справжньої квантової теорії, як неодноразово підкреслював М. Планк, то все ж таки 14 грудня 1900 р., у день опублікування формули, було закладено її фундамент. Тож в історії фізики цей день вважається днем ​​народження квантової фізики. А оскільки поняття елементарного кванта дії служило надалі основою для розуміння всіх властивостей атомної оболонки та атомного ядра, то 14 грудня 1900 слід розглядати і як день народження всієї атомної фізики і початок нової ери природознавства.

Першим фізиком, який захоплено прийняв відкриття елементарного кванта дії та творчо розвинув його, був А. Ейнштейн. У 1905 р. він переніс геніальну ідею квантованого поглинання та віддачі енергії при тепловому випромінюванні на випромінювання загалом і таким чином обґрунтував нове вчення про світло.

Уявлення про світло як про потік квантів, що швидко рухаються, було надзвичайно сміливим, майже зухвалим, у правильність якого спочатку повірили деякі. Насамперед, із розширенням квантової гіпотези до квантової теорії світла не згоден сам М. Планк, який відносив свою квантову формулу лише до аналізованих їм законів теплового випромінювання чорного тіла.

А. Ейнштейн припустив, що йдеться про природну закономірність загального характеру. Не озираючись на панівні в оптиці погляди, він застосував гіпотезу Планка до світла і дійшов висновку, що слід визнати корпускулярну структуру світла.

Квантова теорія світла, або фотонна теорія А Ейнштейна, стверджувала, що світло є хвильове явище, що постійно поширюється у світовому просторі. І водночас світлова енергія, щоб бути фізично дієвою, концентрується лише певних місцях, тому світло має перервну структуру. Світло може розглядатися як потік неподільних енергетичних зерен, світлових квантів або фотонів. Їх енергія визначається елементарним квантом дії Планка та відповідним числом коливань. Світло різного забарвлення складається із світлових квантів різної енергії.

Ейнштейнівське уявлення про світлові кванти допомогло зрозуміти і наочно уявити явище фотоелектричного ефекту, суть якого полягає у вибиванні електронів з речовини під дією електромагнітних хвиль. Експерименти показали, що наявність або відсутність фотоефекту визначається не інтенсивністю падаючої хвилі, а її частотою. Якщо припустити, кожен електрон виривається одним фотоном, стає ясно наступне: ефект виникає у тому разі, якщо енергія фотона, отже, та її частота, досить велика подолання сил зв'язку електрона з речовиною.

Правильність такого тлумачення фотоелектричного ефекту (за цю роботу Ейнштейн у 1922 р. отримав Нобелівську премію з фізики) через 10 років підтвердила в експериментах американського фізика Р.Е. Міллікена. Відкрите 1923 р. американським фізиком А.Х. Комптоном явище (ефект Комптону), яке відзначається при вплив дуже жорсткими рентгенівськими променями на атоми з вільними електронами, знову і вже остаточно підтвердило квантову теорію світла. Ця теорія відноситься до найбільш підтверджених експериментально-фізичних теорій. Але хвильова природа світла була вже твердо встановлена ​​дослідами з інтерференції та дифракції.

Виникла парадоксальна ситуація: виявилося, що світло поводиться не лише як хвиля, а й як потік корпускул. У дослідах з дифракції та інтерференції проявляються його хвильові властивості, а при фотоефекті – корпускулярні. При цьому фотон виявився корпускулою особливого роду. Основна характеристика його дискретності - властива йому порція енергії - обчислювалася через суто хвильову характеристику - частоту (Е = Ну).

Як і всі великі природничо-наукові відкриття, нове вчення про світло мало фундаментальне теоретико-пізнавальне значення. Старе положення про безперервність природних процесів, яке було ґрунтовно похитнуте М. Планком, Ейнштейн виключив із значно більшої області фізичних явищ.

Розвиваючи уявлення М. Планка та А. Ейнштейна, французький фізик Луї де Брошка в 1924 р. висунув ідею про хвильові властивості матерії. У своїй роботі «Світло та матерія» він писав про необхідність використовувати хвильові та корпускулярні уявлення не лише відповідно до вчення А. Ейнштейна в теорії світла, але також і в теорії матерії.

Л. де Бройль стверджував, що хвильові властивості, поряд із корпускулярними, притаманні всім видам матерії: електронам, протонам, атомам, молекулам і навіть макроскопічним тілам.

Згідно з де Бройлем, будь-якому тілу з масою т, що рухається зі швидкістю V, відповідає хвиля:

Фактично аналогічна формула була відома раніше, але тільки стосовно квантів світла - фотонів.

мікросвіт квантовий механічний генетика фізика

2. Погляди М. Планка, Луї Де Бройля, Е. Шредінгера, В. Гейзенберга, Н. Бора та ін на природу мікросвіту

У 1926 р. австрійський фізик Еге. Шредінгер знайшов математичне рівняння, визначальне поведінка хвиль матерії, так зване рівняння Шредінгера. Англійський фізик П. Дірак узагальнив його.

Смілива думка Л. де Бройля про загальний «дуалізм» частки і хвилі дозволила побудувати теорію, за допомогою якої можна було охопити властивості матерії та світла у їхній єдності. Кванти світла ставали у своїй особливим моментом загального будови мікросвіту.

Хвилі матерії, які спочатку представлялися як наочно-реальні хвильові процеси на кшталт хвиль акустики, прийняли абстрактно-математичний вигляд і отримали завдяки німецькому фізику М. Борну символічне значення як «хвилі ймовірності».

Проте гіпотеза де Бройля потребувала досвідченого підтвердження. Найбільш переконливим свідченням існування хвильових властивостей матерії стало виявлення у 1927 р. дифракції електронів американськими фізиками К. Девіссоном та Л. Джермером. Надалі були виконані досліди щодо виявлення дифракції нейтронів, атомів і навіть молекул. У всіх випадках результати підтверджували гіпотезу де Бройля. Ще важливішим було відкриття нових елементарних частинок, передбачених з урахуванням системи формул розвиненої хвильової механіки.

Визнання корпускулярно-хвильового дуалізму у сучасній фізиці стало загальним. Будь-який матеріальний об'єкт характеризується наявністю як корпускулярних, і хвильових властивостей.

Той факт, що той самий об'єкт проявляється і як частка і як хвиля, руйнував традиційні уявлення.

Форма частинки має на увазі сутність, укладену в малому обсязі або в кінцевій області простору, тоді як хвиля поширюється його величезними областями. У квантової фізики ці два описи реальності є взаємовиключними, але однаково необхідними для того, щоб повністю описати аналізовані явища.

Остаточне формування квантової механіки як послідовної теорії відбулося завдяки роботам німецького фізика В. Гейзенберга, який встановив принцип невизначеності? та датського фізика Н. Бора, який сформулював принцип додатковості, на підставі яких описується поведінка мікрооб'єктів.

Суть співвідношення невизначеностей У. Гейзенберга у наступному. Припустимо, ставиться завдання визначити стан частинки, що рухається. Якби можна було скористатися законами класичної механіки, то ситуація була б простою: слід лише визначити координати частки та її імпульс (кількість руху). Але закони класичної механіки для мікрочастинок застосовуватися не можуть: неможливо не тільки практично, а й взагалі з однаковою точністю встановити місце та величину руху мікрочастинки. Тільки одне з цих двох властивостей можна визначити точно. У книзі «Фізика атомного ядра» У. Гейзенберг розкриває зміст співвідношення невизначеностей. Він пише, що ніколи не можна одночасно точно знати обидва параметри - координату і швидкість. Ніколи не можна одночасно знати, де знаходиться частка, наскільки швидко і в якому напрямку вона рухається. Якщо ставиться експеримент, який точно показує, де частка в даний момент, то рух порушується настільки, що частинку після цього неможливо знайти. І навпаки, при точному вимірі швидкості не можна визначити місце розташування частки.

З погляду класичної механіки, співвідношення невизначеностей є абсурдом. Щоб краще оцінити становище, потрібно мати на увазі, що ми, люди, живемо в макросвіті і в принципі не можемо побудувати наочну модель, яка була б адекватна мікросвіту. Співвідношення невизначеностей є виразом неможливості спостерігати мікросвіт, не порушуючи його. Будь-яка спроба дати чітку картину мікрофізичних процесів повинна спиратися на корпускулярне, або на хвильове тлумачення. При корпускулярному описі вимір проводиться для того, щоб отримати точне значення енергії та величини руху мікрочастинки, наприклад, при розсіюванні електронів. При експериментах, спрямованих на точне визначення місця, навпаки, використовується хвильове пояснення, зокрема при проходженні електронів через тонкі платівки або при спостереженні відхилення променів.

Існування елементарного кванта дії служить перешкодою встановлення одночасно і з однаковою точністю величин «канонічно пов'язаних», тобто. положення та величини руху частки.

Фундаментальним принципом квантової механіки поряд із співвідношенням невизначеностей є принцип додатковості, якому Н. Бор дав таке формулювання: «Поняття частки і хвилі доповнюють одна одну і водночас суперечать одна одній, вони є картинами, що доповнюють»1.

Суперечності корпускулярно-хвильових властивостей мікрооб'єктів є результатом неконтрольованої взаємодії мікрооб'єктів та макроприладів. Є два класи приладів: в одних квантові об'єкти поводяться як хвилі, в інших - подібно до частинок. В експериментах ми спостерігаємо не реальність як таку, а лише квантове явище, що включає результат взаємодії приладу з мікрооб'єктом. М. Борн образно зауважив, що хвилі та частки – це «проекції» фізичної реальності на експериментальну ситуацію.

Вчений, що досліджує мікросвіт, перетворюється, в такий спосіб, із спостерігача на дійову особу, оскільки фізична реальність залежить від приладу, тобто. зрештою від свавілля спостерігача. Тому М. Бор і вважав, що фізик пізнає не саму реальність, а лише власний контакт із нею.

Істотною рисою квантової механіки є імовірнісний характер передбачень поведінки мікрооб'єктів, що описується за допомогою хвильової функції Е. Шредінгера. Хвильова функція визначає параметри майбутнього стану мікрооб'єкта з тим чи іншим ступенем ймовірності. Це означає, що при проведенні однакових дослідів з однаковими об'єктами щоразу виходитимуть різні результати. Однак деякі значення будуть вірогіднішими за інші, тобто. буде відомий лише імовірнісний розподіл значень.

З урахуванням факторів невизначеності, додатковості та ймовірності Н. Бор дав так звану «копенгагенську» інтерпретацію суті квантової теорії: «Раніше було прийнято вважати, що фізика описує Всесвіт. Тепер ми знаємо, що фізика описує лише те, що ми можемо сказати про Всесвіт»1.

Позицію М. Бора розділяли У. Гейзенберг, М. Борн, У. Паулі та інших менш відомих фізиків. Прибічники копенгагенської інтерпретації квантової механіки не визнавали причинність чи детермінізм у мікросвіті і вважали, що основу фізичної реальності лежить фундаментальна невизначеність - індетермінізм.

Представникам копенгагенської школи різко заперечували Г.А. Лоренц, М. Планк, М. Лауе, А. Ейнштейн, П. Ланжевен та інших. А. Ейнштейн писав із цього приводу М. Борну: «У наукових поглядах ми розвинулися в антиподи. Ти віриш у Бога, що грає в кістки, а я - в повну закономірність об'єктивно сущого... У чому я твердо переконаний, так це в тому, що зрештою зупиняться на теорії, в якій закономірно пов'язаними будуть не ймовірності, але факти» 2. Він виступав проти принципу невизначеності, за детермінізм, проти тієї ролі, що у квантової механіці відводять акту спостереження. Подальший розвиток фізики показав правоту Ейнштейна, який вважав, що квантова теорія в існуючому вигляді просто незакінчена: те, що фізики поки що не можуть позбутися невизначеності, свідчить не про обмеженість наукового методу, як стверджував Н. Бор, а лише про незавершеність квантової механіки . Ейнштейн наводив все нові й нові аргументи на підтвердження своєї точки зору.

Найбільш відомий так званий парадокс Ейнштейна – Подільського – Розена, або ЕПР-парадокс, за допомогою якого вони хотіли довести незавершеність квантової механіки. Парадокс є уявним експериментом: що станеться, якщо частинка, що складається з двох протонів, розпадеться так, що протони розлетяться в протилежні сторони? Через спільність походження їх властивості пов'язані або, як кажуть фізики, корелюють один з одним. За законом збереження імпульсу, якщо один протон полетить нагору, то другий - обов'язково вниз. Вимірявши імпульс одного протона, ми обов'язково дізнаємось і імпульс іншого, навіть якщо він полетів на інший кінець Всесвіту. Між частинками існує нелокальна зв'язок, яку Ейнштейн назвав «дією привидів з відривом», у якому кожна частка у кожний момент часу знає, де є інша і що з нею відбувається.

ЕПР-парадокс несумісний з невизначеністю, що постулюється в квантовій механіці. Ейнштейн вважав, що є якісь приховані параметри, які не враховані. Питання: чи існує детермінізм та причинність у галузі мікросвіту; чи повна квантова механіка; чи існують приховані параметри, які вона не враховує, були предметом дискусій фізиків понад півстоліття і знайшли свій дозвіл теоретично лише наприкінці XX ст.

У 1964 р. Дж.С. Бела обґрунтував положення, згідно з яким квантова механіка передбачає більш сильну кореляцію між взаємно пов'язаними частинками, ніж та, про яку говорив Ейнштейн.

Теорема Белла стверджує: якщо деякий об'єктивний Всесвіт існує і якщо рівняння квантової механіки структурно подібні до цього Всесвіту, то між двома частинками, що коли-небудь входили в контакт, існує певний вид нелокального зв'язку1. Суть теореми Белла у тому, що немає ізольованих систем: кожна частка Всесвіту перебуває у «миттєвої» зв'язку з іншими частинками. Вся система, навіть якщо її частини розділені величезними відстанями, і між ними відсутні сигнали, поля, механічні сили, енергія тощо, функціонує як єдина система.

У середині 80-х А. Аспект (Паризький університет) перевірив цей зв'язок експериментально, вивчаючи поляризацію пар фотонів, що випускаються одним джерелом у напрямку ізольованих детекторів. При порівнянні результатів двох серій вимірів з-поміж них виявилася узгодженість. З погляду відомого фізика Д. Бома, експерименти А. Аспекта підтвердили теорему Белла і підтримали позиції прихованих нелокальних змінних, існування яких припустив А. Ейнштейн. У трактуванні квантової механіки Д. Бомом немає невизначеності координат частки та її імпульсу.

Вченими висловили припущення, що зв'язок здійснюється через передачу інформації, носіями якої виступають особливі поля.

3. Хвильова генетика

Відкриття, зроблені у квантовій механіці, надали плідний вплив як на розвиток фізики, а й інші області природознавства, передусім біологію, у межах якої було розроблено концепція хвильової, чи квантової, генетики.

Коли 1962 р. Дж. Вотсон, А. Уілсон і Ф. Крик отримали Нобелівську премію за відкриття подвійний спіралі ДНК, що несе спадкову інформацію, то генетикам здалося, що основні проблеми передачі генетичної інформації близькі до вирішення. Уся інформація записана в генах, сукупність яких у клітинних хромосомах визначає програму розвитку організму. Ставилося завдання розшифрування генетичного коду, під яким розумілася вся послідовність нуклеотидів у ДНК.

Проте дійсність не виправдала очікувань вчених. Після відкриття структури ДНК та детального розгляду участі цієї молекули в генетичних процесах основна проблема феномена життя – механізми її відтворення – залишилася, по суті, нерозкритою. Розшифрування генетичного коду дало можливість пояснити синтез білків. Класичні генетики виходили з того, що генетичні молекули, ДНК, мають речову природу і працюють як речовина, являючи собою речову матрицю, на яку записаний речовий генетичний код. Відповідно до нього напрацьовується тілесний, речовий та матеріальний організм. Але питання про те, яким чином у хромосомах кодується просторово-тимчасова структура організму, на основі знання послідовності нуклеотидів вирішити не можна. Радянськими вченими О.О. Любищева та А.Г. Гурвіч ще в 20-30-ті роки була висловлена ​​думка про те, що розгляд генів як суто речових структур явно недостатньо для теоретичного опису феномена життя.

А.А. Любищев у своїй праці «Про природу спадкових чинників», виданому 1925 р., писав у тому, що гени є ні шматками хромосоми, ні молекулами автокаталітичних ферментів, ні радикалами, ні фізичної структурою. Він вважав, що треба визнати ген як потенційну субстанцію. Найкращому розумінню ідей А.А. Любищева сприяє аналогія генетичної молекули з нотним записом. Нотна запис сама по собі речова і є значками на папері, але реалізуються ці значки не в речовинному вигляді, а в звуках, які є акустичними хвилями.

Розвиваючи ці ідеї, А.Г. Гурвіч стверджував, що у генетиці «необхідно запровадити поняття біологічного поля, властивості якого формально запозичені з фізичних уявлень»1. Головна ідея А.Г. Гурвіча полягала в тому, що розвиток ембріона відбувається за заздалегідь встановленою програмою та набуває тих форм, які вже є в його полі. Він перший пояснив поведінку компонентів організму, що розвивається, як цілого на основі польових уявлень. Саме в полі містяться форми, що приймаються ембріоном у процесі розвитку. Віртуальну форму, що визначає результат процесу розвитку у будь-який його момент, Гурвіч назвав динамічно преформованою формою і тим самим ввів у початкове формулювання поля елемент телеології. Розробивши теорію клітинного поля, він поширив ідею поля як принципу, що регулює та координує ембріональний процес, а також на функціонування організмів. Обґрунтувавши загальну ідею поля, Гурвіч сформулював її як універсальний принцип біології. Їм було відкрито біофотонне випромінювання клітини.

Ідеї ​​російських біологів А.А. Любищева та А.Г. Гурвіча є гігантським інтелектуальним досягненням, яке випередило свій час. Суть їхніх думок полягає у тріаді:

Гени дуалістичні - вони речовина та поле одночасно.

Польові елементи хромосом розмічають простір - час організму - і цим керують розвитком біосистем.

Гени володіють естетично-подібною і мовленнєвою регуляторними функціями.

Ці ідеї залишалися недооціненими до появи робіт В.П. Казначєєва в 60-ті роки XX ст., в яких експериментально було підтверджено передбачення вчених про наявність польових форм передачі в живих організмах. Науковий напрямок у біології, представлений школою В.П. Казначєєва, сформувалося як результат численних фундаментальних досліджень з так званого дзеркального цитопатического ефекту, що виражалося в тому, що живі клітини, розділені кварцовим склом, що не пропускає жодної молекули речовини, проте обмінюються інформацією. Після робіт В.П. Казначєєва існування хвильового знакового каналу між клітинами біосистем не викликало сумніву.

Поруч із експериментами В.П. Казначєєва китайський дослідник Цзян Каньчжен провів серію супергенетичних експериментів, які перегукувались із передбаченням А.Л. Любищева та А.Г. Гурвіча. Відмінність робіт Цзян Каньчжена у цьому, що він проводив експерименти не так на клітинному рівні, але в рівні організму. Він виходив із того, що ДНК - генетичний матеріал - існує у двох формах: пасивної (у вигляді ДНК) та активної (у вигляді електромагнітного поля). Перша форма зберігає генетичний код і забезпечує стабільність організму, а друга може його змінити шляхом на нього біоэлектрическими сигналами. Китайський вчений сконструював апаратуру, яка була здатна зчитувати, передавати на відстань та вводити хвильові супергенетичні сигнали з біосистеми-донора в організм-акцептор. В результаті він вивів немислимі гібриди, «заборонені» офіційною генетикою, яка оперує поняттями лише речових генів. Так з'явилися на світ тварини та рослинні химери: куро-качки; кукурудза, з качанів якої росли пшеничні колосся, і т.д.

Видатний експериментатор Цзян Каньчжен інтуїтивно розумів деякі сторони фактично створеної ним експериментальної хвильової генетики і вважав, що носіями польової геномації є надвисокочастотні електромагнітні випромінювання, що використовуються в його апаратурі, проте теоретичного обґрунтування він дати не зміг.

Після експериментальних робіт В.П. Казначєєва та Цзян Каньчжена, які не могли бути пояснені у термінах традиційної генетики, виникла нагальна необхідність у теоретичному розвитку моделі хвильового геному, у фізико-математичному та теоретико-біологічному осмисленні роботи хромосоми ДНК у польовому та речовинному вимірі.

Перші спроби вирішити цю проблему зробили російські вчені П.П. Гаряєв, А.А. Березін та А.А. Васильєв, якими були поставлені такі завдання:

показати можливість дуалістичного трактування роботи геному клітини на рівнях речовини та поля у рамках фізико-математичних моделей;

показати можливість звичайних та «аномальних» режимів роботи геному клітини з використанням фантомно-хвильових образно-знакових матриць;

*знайти експериментальні докази правильності запропонованої теорії.

В рамках теорії, розробленої ними, що отримала назву хвильової генетики, було висунуто, обґрунтовано та експериментально підтверджено кілька основних положень, які значно розширили розуміння феномену життя та процесів, що відбуваються у живій матерії.

*Гени - не тільки речові структури, а й хвильові
матриці, якими, як у шаблонах, будується організм.

Взаємна передача інформації між клітинами, що допомагає формуватися організму як цілісної системи та коригувати злагоджену роботу всіх систем організму, відбувається не лише хімічним шляхом – синтезом різноманітних ферментів та інших «сигнальних» речовин. П.П. Гаряєв припустив, а потім експериментально довів, що клітини, їх хромосоми, ДНК, білки передають інформацію за допомогою фізичних полів - електромагнітними та акустичними хвилями та тривимірними голограмами, що читаються лазерним хромосомним світлом і випромінюють це світло, яке трансформується в радіохвилі та передає спадкову інформацію у просторі організму. Геном вищих організмів сприймається як біологографічний комп'ютер, який формує просторово-тимчасову структуру біосистем. Як носії польових матриць, за якими будується організм, виступають хвильові фронти, що задаються геноголограмами, і так звані солітони на ДНК - особливий вид акустичних і електромагнітних полів, що продукуються генетичним апаратом самого організму і здатних до посередницьких функцій обміну стратегічною регуляторною інформацією між клітинами , тканинами та органами біосистеми.

У хвильовій генетиці було підтверджено ідеї Гурвіча - Любищева - Казначєєва - Цзян Каньчжена про польовий рівень гено-інформації. Іншими словами, дуалізм поєднує єдності «хвиля - частка» або «речовина - поле», прийнятий у квантовій електродинаміці, виявився застосовним і в біології, що і передбачали свого часу АГ. Гурвіч та АА. Любищев. Ген-речовина та ген-поле не виключають один одного, але взаємно доповнюють.

Жива матерія складається з неживих атомів і елементарних частинок, які поєднують у собі фундаментальні властивості хвилі та частинки, але ці властивості використовуються біосистемами як основа для хвильового енергоінформаційного обміну. Інакше кажучи, генетичні молекули випромінюють інформаційно-енергетичне поле, в якому закодовано весь організм, його фізичне тіло та душу.

*Гени - це не тільки те, що складає так званий генеті
чеський код, але і вся інша, велика частина ДНК, яка раніше
вважалася безглуздою.

Але саме ця більша частина хромосом аналізується в рамках хвильової генетики як головна «інтелектуальна» структура всіх клітин організму: «Некодуючі регіони ДНК - це не просто junk (сміття), а структури, призначені для якихось цілей з незрозумілим поки що призначенням. некодирующие послідовності ДНК (а це 95-99% геному) є стратегічним інформаційним змістом хромосом... ці «тексти»1. Цей компонент геному, який одержав назву супергено-континуум, тобто. надген, забезпечує розвиток життя людини, тварин, рослин, і навіть програмує природне вмирання. Між генами та супергенами немає різкого та непереборного кордону, вони діють як єдине ціле. Гени дають матеріальні «репліки» як РНК і білків, а супергени перетворюють внутрішні та зовнішні поля, формуючи їх хвильові структури, у яких кодується інформація. Генетична спільність людей, тварин, рослин, найпростіших полягає в тому, що на рівні білків ці варіанти практично не відрізняються або слабо відрізняються у всіх організмів і кодуються генами, що становлять лише кілька відсотків загальної довжини хромосоми. Але вони відрізняються на рівні «сміттєвої частини» хромосом, що становить майже всю їхню довжину.

* Власної інформації хромосом недостатньо для розвитку
організму. Хромосоми за деяким виміром звернені у фізичній
ський вакуум, що дає головну частину інформації для розвитку ем
бріона. Генетичний апарат здатний сам і за допомогою вакууму
генерувати командні хвильові структури типу голограм, забезпеч
які розвивають організм.

Значними більш глибокого розуміння життя як кос-мо-планетарного явища стали експериментальні дані, отримані П.П. Гаряєвим, які довели недостатність геному клітини для повноцінного відтворення програми розвитку організму за умов біопольової інформаційної ізоляції. Експеримент полягав у тому, що було збудовано дві камери, в кожній з яких створені всі природні умови для розвитку пуголовків із жабиної ікри - необхідний склад повітря та води, температура, режим освітлення, ставковий мул і т.д. Відмінності полягали лише в тому, що одна камера була зроблена з перма-лою - матеріалу, що не пропускає електромагнітні хвилі, а друга - зі звичайного металу, який для хвиль не перешкода. У кожну камеру було поміщено однакову кількість заплідненої жаби ікри. В результаті експерименту в першій камері з'явилися суцільно виродки, які за кілька днів загинули, у другій камері в належний термін вилупилися і нормально розвинулися пуголовки, що потім перетворилися на жаб.

Зрозуміло, що для нормального розвитку пуголовків у першій камері їм не вистачало якогось фактора, що несе частину спадкової інформації, без якої організм не може бути «зібраний» у повному вигляді. Оскільки стінки першої камери відсікали пуголовків лише від випромінювань, які вільно пронизували другу камеру, то природно припустити, що фільтрація чи спотворення природного інформаційного тла викликає потворність і загибель ембріонів. Це означає, що комунікації генетичних структур із зовнішнім інформаційним полем, безумовно, необхідні гармонійному розвитку організму. Зовнішні (екзобіологічні) польові сигнали несуть додаткову, можливо, і головну інформацію в гено-континуум Землі.

* Тексти ДНК та голограми хромосомного континууму можуть читатися у багатовимірному просторово-часовому та семантичному варіантах. Існують хвильові мови геному клітин, подібні до людських.

На особливу увагу заслуговує в хвильовій генетиці обґрунтування єдності фрактальної (повторюючої самої себе в різних масштабах) структури послідовностей ДНК і людської мови. Те, що чотири літери генетичного алфавіту (аденін, гуанін, цитозин, тимін) у ДНК-текстах утворюють фрактальні структури, було виявлено ще 1990 р. і не викликало особливої ​​реакції. Однак відкриття геноподібних фрактальних структур у людській мові стало несподіванкою і для генетиків, і для лінгвістів. Стало очевидно, що прийняте і вже звичне порівняння ДНК із текстами, що мало метафоричний характер після відкриття єдності фрактальної структури та людської мови, цілком виправдане.

Спільно із співробітниками Математичного інституту РАН група П.П. Гаряєва розробила теорію фрактального уявлення природних (людських) та генетичних мов. Практична перевірка цієї теорії в галузі «мовленнєвих» характеристик ДНК показала стратегічно вірну орієнтацію досліджень.

Так само, як і в експериментах Цзян Каньчжен, групою П.П. Гаряєва було отримано ефект трансляції та запровадження хвильової супергенетичної інформації від донора до акцептора. Були створені пристрої - генератори солітонних полів, які можна було вводити мовні алгоритми, наприклад, російською чи англійською мовами. Такі мовні структури перетворювалися на солітонні модульовані поля - аналоги тих, якими оперують клітини у процесі хвильових комунікацій. Організм та його генетичний апарат «дізнається» такі «хвильові фрази» як свої власні і надходить відповідно до введених людиною ззовні мовних рекомендацій. Вдалося, наприклад, створюючи певні мовні, вербальні алгоритми, відновити радіаційно пошкоджене насіння пшениці та ячменю. Причому насіння рослин «розуміли» цю мову незалежно від того, якою мовою вона вимовлялася - російською, німецькою або англійською. Експерименти було проведено на десятках тисяч клітин.

Для перевірки ефективності стимулюючих зростання хвильових програм у контрольних експериментах в геном рослин через генератори вводили безглузді мовні псевдокоди, які ніяк не впливали на обмін речовин рослин, тоді як смислове входження в біопольові семантичні пласти генома рослин давало ефект різкого, але короткочасного прискорення зростання.

Розпізнавання геномами рослин людської мови (незалежно від мови) повністю відповідає положенню лінгвістичної генетики про існування прамови геному біосистем на ранніх етапах їх еволюції, загального для всіх організмів і генофонду Землі, що зберігся в загальній структурі. Тут видно відповідність ідеям класика структурної лінгвістики М. Хомського, який вважав, що це природні мови мають глибинну вроджену універсальну граматику, інваріантну всім людей і, мабуть, їх власних супергенетичних структур.

Висновок

Принципово новими моментами у дослідженні мікросвіту стали:

· Кожна елементарна частка має як корпускулярні, так і хвильові властивості.

· Речовина може переходити в випромінювання (анігіляція частинки та античастинки дає фотон, тобто квант світла).

· Можна передбачити місце та імпульс елементарної частинки тільки з певною ймовірністю.

· Прилад, що досліджує реальність, впливає на неї.

· Точний вимір можливий тільки при випромінюванні потоку частинок, але не однієї частинки.

Список літератури

1. П.П. Горяєв, «Хвильовий генетичний код», М., 1997.

2. Р. Ідліс, «Революція в астрономії, фізиці та космології», М., 1985.

3. А.А. Горєлів. «Концепції сучасного природознавства»

4. Москва «Центр» 2001р.

5. В.І. Лавріненко, В.П. Ратніков, "Концепції сучасного природознавства", М., 2000.

6. Концепції сучасного природознавства: Підручник для вузів/За ред. проф. В.М. Лавриненка, проф. В.П. Ратнікова. - 3-тє вид., перераб. та дод. - М.: ЮНІТІ-ДАНА, 2006.

Розміщено на Allbest.ru

Подібні документи

Теорія атомно-молекулярної будови світу. Об'єкти мікросвіту: електрон, фундаментальні частки, ферміони, лептони, адрони, атом, ядро ​​атома і молекула. Розробка квантової механіки та явищ мікросвіту. Концепція мікросвіту і квантової механіки.

реферат, доданий 26.07.2010


Виникнення некласичних уявлень у фізиці. Хвильова природа електрона. Експеримент Девіссона та Джермера (1927 р.). Особливості квантово-механічного опису мікросвіту. Матрична механіка Гейзенберг. Електронна будова атомів та молекул.

презентація , доданий 22.10.2013


Історія зародження квантової теорії. Відкриття ефекту комптону. Зміст концепцій Резерфорда та Бора щодо будови атома. Основні положення хвильової теорії Бройля та принципу невизначеності Гейзенберга. Корпускулярно-хвильовий дуалізм.

реферат, доданий 25.10.2010


Фізичні уявлення античності та Середніх віків. Розвиток фізики у Новий час. Перехід від класичних до релятивістських уявлень у фізиці. Концепція виникнення порядку з хаосу Емпедокла та Анаксагора. Сучасна фізика макро- та мікросвіту.

реферат, доданий 27.12.2016


Історія розвитку квантової теорії. Квантово-польова картина світу. Основні засади квантово-механічного опису. Принцип спостереження, наочність квантово-механічних явищ. Співвідношення невизначеностей. Принцип додатковості М. Бора.

реферат, доданий 22.06.2013


Теплове випромінювання, квантова гіпотеза Планка. Квантові властивості електромагнітного випромінювання. Формула Ейнштейна для фотоефекту. Корпускулярно-хвильовий дуалізм матерії. Співвідношення невизначеності Гейзенберга. Стаціонарне рівняння Шредінгера.

навчальний посібник, доданий 06.05.2013


Основні представники фізики. Основні фізичні закони та концепції. Концепція класичного природознавства. Атомістична концепція будови матерії. Формування механічної картини світу. Вплив фізики на медицину.

реферат, доданий 27.05.2003


Фізичний сенс хвиль де Бройля. Співвідношення невизначеності Гейзенберга. Корпускулярно-хвильова двоїстість властивостей частинок. Умова нормування хвильової функції. рівняння Шредінгера як основне рівняння нерелятивістської квантової механіки.

презентація , доданий 14.03.2016


Принципи некласичної фізики. Сучасні уявлення про матерію, простір та час. Основні ідеї та принципи квантової фізики. Сучасні уявлення про елементарні частинки. Структура мікросвіту. Фундаментальні фізичні взаємодії.

реферат, доданий 30.10.2007


Визначення центру ваги молекули та опис рівняння Шредінгера для повної хвильової функції молекули. Розрахунок енергії молекули та складання рівняння коливальної частини молекулярної хвильової функції. Рух електронів та молекулярна спектроскопія.