III. СТРУКТУРНЫЕ УРОВНИ И СИСТЕМНАЯ ОРГАНИЗАЦИЯ МАТЕРИИ 1 часть

11.

МИКРО-, МАКРО-, МЕГАМИРЫ

ОСНОВНЫЕ СВЕДЕНИЯ

11.1.Окружающий нас мир поражает своим «бесконечным» разнообразием! Это разнообразие является следствием иерархичности системной организации материи, которая, прежде всего, связана с масштабами соответст­вующих структурных уровней. Различают три таких уровня: микромир, макромир и мегамир.

11.2. Микромир образуют элементарные частицы, атомы, молекулы, т. е. все, что имеет размеры меньше ~10^-9...10^-8 м. В масштабах атомных ядер( -10~¹⁵ м и меньше) определяющую роль играют сильные и слабые взаимодействия, а в атомах и молекулах (~10~⁹...10-⁸ м) преобладают электромагнитные взаимодействия.

11.3.К макромиру относят объекты размером от ~10^-9 до ~10⁸ м. Это видимые невооруженным или «вооруженным» (микроскоп) глазом предметы, взаимодействующие друг с другом с помощью электромагнитных и гравита- ционных полей.

11.4.Мегамир включает в себя космические объекты размером более -10⁸ м: планеты, звезды, галактики и т. д. В этом «мире» преобладающим становится гравитационное взаимодействие.

11.5.В настоящее время считается, что материя в мегамире существует в трех формах: видимая (~4%), «темная» (~23%) и так называемая «темная» энергия (~73%), связанная с антигравитирующим физическим вакуумом. Обычное вещество (видимое) сосредоточено в основном в звездах, которых только в нашей Галактике (Млечный Путь) насчитывается около ста миллиардов (-10¹¹). Размер нашей Галактики составляет 15 ООО парсек (1 парсек = 30,8*10¹² км). Предполагается, что в доступной для наблюдений Вселенной (Метагалакти­ке) существует до миллиарда различных галактик, среднее расстояние между которыми имеет порядок одного мегапарсека. Эти галактики распределены крайне неравномерно, образуя скопления (кластеры). Однако если рассматривать Вселенную в очень большом масштабе, например, «разбивая» ее на «ячейки» с линейным размером, превышающим 200..300 мегапарсек (Мпк), то непрерывность структуры Вселенной уже не будет наблюдаться. Таким образом, в очень больших масштабах Вселенная является однородной и изотропной.

11.6. В 1929 году американский астрофизик Э. Хаббл, изучая закономер­ности «красного смещения» спектральных линий излучения, приходящего от удаленных галактик, пришел к выводу о том, что «разбегание» любых двух галактик происходит со скоростью v, пропорциональной расстоянию L между этими галактиками: v = HL, где Н — постоянная Хаббла. Легко убе­диться, что промежуток времени t = L/v соответствует «времени жизни» Все­ленной и равен обратной величине постоянной Хаббла: t = Н~¹. Таким обра­зом, измеряя постоянную Хаббла, можно определить возраст Вселенной, ко­торый в соответствии с последними данными равен 13,7 млрд лет.

11.7.Измерения Хаббла являются экспериментальным подтверждением теории Большого Взрыва, в развитие которой внесли вклад многие выдаю­щиеся ученые, такие как А. Эйнштейн, А. А. Фридман, Ж. Леметр, Г. А. Гамов и др. Настоящим триумфом этой теории стало экспериментальное обнаруже­ние реликтового излучения (А. Пензиас, Р. Вильсон, 1965), которое «путе­шествует» в пространстве с тех времен, когда Вселенной было всего около 1 млн лет.

ПРИМЕРЫ ТЕСТОВЫХ ЗАДАНИЙ

Задание 11.1 (выберите один вариант ответа).

Вселенная однородна и изотропна на расстояниях ...

Варианты ответа:

1.Порядка десятков килопарсек (характерные галактические расстояния).

2.Порядка сотен килопарсек (расстояния до ближайших галактик).

3.Свыше 200 Мпк (характерные расстояния крупномасштабной струк­туры Вселенной).

4.Порядка десятков мегапарсек (расстояния до скопления галактик).

Обоснование ответа. Правильный ответ легко «читается» в формули­ровках приведенных вариантов: «крупномасштабная структура» означает, что на еще больших расстояниях структурность уже не просматривается.

Правильным является вариант ответа: 3) свыше 200 Мпк (характерные расстояния крупномасштабной структуры Вселенной).

Задание 11.2 (выберите один вариант ответа).

Деление познаваемого мира на микро-, макро- и мегамир производится по критерию ...

Варианты ответа:

1.Принадлежности к живой или неживой материи.

2.Выполнения закона сохранения.

3.Геометрических размеров.

4.Степени необходимости изучения.

Обоснование ответа. В основных сведениях (см. выше) показано, что иерархичность структуры Вселенной связана с геометрическими размерами объектов природы.

Правильным является вариант ответ: 3) геометрических размеров.

Задание 11.3 (выберите варианты согласно указанной последовательности). Расположите уровни материи в порядке возрастания масштабности:

3Мегамир.

1Микромир.

2Макромир.

Обоснование ответа. Даже не зная критериев иерархичности структурной организации материи во Вселенной, правильный ответ легко определяется, если знать перевод первых частей приведенных терминов: мега (греч.) — большой, макpo (греч.) — тоже большой, но по отношению к микро (греч.) — малый.

Правильной является последовательность: 1) микромир; 2) макромир 3)мегамир.

Задание 11.4 (выберите несколько вариантов ответа).

К структурным единицам материи на уровне микромира относятся ...

Варианты ответа:

1.Атомы.

2. Квазары.

3.Твердые тела.

4. Кварки.

Обоснование ответа. К объектам микромира относится все, что имеет размер порядка атома, молекулы и меньше. Квазары — это космические объеты, а твердые тела имеют макроскопические размеры.

Правильными являются варианты ответа: 1) атомы; 4) кварки.

Задание 11.5 (выберите варианты согласно указанной последовательности).

Укажите правильную последовательность (от меньшего к большему) в структурной иерархии микромира.

2.Ядра атомов.

4. Молекулы.

3.Атомы.

1.Элементарные частицы.

Обоснование ответа. «Самыми маленькими» в микромире являются эле- ментарные частицы: кварки, лептоны, адроны и т. д. Основными «кирпичиками» атомных ядер являются нуклоны (протоны, нейтроны), а также различные элементарные частицы — переносчики фундаментальных взаимодействий. В атомах, помимо ядра, имеются электроны, обеспечивающие электрическую нейтральность этих атомов (правда, атомы могут находиться в ионизованном состоянии, когда количество электронов больше или меньше количества протонов). Наконец, молекулы — это совокупность одинаковых или различных атомов, удерживающихся силами электромагнитного взаимодействия.

Правильной является последовательность: 1) элементарные частицы; 2)ядра атомов; 3) атомы; 4) молекулы.

Задание 11.6 (выберите один вариант ответа).

Астрономическая единица — это расстояние, равное ...

Варианты ответа:

1. Пути, который луч света проходит за минуту.

2. Диаметру Галактики.

3. Расстоянию от Земли до Луны.

4. Расстоянию от Земли до Солнца.

Обоснование ответа. Астрономическая единица — это среднее расстоя­ние от Земли до Солнца (~150 млн км).

Правильным является вариант ответа: 4) расстоянию от Земли до Солнца.

Задание 11.7 (выберите варианты согласно указанной последовательности).

Укажите правильную последовательность (от большего к меньшему) в структурной иерархии мегамира:

2 Галактики.

4 Планеты,

3 Звезды.

1 Метагалактика.

Обоснование ответа. Метагалактика — это часть Вселенной, доступная современным методам наблюдения и включающая в себя галактики и другие космические объекты. Галактики — это космические системы, состоящие из миллиардов звезд, связанных гравитационным взаимодействием и общим про­исхождением. Кстати, наша Галактика называется Млечный Путь. Наконец, некоторые звезды имеют системы естественных «спутников» — планет.

Правильной является последовательность: 1) метагалактика; 2) галак­тики; 3) звезды; 4) планеты.

Задание 11.8 (выберите один вариант ответа).

К объектам мегамира относят ...

Варианты ответа:

1.Рибосомы, вирусы, бактерии, клетки.

2.Человек, биоценозы.

3.Элементарные частицы, атомы, молекулы.

4.Планеты, звезды, галактики.

Обоснование ответа. Первый и второй варианты ответа относятся к объек­там макромира. Третий включает в себя названия объектов микромира. Нако­нец, четвертый вариант — это некоторые объекты, относящиеся к мегамиру.

Правильным является вариант ответа: 4) планеты, звезды, галактики.

Задание 11.9 (выберите один вариант ответа).

Укажите правильную последовательность в структурной иерархии мате­рии (от меньшего к большему):

А.Элементарные частицы.

Б. Молекулы.

В.Атомы.

Г. Макротела.

Варианты ответа:

1.А-В-Б-Г.

2. В-А-Б-Г.

3.Б-В-А-Г.

4. Б-А-Г-В.

Обоснование ответа. На самом нижнем уровне структурной иерархии материи находятся элементарные частицы. Эти частицы являются компонентами атомных структур. Из атомов формируются молекулы. А далее мы попадаем в область макромира.

Правильным является вариант ответа: 1) А—В—Б—Г.

12.

СИСТЕМНЫЕ УРОВНИ ОРГАНИЗАЦИИ МАТЕРИИ

ОСНОВНЫЕ СВЕДЕНИЯ

12.1.Как уже отмечалось в предыдущем разделе, «бесконечное» разнообразие природы является следствием иерархичности системной организации материи, которая прежде всего связана с масштабами соответствующих структурных уровней. Для обозначения материальной структуры, которая на данном иерархическом уровне организации материи считается элементарной (неделимой), используется термин субстрат.

12.2.На самом глубоком уровне находятся элементарные частицы и фун- даментальные физические поля, посредством которых эти частицы взаимо- действуют. Изучением таких объектов занимается современная физика^[5]. Таким образом, субстратом в физике являются частицы (не обязательно элементарные), взаимодействующие посредством физических полей.

12.3.На следующем уровне структурной организации материи располагаются атомы, представляющие собой устойчивые образования из элементарных частиц и полей. Описывать взаимодействие атомов, особенно сложных, с помощью законов физики — очень неблагодарный труд из-за резко возрастающей сложности математических расчетов. В то же время, перейдя на другой «язык» — язык химии, можно без труда описать практически все известные процессы с участием атомов. Таким образом, в химии атомы считаются элементарными (неделимыми) объектами химических процессов. Другими словами, субстратом химии являются атомы^[6].

12.4.Химия изучает процессы образования и превращения молекул. Молекулы, как известно, отличаются огромным разнообразием: от простейших,типа Н₂, С0₂ или Н₂0, до сложнейших органических молекул, состоящих из сотен тысяч и миллионов атомов. Однако существует класс органических молекул — так называемые биополимеры (белки, нуклеиновые кислоты, полисахариды), поведение которых обнаруживает особые свойства, в первую очередь самоорганизацию и самовоспроизведение, которые лежат в основе биологических процессов в природе. Поэтому субстратом биологии являются биополимеры.

12.5.Если обратиться к наукам о Земле, в частности, к геологии, то ее субстратом являются различные минералы, свойства которых обладают ярко выраженным своеобразием по сравнению со свойствами атомов, из которых они состоят.

12.6.Возможно ли в будущем описать биологические процессы — на язы­ке химии, химические — на языке физики, а физику представить в виде простых математических соотношений? При положительном ответе на этот вопрос мы приходим к понятию редукционизма, под которым понимают воз­можность сведения сложных явлений к более простым, более элементарным.

12.7.Редукционизм являлся и является весьма мощным методологиче­ским принципом в науке, с его помощью были получены важные результаты, позволившие связать, казалось бы, совершенно различные явления. Напри­мер, электромагнитная картина мира установила единую природу электриче­ских, магнитных и оптических явлений. Особенно эффективен редукцио­низм, когда рассматриваются аддитивные величины, для которых свойства целого есть просто сумма свойств отдельных частей. Однако возможности редукционизма не беспредельны. Сложные системы начиная с определенно­го уровня организации своей структуры обнаруживают новые качества, ко­торые не могут быть даже описаны с помощью тех характеристик, которыми пользуются для описания отдельных частей системы. Например, свойства здания, построенного из кирпичей, нельзя свести к свойствам кирпичей, хотя бы потому, что из одних и тех же кирпичей можно построить совершен­но разные здания. Точно так же из одних и тех же букв алфавита можно составить совершенно разные слова, а значит, «свойства» слов не вытекают из «свойств» составляющих их букв.

12.8.Особенно актуальна проблема редукционизма в вопросе о сущности жизни. Поведение объектов живой природы настолько отличается от неживой (косной), что люди долго объясняли и продолжают объяснять феномен жизни присутствием нематериальных факторов. Например, еще Аристотель говорил, что «душа — это энтелехия жизни», т. е. жизнь начинается там, где есть нема­териальная душа. Такой подход к объяснению жизни называется витализмом^[7].

ПРИМЕРЫ ТЕСТОВЫХ ЗАДАНИЙ

Задание 12.1 (выберите несколько вариантов ответа).

Газообразное сообщество электрически нейтральных атомов отличается от простой смеси эквивалентного числа ядер и электронов (плазмы)...

Варианты ответа:

1.Системной упорядоченностью строения.

2.Очень высокой степенью прозрачности для электромагнитного излу­чения.

3.Появлением сил гравитации.

4.Исчезновением электромагнитных сил.

Обоснование ответа. Газообразное состояние электрически нейтральных атомов прежде всего отличается системной упорядоченностью строения, в отличие от хаотического состояния компонентов плазмы. Существование таких атомов обусловлено электромагнитным взаимодействием. Кроме того, газы обладают высокой прозрачностью для электромагнитного излучения, за исключением некоторых длин волн, на которых возможно возбуждение таких атомов.

Правильными являются варианты ответа: 1) системной упорядоченностью строения; 2) очень высокой степенью прозрачности для электромагнитного излучения.

Задание 12.2 (выберите один вариант ответа).

Свойство, показывающее, что значение величины, соответствующей целому, равно сумме величин, соответствующих его частям, называется ...

Варианты ответа:

1.Аддитивностью.

2.Аннигиляцией.

3.Интеграцией.

4.Анизотропией.

Обоснование ответа. Формулировка задания практически полностью соответствует определению свойства аддитивности какой-либо величины. Все остальные варианты ответа относятся к другим понятиям: аннигиляция — исчезновение пары частица-античастица, интеграция — объединение частей в одно целое, анизотропия — различие свойств в разных направлениях.

Правильным является вариант ответа: 1) аддитивностью.

Задание 12.3 (выберите варианты согласно тексту задания).

Установите соответствие взаимосвязи естественных наук с одной из причин, которая порождает эту взаимосвязь:

1.Взаимосвязь химии с биологией.

2.Взаимосвязь химии с физикой.

3.Взаимосвязь физики с биологией.

Варианты ответа:

А.Физические методы исследования позволили проникнуть в глубь материи, познать процессы на молекулярном уровне.

Б. В основе жизни лежат химические реакции, строго координированные во времени и протекающие закономерно.

В.Молекулы живых организмов состоят из атомов химических элементов, свойства которых полностью определяют свойства живых систем.

Г. Химические реакции сопровождаются физическими процессами: тепловыми, световыми эффектами, изменением оптических, электрических войств веществ.

Обоснование ответа. Взаимосвязь химии с биологией обусловлена тем, что в основе жизни лежат химические реакции, которые строго координиро­ваны, согласованы в пространстве и во времени (в отличие от обычных хими­ческих реакций, протекание которых подчиняется статистическим, вероят­ностным законам). Взаимосвязь химии с физикой проистекает из того, что, во-первых, сами реакции обусловлены физическими взаимодействиями ато­мов и молекул, во-вторых, эти реакции сопровождаются различными физи­ческими процессами (тепловыми, световыми, оптическими, электрически­ми и т. д.). Взаимосвязь физики и биологии, помимо того, что в основе био­химических реакций лежат физические механизмы, обусловлена тем, что физические методы позволяют проникнуть в глубь материи, познать процес­сы на молекулярном уровне. Вариант ответа В некорректен, так как предпо­лагает редукцию биологии к химии, а это неверно.

Правильным является соответствие: 1 — Б; 2 — Г; 3 — А.

Задание 12.4 (выберите один вариант ответа).

«Внешнее воздействие, выводящее систему из термодинамического рав­новесия, вызывает в ней процессы, стремящиеся ослабить результаты этого воздействия» — это формулировка принципа ...

Варианты ответа:

1.Jle Шателье.

2.Дополнительности.

3.Комплементарности.

4.Наименьшего.

Обоснование ответа. Разберем варианты ответа. Принцип наименьшего действия в механике утверждает, что реализуется такая траектория движе­ния материальной точки, для которой действие (произведение энергии на время) минимально. В некоторых задачах этот принцип позволяет упростить нахождение траектории по сравнению с непосредственным решением урав­нения Ньютона та = F.

Принцип комплементарности относится к молекулярной биологии. В со­ответствии с этим принципом последовательность нуклеотидов в одной из двух спиралей ДНК в точности определяет последовательность нуклеотидов во второй спирали, так как аденин может быть связан только с тимином, а цитозин — с гуанином.

Принцип дополнительности был сформулирован Н. Бором: получение информации об одних физических величинах, описывающих исследуемый объект, неизбежно связано с потерей информации о других величинах, до­полнительных к первым (например, координата и проекция импульса).

Таким образом, все рассмотренные варианты ответа не имеют ничего об­щего с вопросом задания, который на самом деле выражает принцип Ле Ша­телье.

Правильным является вариант ответа: 1) Ле Шателье.

Задание 12.5 (выберите один вариант ответа).

Физическая эволюция, по Больцману, для изолированной системы в рам­ках равновесной термодинамики приводит к ...

Варианты ответа:

1.Уменьшению энтропии.

2.Увеличению симметрии системы.

3.Увеличению энтропии.

4.Возникновению упорядоченных структур.

Обоснование ответа. Для изолированных замкнутых систем справедливы законы классической термодинамики, в частности второе начало, которое утверждает, что энтропия таких систем либо возрастает, либо остается постоянной.

Правильным является вариант ответа: 3) увеличению энтропии.

Задание 12.6 (выберите несколько вариантов ответа).

Универсальный принцип естествознания, который утверждает, что по­лучение информации об одних величинах, описывающих исследуемый объект, неизбежно связано с потерей информации о других величинах, называется принципом ...

Варианты ответа:

1.Неопределенности.

2.Причинности.

3.Оптимальности.

4.Дополнительности.

Обоснование ответа. В вариантах ответа приведены два термина — до- полнительности и неопределенности. Первый связан с именем Н. Бора, второй — с именем В. Гейзенберга. Второй является частным случаем первого для конкретного применения в квантовой механике. Именно эти принципы следует выбрать в качестве правильного ответа, так как принцип причинности скорее относится к философии и обозначает необходимую связь взаимообусловленных явлений. Принцип оптимальности иногда встречается в технических науках.

Правильными являются варианты ответа: 1) неопределенности; 4) дополн­и- тельности.

Задание 12.7 (выберите несколько вариантов ответа).

Для реакции окисления двух молей молекулярного водорода одним мо­лем молекулярного кислорода с образованием двух молей воды справедливы следующие утверждения:

В а р и а н т ы ответа:

1.Свойства воды целиком определяются свойствами исходных веществ- кислорода и водорода.

2.Масса получившейся воды равна сумме масс исходных компонентов- водорода и кислорода.

3.Число атомов в молекуле воды равно числу атомов кислорода и водорода.

4.Число молекул воды равно сумме числа реагирующих молекул водорода и кислорода.

Обоснование ответа. Прежде всего запишем реакцию окисления водоро­да кислородом 2Н₂ + 0₂ = 2Н₂0. В реакции участвуют две молекулы водорода и одна молекула кислорода, а получаются две молекулы воды. Следовательно, вариант 4 неверен. Свойства исходных веществ — водорода и кислорода в га­зообразном состоянии — совершенно не похожи на свойства получающегося продукта — воды. Значит вариант 1 тоже не подходит,. Оставшиеся два вари­анта — 2-й и 3-й — соответствуют поставленному вопросу.

Правильными являются варианты ответа: 2) масса получившейся воды равна сумме масс исходных компонентов — водорода и кислорода; 3) число атомов в молекуле воды равно числу атомов кислорода и водорода.

Задание 12.8 (выберите варианты согласно указанной последовательности).

Укажите правильную последовательность в структурной иерархии мик­ромира (от большего к меньшему).

2 Атом углерода.

1Молекула сахара.

4 Протон.

3Ядро атома углерода.

Обоснование ответа. Исходя из определения атома и молекулы, можно дать следующую характеристику указанных в задании веществ:

■ протон — ядро атома водорода;

■ ядро атома углерода состоит из шести протонов и шести нейтронов;

■ атом углерода — электронейтральная система, состоящая из ядра атома

углерода и шести электронов;

■ молекула сахара — это молекула углевода, состоящая из атомов углеро­да, кислорода и водорода. Например, для простых сахаров: С₆Н₁₂0₆.

Правильной является последовательность: 1) молекула сахара; 2) атом

углерода; 3) ядро атома углерода; 4) протон.

13.

СТРУКТУРЫ МИКРОМИРА

ОСНОВНЫЕ СВЕДЕНИЯ

13.1.В масштабах микромира стирается различие между частицами ве­щества и частицами (квантами) поля, поэтому в соответствии с общеприня­той в настоящее время стандартной моделью все известные на сегодняш­ний день элементарные частицы делятся на два больших класса: частицы — источники взаимодействий и частицы — переносчики взаимодействий.

13.2.Частицы — источники взаимодействий — это фермионы, обладаю­щие полуцелым спином и поэтому подчиняющиеся статистике Ферми-Ди­рака. Частицы — переносчики взаимодействий — это бозоны, обладающие целым спином и подчиняющиеся статистике Бозе-Эйнштейна.

13.2.Частицы первого класса, в свою очередь, подразделяются на две группы, отличающиеся тем, что частицы первой группы — адроны^[8] — уча­ствуют во всех четырех фундаментальных взаимодействиях, включая сильные, а частицы второй группы — лептоны — не участвуют в сильных взаимодействиях.

13.3.К адронам относится очень много различных элементарных частиц, большинство из которых имеет своего «двойника» — античастицу. Как правило, это довольно массивные частицы, с малым временем жизни. Исключение составляют нуклоны (протоны, нейтроны). Причем если нейтроны распадаются за несколько минут, то время жизни протона превышает возраст Вселенной.

13.4.Лептонами являются шесть элементарных частиц: электрон е, мюон ц и таон х, а также связанные с ними три нейтрино V_е,V_ц и v_t. Кроме того, каждая из этих частиц также имеет своего «двойника» — соответствующую античастицу. Все лептоны настолько похожи друг на друга по некоторым, специфическим в масштабах микромира свойствам, что мюон и таон можно было бы назвать тяжелыми электронами, а нейтрино — электронами, «потерявшими» заряд и массу.

13.5.Что касается адронов, то сравнительно недавно, около 30 лет назад, физики нащупали еще один «этаж» в их строении. Стандартная модель предполагает, что все адроны являются суперпозицией нескольких кварков и антикварков. Различные кварки обозначаются буквами латинского алфавита: и (up), d (down), с (charm), b (beauty), s (strange), t (truth). Кроме того, каждый из перечисленных кварков может существовать в трех состояниях, которые называются «цветом»: «синем», «зеленом» и «красном». В последнее время стало общепринятым говорить еще и об «аромате» кварка — так называют все его параметры, не зависящие от «цвета»,конечно, все эти термины не имеют ничего общего с обычными значениями соответствующих слов. Этими вполне научными терминами обозначаются физические характеристики, которым, как правило, невозможно дать мак- роскопическую интерпретацию. Предполагается, что кварки имеют дробный электрический заряд (-е/3 и +2е/3, где е = 1,6*10~¹⁹ Кл — заряд электрона) и взаимодействуют друг с другом с «силой», увеличивающейся с расстоянием. Поэтому кварки нельзя «разорвать», они не могут существовать отдельно друг от друга^[9]. В определенном смысле кварки являются «настоящими», «истинными» элементарными частицами для адронной формы материи. Теория, описывающая поведение и свойства кварков, называется квантовой хромодинамикой.

13.6.Античастицы — это элементарные частицы, масса, спин и время жизни которых точно равны этим же параметрам данной частицы, а электрический заряд, магнитный момент и некоторые другие характеристики (барионный, лептонный заряды, странность и др.) равны, но противоположны по знаку.

13.6.Частицы — переносчики взаимодействий включают в себя восемь глюонов (от англ. glue — клей), ответственных за сильные взаимодействия кварков и антикварков, фотон, осуществляющий электромагнитное взаи­модействие, промежуточные бозоны, которыми обмениваются слабо взаи­модействующие частицы, и гравитон, принимающий участие в универсаль­ном гравитационном взаимодействии между всеми частицами.

13.7.В современной физике в определенном смысле произошел возврат к взглядам Аристотеля, считавшего, что в природе нет пустоты. Современный физический вакуум — это не пустое пространство, а низшее энергетическое состояние квантованных полей, характеризующееся отсутствием каких-либо реальных частиц. Все квантовые числа физического вакуума (импульс, элек­трический заряд и др.) равны нулю, но возможность виртуальных процессов приводит к ряду специфических эффектов при взаимодействии реальных частиц с вакуумом. В ряде случаев, например при спонтанном нарушении симметрии, вакуумное состояние оказывается вырожденным и обусловли­вает рождение реальных частиц.

13.8.С понятием «расширяющегося» физического вакуума связывают сейчас открытую недавно «темную» энергию, на которую приходится почти три четверти материи во Вселенной.

ПРИМЕРЫ ТЕСТОВЫХ ЗАДАНИЙ

Задание 13.1 (выберите один вариант ответа).

Совокупность основных характеристик элементарной частицы — это ...

Варианты ответа:

1.Время жизни, энтропия, заряд, цвет, момент импульса.

2.Масса, заряд, квантовое число, валентность, аромат.

3.Масса, заряд, спин, время жизни, внутренние квантовые числа.

4.Масса покоя, спин, странность, энтальпия, цвет.

Обоснование ответа. В первом варианте ответа имеется термин «энтро­пия», который характеризует статистические свойства больших систем час­тиц. Во втором варианте термин «валентность» относится к атомам. В чет­вертом варианте термин «энтальпия» тоже относится к термодинамическим свойствам объектов, состоящих из большого числа частиц. И только третий вариант ответа содержит характеристики, присущие только элементарным частицам.

Правильным является вариант ответа: 3) масса, заряд, спин, время жиз­ни, внутренние квантовые числа.

Задание 13.2 (выберите несколько вариантов ответа).

Укажите частицы, которые в настоящее время относят к фундаменталь­ным.

Варианты ответа:

1.Протон.

2.Кварк.

3.Электрон.

4.Ядро атома

Обоснование ответа. «Истинно» элементарными, т. е. не состоящими из других элементарных частиц, из числа указанных в вариантах ответа явля­ются кварк и электрон. Протон состоит из кварков, а ядро атома — из нуклонов и других элементарных частиц.

Правильными являются варианты ответа: 2) кварк; 3) электрон.

Задание 13.3 (выберите один вариант ответа).

Открытие явления радиоактивности дало ключ к пониманию строения ...

Варианты ответа:

1. Твердых тел.

2. Атомов.

3.Ядер атомов.

4. Молекул.

Обоснование ответа. Радиоактивность — это явление, связанное с ядерными процессами (испускание альфа-частиц, электронов, позитронов, гамма-квантов), поэтому исследование этих процессов имеет непосредственное отношение к пониманию строения атомных ядер.

Правильным является вариант ответа: 3) ядер атомов.

Задание 13.4 (выберите один вариант ответа).

Согласно современной физической картине мира элементарными фермионами являются 6 кварков различных ароматов и цветов и ...

Варианты ответа: