Энергия макромира и микромира: Материя и энергия.
В этой главе дается спрессованный изложение физических основ молекулярных, в том числе, когерентных технологий возобновляемой энергетики. Приведенные определения отдельных видов энергии и способы их взаимного преобразования. Рассматриваются различные источники энергии: традиционные, основанные на сжигании ископаемых видов органического и неорганического топлива, и нетрадиционные возобновляемые источники, основанные на использовании природных факторов. Теоретические выкладки имеют целью облегчить восприятие материала читателем, ведет поиск практического применения молекулярных технологий возобновляемой энергетики.
Энергия рассматривается как одно из фундаментальных понятий науки. Изучением основных видов энергии занимается физика. Эта фундаментальная наука пытается детально исследовать элементарную энергетическую систему и дать ей объяснение. Например, исследуя поведение твердого тела, фундаментальная наука изучает процессы, имеющие место в элементарном атоме. Только после этого она переходит к изучению более сложных образований, например, молекул и потом возвращается к проблеме твердого тела.
Энергия - единственное мерило всех форм движения различных видов материи. Лучшее из изложенного в этом разделе описания фигурирует в древних. П. Гольбах определял материю, как все то, что действует каким-то образом на наши чувства. Второе определение материи, как субстанции, основы всего существующего в мире, дано философами-материалистами эпохи Просвещения. Своими корнями оно заходит в эпоху атомистических концепций античности. Идея атомистической построения всех тел была воспринята наукой Нового времени и сыграла выдающуюся роль в ее развитии.
Сегодня, углубление знаний об устройстве макромира и микромира, а также о процессах, в них происходят, невозможно на основе только одного созерцания. Решающую роль в изучении глубинных основ всемирного движения материи играют экспериментальные исследования.
Стародавние гении атомистики передали пальму первенства холодным исследователям настоящего, которые продолжают дело своих предшественников и приумножают наши знания об окружающем нас мире.
Все виды материи связаны между собой, каждый из них развивается из другого. Построение материи можно представить в виде иерархии разных уровней материи. Согласно современным научным воззрениям, глубинные структуры материального мира представлены прежде всего элементарными частицами. Изучением чрезвычайных свойств частиц, сильно отличаются от свойств макроскопических тел, ученые занимаются, в частности, в рамках физики элементарных частиц.
В элементарной частицей обычно понимается бесструктурный объект, который включает в себя составных частиц. В стандартной модели элементарными частицами считаются кварки, лептоны и калибровочные бозоны. До определенного времени в элементарных частиц относили адроны: мезоны и такие барионы, как протон и нейтрон. Важным понятием физики элементарных частиц является квант, что облегчает восприятие электромагнитного излучения.
Элементарные частицы можно условно классифицировать по величине спину и по виду взаимодействия. По величине спину элементарные частицы делятся на частицы с целым спином - бозоны (фотон, глюоны и мезоны) и частицы с полуцелым спином - фермионы (электрон, протон, нейтрон и нейтрино). По видам взаимодействия элементарные частицы делятся на адроны, которые принимают участие во всех видах взаимодействия и состоят из кварков и, в свою очередь, делятся на мезоны (адроны с целым спином - бозоны) и барионы (адроны с полуцелым спином - фермионы, к ним, частности, относятся протоны и нейтроны).
Стандартная модель, принятая в физике элементарных частиц, включает 12 фермионов и 12 соответствующих им античастиц. Эта модель не включает, однако, гипотетическую частицу гравитон, что является ответственным за гравитационное взаимодействие некоторых частиц.
12 фундаментальных частиц - фермионов, в свою очередь, делятся на три поколения, каждое из которых состоит из четырех элементарных частиц. Шесть из 12 элементарных частиц является кварками: up-кварк (верхний ¬), down-кварк (нижний), charm-кварк (волшебный), strange-кварк (странный), top-кварк (истинный) и bottom-кварк (волшебный) . Кварки имеют дробный электрический заряд. Каждый кварк имеет также один из трех цветов (еще одно квантовое число, подобно спину или аромата). Каждому из шести кварков соответствует своя античастица - антикварк, имеющий противоположный по знаку электрический заряд, ароматов число, проекцию изоспину и барионный заряд (-1 / 3).
Еще шесть частиц является лептонами: три из них (электрон, мюон и тау) характеризуются зарядом «-1», три другие - нейтрино (электрон-нейтрино, мюон-нейтрино и тау-нейтрино). К антифермионив, в частности, относится антиэлектрон (позитрон) е + - античастица электрона, которая имеет электрический заряд «+1». Соответственно, другие античастицы дополняют группу антифермионив: антимюонов, антитау, электрон антинейтрино, мюон антинейтрино, тау антинейтрино.
Кварки и лептоны выступают в качестве базовых объектов в системе элементарных частиц. Они являются главным строительным материалом для вещества нашего мира, поскольку ядра атомов существуют благодаря взаимодействию кварков, а формирование электронных оболочек вокруг ядра приводит к созданию атомов.
В стандартной модели элементарных частиц калибровочные бозоны (глюоны, фотоны, W-и Z - бозоны) - частицы, обменом которыми обеспечивается взаимодействие с другими элементарными частицами. Фотоны обеспечивают электромагнитное взаимодействие. Глюоны ответственны за сильное взаимодействие. Векторные бозоны W +, W-и Z0 обеспечивают слабое взаимодействие.
Гравитоны обеспечивают гравитационное взаимодействие. Бозон Хиггса с нулевым спином ответственный за массу элементарных частиц.
Известные элементарные частицы участвуют в четырех видах взаимодействия - электромагнитном, гравитационном, сильному и слабому. Электромагнитная и гравитационная взаимодействия проявляются как на малых, так и на больших расстояниях. Сильная и слабая взаимодействия характерны только для малых расстояний. Лептоны не участвуют в сильных взаимодействиях. Участие в электромагнитных взаимодействиях экспериментально наблюдалось только для заряженных лептонов (электроны, мюоны, тау-лептоны) и не наблюдалось для нейтрино.
Открытие кварковой структуры адронов улучшило наше понимание глубинных процессов в материи. Кварки имеют мелкий электрический заряд 1/3 или 2/3 от заряда электрона, который принимается равным по -1. Взаимодействие кварков проходит обменом глюонами. Увеличение расстояния между кварками внутри адронов приводит к резкому росту сил, которые связывают.
Элементарные частицы характеризуются одновременно и корпускулярными и волновыми свойствами. Развитие квантовой физики обнаружил относительность разделения между веществом и полем. Только на макроуровне поля можно считать непрерывными средами. На микроуровне должны учитываться квантовая построение полей. Например, электромагнитное поле можно рассматривать как систему фотонов, а гравитационное поле - как систему гравитонов. С другой стороны, позитроны, электроны, мезоны и другие малые частицы могут рассматриваться при решении определенных задач как кванты электронно-позитронного, мезонного и других полей.
Все, что тайное, еще не явное, а явном еще не время (Леонид Горлач. Руина). Современная физика еще не завершила создание единой теории элементарных частиц, на пути к ней сделаны первые, но очень важные шаги. Сегодня, в частности, прогрессирует идея объединения сильных, электрослабых и гравитационных видов взаимодействия в рамках единой теории.