Федеральное агентство по образованию

Государственное  Учреждение Высшего Профессионального  Образования

Ижевский  Государственный Технический Университет

Воткинский  филиал 
 

Кафедра ВМФХ 
 
 
 
 
 

Доклад  на тему

«Единство сил природы» 
 
 
 
 
 
 
 
 

Выполнил: студент гр. Д-412                                                                        Ильина Н.В.

Проверил: ст. преподаватель                                                                         Кудкин О.К. 
 
 
 

Воткинск

2010г.

Содержание: 

1. Введение
2. Силы природы
3. О возможном способе возникновения сил природы и их связи между собой

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Введение 

Разнообразие  явлений природы привело к  представлению о различных силах, как причинах этих явлений, отсюда —  разделение физики, как науки, на отделы теплоты, света, электричества и т.д., а также и разделение сил на магнитные, электрические, всеобщего тяготения и проч. Такая классификация основана на качественной стороне явлений, определяемой частью по действию одних явлений на зрение, других на слух и т. д., частью другими признаками. Но ощущения света, тепла, звуков, как таковые, не имеют ничего сходного с вызвавшими их явлениями, происходящими вне органов чувств, — явлениями, которые, напротив, во многих отношениях сходны между собой. Свет и звук чрезвычайно различны физиологически; но то и другое есть результат колебательных и волнообразных движений; свет — движений эфира, звук — движений воздуха. Первые движения поперечны, вторые — продольны, но те и другие маятникообразны; наконец, первые движения весьма быстры, сравнительно со вторыми. Продолжая подобные сравнения, все-таки окончательно приходят к тому заключению, что различие между обоего рода движениями представляет исключительно механический и количественный характер. Вообще, качественная сторона многих явлений или исчезает при переходе в область вне органов ощущений, или же качественное различие между явлениями принимает совсем другой характер. Однако же, изменение явления по качеству в области ощущений одного и того же класса сопровождается количественными изменениями в области, собственно подлежащей физическому исследованию. Так, ощущение красного цвета чрезвычайно различно от ощущения зеленого цвета и непередаваемо словами (например, слепому); а в области светового эфира волны, соответствующие названным цветам, отличаются между собой только длиной. Когда, с успехами физических знаний, обнаружилось, что электрические явления не только могут переходить в световые и тепловые, но и, обратно, последние могут быть источниками электричества, или что теплота может преобразоваться в механическую работу и обратно, когда такие взаимно обратные переходы были замечены во многих группах явлений, стало вырабатываться мнение, что все многоразличные деятели природы имеют, может быть, общее происхождение, что первичной причиной всех явлений есть движение, которого механический характер лишь видоизменяется при переходе явления одной группы в явления другой. В этом смысле и говорится о единстве сил. Хотя понятие о силе и довольно трудно определимо, однако силы не могут быть представляемы как нечто отдельное от вещества тел, но лишь как свойства его. Всеобщее тяготение и сцепление, притягательная и отталкивательная, электрические и магнитные силы суть свойства, одни из которых, по-видимому, всегда присущи веществу, а другие обнаруживаются лишь при особой группировке частиц вещества или при особого рода их движениях, возникающих сообразно надлежащим условиям. Среда, разделяющая взаимно действующие тела, также участвует в переменах строения и внутренних частичных движений во все время их взаимного действия. Действия силы измеряются работой, ими производимой или той, которую они могли бы произвести. Тело, поднятое на некоторую высоту, имеет возможность произвести механическую работу при своем падении; горячий пар имеет возможность поднять поршень паровой машины, охлаждаясь при этой работе; в этих случаях и во множестве других тело обладает по новейшей терминологии энергией, а именно потенциальной, как возможного источника работы. Но энергия может обнаружиться не только механической работой, а также возбуждением тепла, света, электричества; поэтому может быть энергия тепловая, электрическая и т. д. По новейшему учению, энергия одного вида может переходить в энергию других видов по некоторым законам эквивалентности их между собой. При таких преобразованиях энергия не образуется вновь и не исчезает, но сумма энергии тел всей вещественной природы есть постоянная величина, которая не уменьшается при всех возможных раздроблениях ее на части и превращениях энергии одного наименования в энергию другого наименования. Когда будут найдены общие единицы мер для всех видов энергии, тогда легче будет изучить законы перехода одних сил в другие, многое уже сделано в этой области. При помощи принципа энергии удобно изучить вопрос о Единстве сил природы.  
 
 
 

Силы  природы. 

На Земле  непрерывно идут процессы разрушения и созидания. Ветры и дожди, землетрясения  и извержения вулканов на протяжении сотен миллионов лет разрушали  могучие хребты и одновременно вздымали равнины. Сила воды создала гигантские каньоны, каменные стелы и столовые горы, образовала сложные лабиринты пещер и громадные пропасти, уходящие в глубь земли на сотни метров. Вулканы, извергая лаву и пепел, рождали новые острова или, наоборот, разрушали все до основания.

Природа планеты, на которой мы живем, невероятно разнообразна. «Чудеса» природы рассказывают нам о том, что происходило на планете сотни миллионов лет назад. Они позволяют изучать процессы, которые сформировали Землю и придали планете ее сегодняшний облик.

  
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

О возможном способе  возникновения сил  природы и их связи  между собой 

В 1687 году Исаак Ньютон объяснил движение небесных тел и многих земных явлений наличием притяжения всех тел друг к другу. С тех пор многие пытаются объяснить, каким образом два тела могут на расстоянии взаимодействовать друг с другом. Примерно через 100 лет эксперименты с электричеством и магнетизмом дали гораздо более ощутимые примеры взаимодействия тел на расстоянии. Это способствовало новой вспышке попыток объяснить дальнодействие. Однако все должны были удовлетвориться идеей Фарадея о взаимодействии тел с силовым полем. Идея Фарадея была очень привлекательна в связи с тем, что поле, по крайней мере, электрическое и магнитное, можно было сделать видимым. Уравнения Джеймса Клерка Максвелла придали идее поля еще больше реальности. 

Следующий шаг в попытке объяснения дальнодействия сделал Альберт Эйнштейн. Свою идею о том, что вблизи тяжелых тел  пространство может искривляться, он сумел выразить в математических уравнениях. Идея о возможной кривизне пространства нашла многих последователей, и особенно много – в области научно-фантастической литературы. Многие теоретики критикуют отчаянную смелость предположений Эйнштейна и считают их ошибочными. Большую часть своей жизни Эйнштейн посвятил разработке всеобщей теории поля, в которой должна была быть представлена связь между силами природы.  
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Сколько сил в природе

Мы  решили назвать эту книгу «Силы  в природе», имея в виду главным  образом второе значение этого слова  в современной науке. Но в большом числе случаев силы, о которых пойдет речь в дальнейшем, можно понимать и в более узком «механическом смысле».

Наш рассказ в первую очередь будет  посвящен природе сил, т. е. вопросу, от рассмотрения которого механика отказывается. Здесь сразу же возникает проблема первостепенной важности: сколько различных типов сил, т. е. типов взаимодействий, существует в мире?

В настоящее время, когда говорят  о единстве природы, обычно имеют  в виду единство в строении вещества: все тела построены всего лишь из нескольких сортов элементарных частиц. Однако в этом проявляется только одна сторона единства природы. Не менее существенно и другое.

Несмотря  на удивительное разнообразие взаимодействий тел друг с другом, взаимодействий, сводящихся в конце концов к взаимодействию элементарных частиц, в природе по современным данным имеется совсем немного типов сил. О четырех из них: о силах тяготения, электромагнитных силах, ядерных силах и слабых взаимодействиях мы можем говорить с уверенностью. Из них только два первых типа сил можно рассматривать в смысле ньютоновой механики. С проявлениями всех четырех типов сил мы встречаемся, изучая то, что происходит в безграничных просторах Вселенной, на нашей планете, исследуя любой кусок вещества, живые организмы, атомы, атомные ядра, взаимные превращения элементарных частиц. Еще вчера казалось, что этими четырьмя типами сил исчерпываются все имеющиеся в природе взаимодействия. Сегодня картина представляется уже более сложной. Изучение «интерьера» элементарных частиц приоткрыло новые глубины. Мы уже не можем с прежней уверенностью утверждать, что все известные нам процессы в природе объясняются действием лишь этих сил, что в недрах элементарных частиц не проявляются какие-то новые взаимодействия. Каковы они, эти взаимодействия? Какова их природа? Об этом мы пока почти ничего не знаем.

Но  о гравитационных, электромагнитных, ядерных и слабых взаимодействиях  мы знаем многое.

Что же подразумевается под силами данных четырех типов? Почему и как мы можем, опираясь на них, объяснить огромное число явлений? Почему, наконец, появились сомнения в том, что ими исчерпываются все имеющиеся в природе взаимодействия?

Единство  сил природы неразрывно связано  с единством в строении вещества. Одно не только не мыслимо без другого, но скорее можно сказать, что то и другое выражает разные стороны глубоко заложенного в природе вещей единства мира. Сравнительно малому числу сортов элементарных частиц соответствует еще меньшее число типов взаимодействий между ними. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Взаимодействия  и силы в природе

    Современные достижения физики высоких энергий  все больше укрепляют представление, что многообразие свойств Природы  обусловлено взаимодействующими элементарными  частицами. Дать неформальное определение  элементарной частицы, по-видимому, невозможно, поскольку речь идет о самых первичных элементах материи. На качественном уровне можно говорить, что истинно элементарными частицами называются физические объекты, которые не имеют составных частей.

    Очевидно, что вопрос об элементарности физических объектов - это в первую очередь вопрос экспериментальный. Например, экспериментально установлено, что молекулы, атомы, атомные ядра имеют внутреннюю структуру, указывающую на наличие составных частей. Поэтому их нельзя считать элементарными частицами. Сравнительно недавно открыто, что такие частицы, как мезоны и барионы, также обладают внутренней структурой и, следовательно, не являются элементарными. В то же время у электрона внутренняя структура никогда не наблюдалась, и, значит, его можно отнести к элементарным частицам. Другим примером элементарной частицы является квант света - фотон.

    Современные экспериментальные данные свидетельствуют, что существует только четыре качественно  различных вида взаимодействий, в  которых участвуют элементарные частицы. Эти взаимодействия называются фундаментальными, то есть самыми основными, исходными, первичными. Если принять во внимание все многообразие свойств окружающего нас Мира, то кажется совершенно удивительным, что в Природе есть только четыре фундаментальных взаимодействия, ответственных за все явления Природы.

    Помимо  качественных различий, фундаментальные  взаимодействия отличаются в количественном отношении по силе воздействия, которая  характеризуется термином интенсивность. По мере увеличения интенсивности фундаментальные взаимодействия располагаются в следующем порядке: гравитационное, слабое, электромагнитное и сильное. Каждое из этих взаимодействий характеризуется соответствующим параметром, называемым константой связи, численное значение которого определяет интенсивность взаимодействия.

    Каким образом физические объекты осуществляют фундаментальные взаимодействия между  собой? На качественном уровне ответ  на этот вопрос выглядит следующим  образом. Фундаментальные взаимодействия переносятся квантами.

    При этом в квантовой области фундаментальным  взаимодействиям отвечают соответствующие  элементарные частицы, называемые элементарными  частицами - переносчиками взаимодействий. В процессе взаимодействия физический объект испускает частицы - переносчики взаимодействия, которые поглощаются другим физическим объектом. Это ведет к тому, что объекты как бы чувствуют друг друга, их энергия, характер движения, состояние изменяются, то есть они испытывают взаимное влияние.

    В современной физике высоких энергий все большее значение приобретает идея объединения фундаментальных взаимодействий. Согласно идеям объединения, в Природе существует только одно единое фундаментальное взаимодействие, проявляющее себя в конкретных ситуациях как гравитационное, или как слабое, или как электромагнитное, или как сильное, или как их некоторая комбинация. Успешной реализацией идей объединения послужило создание ставшей уже стандартной объединенной теории электромагнитных и слабых взаимодействий. Идет работа по развитию единой теории электромагнитных, слабых и сильных взаимодействий, получившей название теории великого объединения. Предпринимаются попытки найти принцип объединения всех четырех фундаментальных взаимодействий.

Сила  тяжести

    Силой тяжести называют равнодействующую двух сил - силы ньютоновского притяжения всей массой Земли и центробежной силы, возникающей вследствие суточного вращения Земли. Отнесенные к единице массы, эти силы характеризуются ускорениями силы тяжести g=F/m, ньютоновского притяжения f=Fн/m и центробежным P=P/m. Ускорение силы тяжести равно геометрической сумме ускорения притяжения и центробежного ускорения. Обычно в гравиметрии, когда говорят "сила тяжести", подразумевают именно ускорение силы тяжести.

Гравитационное  взаимодействие

    Это взаимодействие носит универсальный характер, в нем участвуют все виды материи, все объекты природы, все элементарные частицы! Общепринятой классической (не квантовой) теорией гравитационного взаимодействия является эйнштейновская общая теория относительности. Гравитация определяет движение планет в звездных системах, играет важную роль в процессах, протекающих в звездах, управляет эволюцией Вселенной, в земных условиях проявляет себя как сила взаимного притяжения. Конечно, мы перечислили только небольшое число примеров из огромного списка эффектов гравитации.