А. П. Садохин концепции современного естествознания учебное пособие

История науки свидетельствует, что естествознание, возникшее в ходе научной революции XVI - XVII вв., было связано долгое время с развитием физики. Именно физика была и остается сегодня наиболее развитой и систематизированной естественной наукой. Поэтому, когда возникло мировоззрение европейской цивилизации Нового времени, складывалась классическая картина мира, естественным было обращение к физике, ее концепциям и аргументам, во многом определившим эту картину. Степень разработанности физики была настолько велика, что она могла создать собственную физическую картину мира, в отличие от других естественных наук, которые лишь в XX веке смогли поставить перед собой эту задачу (создание химической и биологической картин мира).

Поэтому, начиная разговор о конкретных достижениях естествознания, мы начнем его с физики, с картины мира, созданной этой наукой.

Понятие «физическая картина мира» употребляется давно, но лишь в последнее время оно стало рассматриваться не только как итог развития физического знания, но и как особый самостоятельный вид знания - самое общее теоретическое знание в физике (система понятий, принципов и гипотез), служащее исходной основой для построения теорий. Физическая картина мира, с одной стороны, обобщает все ранее полученные знания о природе, а с другой - вводит в физику новые философские идеи и обусловленные ими понятия, принципы и гипотезы которых до этого не было и которые коренным образом меняют основы физического теоретического знания: старые физические понятия и принципы ломаются, новые возникают, картина мира меняется.

Развитие самой физики непосредственно связано с физической картиной мира. При постоянном возрастании количества опытных данных картина мира весьма длительное время остается относительно неизменной. С изменением физической картины мира начинается новый этап в развитии физики с иной системой исходных понятий, принципов, гипотез и стиля мышления. Переход от одного этапа к другому знаменует качественный скачок, революцию в физике, состоящую в крушении старой картины мира и в появлении новой.

В пределах данного этапа развитие физики идет эволюционным путем, без изменения основ картины мира. Оно состоит в реализации возможностей построения новых теорий, заложенных в данной картине мира. При этом она может эволюционировать, достраиваться, оставаясь в рамках определенных конкретно-физических представлений о мире.

Ключевым в физической картине мира служит понятие «материя», на которое выходят важнейшие проблемы физической науки. Поэтому смена физической картины мира связана со сменой представлений о материи. В истории физики это происходило два раза. Сначала был совершен переход от атомистических, корпускулярных представлений о материи к полевым - континуальным. Затем, в XX веке, континуальные представления были заменены современными квантовыми. Поэтому можно говорить о трех последовательно сменявших друг друга физических картинах мира.

МЕХАНИЧЕСКАЯ КАРТИНА МИРА

Она складывается в результате научной революции XVI -XVII вв. на основе работ Г. Галилея и П. Гассенди, восстановивших атомизм древних философов, исследований Декарта и Ньютона, завершивших построение новой картины мира, сформулировавших основные идеи, понятия и принципы, составившие механическую картину мира.

Основу механической картины мира составил атомизм, который весь мир, включая и человека, понимал как совокупность огромного числа неделимых частиц - атомов, перемещающихся в пространстве и времени.

Ключевым понятием механической картины мира было понятие движения. Именно законы движения Ньютон считал фундаментальными законами мироздания. Тела обладают внутренним врожденным свойством двигаться равномерно и прямолинейно, а отклонения от этого движения связаны с действием на тело внешней силы (инерции). Мерой инертности является масса, другое важнейшее понятие классической механики. Универсальным свойством тел является тяготение.

Решая проблемы взаимодействия тел, Ньютон предложил принцип дальнодействия. Согласно этому принципу взаимодействие между телами происходит мгновенно на любом расстоянии, без каких-либо материальных посредников.

Концепция дальнодействия тесно связана с пониманием пространства и времени как особых сред, вмещающих взаимодействующие тела. Ньютон предложил концепцию абсолютного пространства и времени. Пространство представлялось большим «черным ящиком», вмещающим все тела в мире, но если бы эти тела вдруг исчезли, пространство все равно бы осталось. Аналогично, в образе текущей реки, представлялось и время, также существующее абсолютно независимо от материи.

В механической картине мира любые события жестко предопределялись законами механики. Случайность в принципе исключалась из картины мира. Как говорил П. Лаплас, если бы нашелся гигантский ум, способный объять мир (знание о координатах всех тел в мире, а также силах, действующих на них), то он однозначно мог бы предсказать будущее этого мира.

Жизнь и разум в механической картине мира не обладали никакой качественной спецификой. Поэтому присутствие человека в мире не меняло ничего. Если бы человек однажды исчез с лица земли, мир продолжал бы существовать как ни в чем не бывало.

На основе механической картины мира в XVIII - начале XIX вв. была разработана земная, небесная и молекулярная механика. Быстрыми темпами шло развитие техники. Это привело к абсолютизации механической картины мира, к тому, что она стала рассматриваться в качестве универсальной.

В это же время в физике начали накапливаться эмпирические данные, противоречащие механической картине мира. Так, наряду с рассмотрением системы материальных точек, полностью соответствовавшей корпускулярным представлениям о материи, пришлось ввести понятие сплошной среды, связанное по сути дела, уже не с корпускулярными, а с континуальными представлениями о материи. Так, для объяснения световых явлений вводилось понятие эфира - особой тонкой и абсолютно непрерывной световой материи.

В XIX в. методы механики были распространены на область тепловых явлений, электричества и магнетизма. Казалось бы, это свидетельствовало о больших успехах механического понимания мира в качестве общей исходной основы науки. Но при попытке выйти за пределы механики материальных точек приходилось вводить все новые искусственные допущения, которые постепенно готовили крушение механической картины мира. Аналогично световым явлениям, для объяснения теплоты, электричества и магнетизма вводились понятия теплорода, электрической и магнитной жидкости как особых разновидностей сплошной материи.

Хотя механический подход к этим явлениям оказался неприемлемым, опытные факты искусственно подгонялись под механическую картину мира. Попытки построить атомистическую модель эфира продолжались еще и в XX веке.

Эти факты, не укладывающиеся в русло механической картины мира, свидетельствовали о том, что противоречия между установившейся системой взглядов и данными опыта оказались непримиримыми. Физика нуждалась в существенном изменении представлений о материи, в смене физической картины мира.

ЭЛЕКТРОМАГНИТНАЯ КАРТИНА МИРА

В процессе длительных размышлений о сущности электрических и магнитных явлений М. Фарадей пришел к мысли о необходимости замены корпускулярных представлений о материи континуальными, непрерывными. Он сделал вывод, что электромагнитное поле сплошь непрерывно, заряды в нем являются точечными силовыми центрами. Тем самым отпал вопрос о построении механической модели эфира, несовпадении механических представлений об эфире с реальными опытными данными о свойствах света, электричества и магнетизма. Основная трудность в объяснении света при помощи понятия эфира состояла в следующем: если эфир - сплошная среда, то он не должен препятствовать движению в нем тел и, следовательно, должен быть подобен очень легкому газу. В опытах со светом были установлены два фундаментальных факта: световые и электромагнитные колебания являются не продольными, а поперечными, и скорость распространения этих колебаний очень велика. В механике же было показано, что поперечные колебания возможны только в твердых телах, причем скорость их зависит от плотности тела. Для такой большой скорости, как скорость света, плотность эфира во много раз должна была превосходить плотность стали. Но тогда, как же двигаются тела?

Одним из первых идеи Фарадея оценил Максвелл. При этом он подчеркивал, что Фарадей выдвинул новые философские взгляды на материю, пространство, время и силы, во многом изменявшие прежнюю механическую картину мира.

Взгляды на материю менялись кардинально: совокупность неделимых атомов переставала быть конечным пределом делимости материи, в качестве такового принималось единое абсолютно непрерывное бесконечное поле с силовыми точечными центрами - электрическими зарядами и волновыми движениями в нем.

Движение понималось не только как простое механическое перемещение, первичным по отношению к этой форме движения становилось распространение колебаний в поле, которое описывалось не законами механики, а законами электродинамики.

Ньютоновская концепция абсолютного пространства и времени не подходила к полевым представлениям. Поскольку поле является абсолютно непрерывной материей, пустого пространства просто нет. Так же и время неразрывно связано с процессами, происходящими в поле. Пространство и время перестали быть самостоятельными, независимыми от материи сущностями. Понимание пространства и времени как абсолютных уступило место реляционной (относительной) концепции пространства и времени.

Новая картина мира требовала нового решения проблемы взаимодействия. Ньютоновская концепция дальнодействия заменялась фарадеевским принципом близкодействия; любые взаимодействия передаются полем от точки к точке непрерывно и с конечной скоростью. *

Хотя законы электродинамики, как и законы классической механики, однозначно предопределяли события, и случайность все еще пытались исключить из физической картины мира, создание кинетической теории газов ввело в теорию, а затем и в электромагнитную картину мира понятие вероятности. Правда, пока физики не оставляли надежды найти за вероятностными характеристиками четкие однозначные законы, подобные законам Ньютона.

Не менялось в электромагнитной картине мира представление о месте и роли человека во Вселенной. Его появление считалось лишь капризом природы. Идеи о качественной специфике жизни и разума с большим трудом прокладывали себе путь в научном мировоззрении.

Новая электромагнитная картина мира объяснила большой круг явлений, непонятных с точки зрения прежней механической картины мира. Она глубже вскрыла материальное единство мира, поскольку электричество и магнетизм объяснялись на основе одних и тех же законов.

Однако и на этом пути вскоре стали возникать непреодолимые трудности. Так, согласно электромагнитной картине мира, заряд стал считаться точечным центром, а факты свидетельствовали о конечной протяженности частицы-заряда. Поэтому уже в электронной теории Лоренца частица-заряд вопреки новой картине мира рассматривалась в виде твердого заряженного шарика, обладающего массой. Непонятными оказались результаты опытов Майкельсона 1881 - 1887 гг., где он пытался обнаружить движение тела по инерции при помощи приборов, находящихся на этом теле. По теории Максвелла, такое движение можно было обнаружить, но опыт не подтверждал этого. Но тогда об этих мелких неприятностях и неувязках физики постарались забыть, более того, выводы теории Максвелла были абсолютизированы, так что даже такой крупный физик, как Кирхгоф, считал, что в физике не осталось ничего неизвестного и неоткрытого.

Но к концу XIX в. накапливалось все больше необъяснимых несоответствий теории и опыта. Одни были обусловлены недостроенностью электромагнитной картины мира, другие вообще не согласовывались с континуальными представлениями о материи: трудности в объяснении фотоэффекта, линейчатый спектр атомов, теория теплового излучения.

Последовательное применение теории Максвелла к другим движущимся средам приводило к выводам о неабсолютности пространства и времени. Однако убежденность в их абсолютности была так велика, что ученые удивлялись своим выводам, называли их странными и отказывались от них. Именно так поступили Лоренц и Пуанкаре, чьи работы завершают доэйнштейновский период развития физики.

Принимая законы электродинамики в качестве основных законов физической реальности, А. Эйнштейн ввел в электромагнитную картину мира идею относительности пространства и времени и тем самым устранил противоречие между пониманием материи как определенного вида поля и ньютоновскими представлениями о пространстве и времени. Введение в электромагнитную картину мира релятивистских представлений о пространстве и времени открыло новые возможности для ее развития.

Именно так появилась общая теория относительности, ставшая последней крупной теорией, созданной в рамках электромагнитной картины мира. В этой теории, созданной в 1916 г., Эйнштейн впервые дал глубокое объяснение природы тяготения, для чего ввел Понятие об относительности пространства и времени и о кривизне единого четырехмерного пространственно-временного континуума, зависящей от распределения масс.

Но даже создание этой теории уже не могло спасти электромагнитную картину мира. С конца XIX в. обнаруживалось все больше непримиримых противоречий между электромагнитной теорией и фактами. В 1897 г. было открыто явление радиоактивности и установлено, что оно связано с превращением одних химических элементов в другие и сопровождается испусканием альфа- и бета-лучей. На этой основе появились эмпирические модели атома, противоречащие электромагнитной картине мира. А в 1900 г. М. Планк в процессе многочисленных попыток построить теорию излучения был вынужден высказать предположение о прерывности процессов излучения.

СТАНОВЛЕНИЕ СОВРЕМЕННОЙ ФИЗИЧЕСКОЙ КАРТИНЫ МИРА

В начале XX в. возникли два несовместимых представления о материи: 1) или она абсолютно непрерывна; 2) или состоит из дискретных частиц. Физики предпринимали многочисленные попытки совместить две эти точки зрения, но долгое время они оставались безрезультатными. Многим казалось, что физика зашла в тупик, из которого нет выхода.

Это смятение усугубилось, когда в 1913 г. Н. Бор предложил свою модель атома. Он предположил, что электрон, вращающийся вокруг ядра, вопреки законам электродинамики не излучает энергии. Он излучает ее порциями лишь при перескакивании с одной орбиты на другую. И хотя такое предположение казалось странным и непонятным, именно модель атома Бора в значительной степени способствовала формированию новых физических представлений о материи и движении. В 1924 г. Луи де Бройль высказал гипотезу о соответствии каждой частице определенной волны. Иными словами, каждой частице материи присущи и свойство волны (непрерывность), и дискретность (квантовость). Эти представления нашли подтверждение в работах Э. Шредингера и В. Гейзенберга 1925 -1927 гг., а вскоре М. Борн показал тождественность волновой механики Шредингера и квантовой механики Гейзенберга.

Так сложились новые, квантово-полевые представления о материи, которые определяются как корпускулярно-волновой дуализм - наличие у каждого элемента материи свойств волны и частицы. Ушли в прошлое и представления о неизменности материи. Одной из основных особенностей элементарных частиц является их универсальная взаимозависимость и взаимопревращаемость. В современной физике основным материальным объектом является квантовое поле, переход его из одного состояния в другое меняет число частиц.

Меняется представление о движении, которое становится лишь частным случаем физического взаимодействия. Известно четыре вида фундаментальных физических взаимодействий: гравитационное, электромагнитное, сильное и слабое. Они описываются на основе принципа близкодействия: взаимодействия передаются соответствующими полями от точки к точке, скорость передачи взаимодействия всегда конечна и не может превышать скорости света в вакууме (300 000 км/с).

Окончательно утверждаются представления об относительности пространства и времени, зависимость их от материи. Пространство и время перестают быть независимыми друг от друга и, согласно теории относительности, сливаются в едином четырехмерном пространственно-временном континууме.

Спецификой квантово-полевых представлений о закономерности и причинности является то, что они выступают в вероятностной форме, в виде так называемых статистических законов. Они соответствуют более глубокому уровню познания природных закономерностей.

Квантово-полевая картина мира впервые включает в себя наблюдателя, от присутствия которого зависит получаемая картина мира. Более того, сегодня считается, что наш мир таков, как он есть, только благодаря существованию человека, появление которого стало закономерным результатом эволюции Вселенной.

Квантово-полевая, квантово-релятивистская картина мира и в настоящее время находится в состоянии становления, и с каждым годом к ней добавляются новые элементы, выдвигаются новые гипотезы, создаются и развиваются новые теории.

Подробнее о проблемах, стоящих перед физической наукой, строящей картину мира, о содержании ее мы поговорим ниже.

План семинарского занятия (2 часа)

1. Понятие физической картины мира.

2. Механическая картина мира, ее основное содержание.

3. Электромагнитная картина мира.

4. Становление современной физической картины мира.

Темы докладов и рефератов

1. В.Гейэенберг о связи физики и философии.

2. Современная физика и восточный мистицизм.

ЛИТЕРАТУРА

1. Ахиезер А.И., Рекало М.П. Современная физическая картина мира. М., 1980.

2. Гейзенберг В. Физика и философия. Часть и целое. М., 1989.

3. Гудков Н.А. Идея «великого синтеза» в физике. Киев, 1990.

4. Единство физики. Новосибирск, 1993.

5. Капра Ф. Дао физики. СПб., 1994.

6. Пахомов Б.Я. Становление физической картины мира. М., 1985,

ТЕМА 9 СТРУКТУРНЫЕ УРОВНИ ОРГАНИЗАЦИИ МАТЕРИИ

СТРУКТУРНОСТЬ И СИСТЕМНОСТЬ МАТЕРИИ

Важнейшими атрибутами материи являются структурность и системность. Они выражают упорядоченность существования материи и те конкретные формы, в которых она проявляется. Под структурой материи обычно понимается ее строение в микромире, существование в виде молекул, атомов, элементарных частиц и т.д. Это связано с тем, что человек, являясь макроскопическим существом, привык к соответствующим масштабам, поэтому понятие строения материи ассоциируется, как правило, с микрообъектами. Но если рассматривать материю в целом, то понятие структуры материи будет охватывать также различные макроскопические тела, все космические системы мегамира. С этой точки зрения структура материи проявляется в существовании бесконечного многообразия целостных систем, тесно связанных между собой. Из всего многообразия форм объективной реальности (то есть материи), эмпирически доступной для наблюдения является конечная область материального мира, которая простирается от 10^-15см до 10²⁸см (около 20 млрд. световых лет), а во времени - до 2-10¹⁰ лет. В этих доступных нам масштабах структурность материи проявляется в ее системной организации, существовании в виде множества иерархически взаимосвязанных систем:

Метагалактика, отдельная галактика, звездная система, планета, отдельные тела, молекулы, атомы, элементарные частицы.

Наряду со структурностью неотъемлемым свойством материи является ее системность. Система - это внутренне (или внешне) упорядоченное множество взаимосвязанных элементов, определенная целостность, проявляющая себя как нечто единое по отношению к другим объектам или внешним условиям. Во всех целостных системах связь между элементами является более устойчивой, упорядоченной и внутренне необходимой, чем связь каждого из элементов с окружающей средой. В неживой природе множество объектов будет целостной системой только в том случае, если энергия связи между ними больше их суммарной кинетической энергии совместно с энергией внешних воздействий, направленных на разрушение системы. В противном случае система не возникнет или распадется. Энергия внутренних связей - это общая энергия, которую нужно было бы приложить последовательно к каждому из элементов, чтобы удалить его из системы на большое расстояние, то есть «растащить» систему. Поскольку эта энергия не возникает из ничего, стабильность и целостность систем оказывается косвенно обусловленной действием закона сохранения энергии.

Внутренняя энергия связи может иметь различное значение в зависимости от характера сил, объединяющих тела в системы. С переходом от космических систем к макроскопическим телам, молекулам и атомам к гравитационным силам добавляются электромагнитные, намного более мощные, чем первые. В атомных ядрах действуют еще более мощные ядерные силы. Чем меньше размеры материальных систем, тем более прочно связаны между собой их элементы. При переходе к элементарным частицам энергия внутренних связей возрастает еще больше и оказывается сопоставимой с их собственной энергией .

Именно на уровне микромира физика ищет сегодня ответы на вопросы, из чего состоит материя? Есть ли конечный предел делимости материи? - вопросы, издавна волновавшие человечество.

Долгое время атом считался конечным пределом делимости материи, а также тем элементарным «кирпичиком» вещества, из которого сложены все предметы и явления нашего мира. Но уже к началу XX в. выяснилось, что это не так. Был открыт электрон, а затем и другие элементарные частицы, число которых постоянно возрастает и на сегодняшний день превысило 300 разновидностей. У большинства элементарных частиц есть античастицы, отличающиеся противоположными знаками электрического заряда и магнитного момента: для электронов - позитроны, для протона - антипротон, для нейтрона - антинейтрон и т.д. Все другие свойства античастиц аналогичны свойствам обычных частиц. Из них могут образовываться устойчивые атомные ядра, атомы, молекулы и антивещество, подчиняющееся тем же законам движения, что и обычное вещество. При соприкосновении вещества с антивеществом происходит процесс аннигиляции - превращения частиц и античастиц в фотоны и мезоны больших энергий.

В рамках данного пособия мы не имеем возможности более подробно рассмотреть вопрос об элементарных частицах. Однако мы можем констатировать, что современная физика довольно неплохо изучила процессы, протекающие в микромире, систематизировав эти знания и представив их в таких теориях, как квантовая механика, квантовая электродинамика, квантовая хромодинамика. Об основах этих теорий, отражающих современный уровень знаний о строении материи, и необходимо поговорить.

ПОЛЕ И ВЕЩЕСТВО

В литературе часто основные формы материи подразделяют на ноле и вещество. Такое деление имеет некоторый смысл, но оно ограничено. Под веществом имеют в виду различные частицы и тела, которым присуща масса покоя, тогда как поля и их кванты массы покоя не имеют, хотя обладают энергией, импульсом и множеством других свойств. Но поле и вещество нельзя противопоставлять друг другу. Если рассматривать структуру вещества, то во всех системах внутреннее пространство будет «занято» полями, на долю собственно частиц приходится ничтожная часть общего объема системы (примерно Ю"³⁶ -10 ""объема), то есть поля входят в структуру вещества. В свою очередь, квантами полей выступают частицы, относящиеся к веществу. В этой неразрывной взаимосвязи частиц и полей можно видеть одно из важнейших проявлений единства прерывности и непрерывности в структуре материи.

Частицы обладают относительной прерывностью и локализованностью в пространстве, тогда как поля непрерывно распределены в нем. При этом поля не являются абсолютно континуальными средами. При излучении и поглощении они проявляются относительно дискретно - в виде квантов: фотонов, мезонов и др. Кванты полей взаимодействуют с частицами вещества как дискретные образования. Частицы вещества также нельзя представлять в виде каких-то микроскопических шариков с абсолютно резкими гранями. Частицы неотделимы от полей, и не существует абсолютно резкой границы, где кончается собственно частица и начинается ее внешнее поле. В пограничной области существует непрерывный взаимопереход полей и частиц.

Характеризуя единство прерывного и непрерывного в структуре материи, следует также упомянуть единство корпускулярных и волновых свойств всех частиц вещества. Обладая относительной дискретностью, микрообъекты при взаимодействиях и движений могут проявлять волновые свойства, способность к дифракции и интерференции, они характеризуются длиной волны, обратно пропорциональной их массе и скорости где h - постоянная Планка, одна из двух универсальных физических констант (вторая - скорость света в вакууме). Это соотношение устанавливает взаимосвязь корпускулярного параметра частицы - массы - с волновым параметром этой же частицы - длиной волны.

Как поле, так и вещество обладают определенными физическими параметрами. Под полем в физике понимают специфическую форму распределения материи в пространстве и времени: в каждой точке пространства-времени существует определенное числовое значение параметра, характеризующего эту материю. Например, движущееся поле (волна) описывается длиной волны, фазой, амплитудой и их изменениями во времени и пространстве. Другая ипостась материи - частицы - характеризуются иным набором параметров: спин, заряд, масса покоя, время жизни и ряд квантовых чисел.

Важнейшей характеристикой частицы служит спин, собственный момент количества движения. В классической механике такая величина характеризует вращение тела, например, волчка. Но буквальный перенос этого понятия на микрочастицу теряет смысл, поскольку элементарные частицы невозможно представить вращающимися крохотными волчками. В физике спин интерпретируется как внутренняя степень свободы частицы, обеспечивающая ей дополнительное физическое состояние. В отличие от классического момента количества движения, который может принимать любые значения в их непрерывной последовательности, спин принимает только положительные дискретные значения, пропорциональные постоянной Планка. Коэффициент пропорциональности называется спиновым квантовым числом, у одних частиц он имеет целочисленные значения (О, 1, 2...), а у других - полуцелые значения (1/2,3/2...).

Свойства и поведение частиц существенно зависят от того, целое или полуцелое значение имеет их спин. Исходя из этого значения, можно систематизировать и классифицировать данные об элементарных частицах.

КЛАССИФИКАЦИЯ ЭЛЕМЕНТАРНЫХ ЧАСТИЦ

Исходя из значения спина, все элементарные частицы можно разделить на две группы. Частицы с полуцелым спином называются фермионами (в честь известного физика Ферми). Все эти частицы обладают свойством, имеющим характер закона -частицы с полуцелым спином могут находиться вместе лишь при условии, что их физические состояния (то есть вся совокупность характеризующих частицу параметров) не одинаковы. Этот закон в квантовой механике называется запретом Паули. Частицы с целочисленным спином называются бозонами (в честь другого крупного физика - Бозе). На них запрет Паули не распространяется, и они могут находиться вместе в любом количестве.

Такое разделение частиц на две группы имеет далеко идущие последствия. Так, поля фермионов всегда остаются квантованными, и в классическом пределе они переходят в частицы. Например, мы знаем, что электрон, являющийся фермионом (его спин = 1/2), в классическом пределе выступает как истинная частица, хотя и обладает волновыми свойствами. То же относится к протону, нейтрону и всем другим частицам-фермионам. Поля же бозонов в пределе переходят в классические поля. Так, один из представителей бозонных частиц - фотон (его спин = 1) - в пределе становится классическим электромагнитным полем (свет, радиоволны). Существование фермионов и бозонов создает важнейшую предпосылку для проявлений привычного нашего макромира, состоящего из атомного вещества (фермионы) и излучений (бозоны).

Зная, что все элементарные частицы являются либо бозонами, либо фермионами, можно попытаться ответить на вопрос об элементарных «кирпичиках» материи, давно волновавший человечество. Сегодня в микромире выделяют четыре уровня вещества: молекулярный, атомный, нуклонный (уровень атомного ядра и составляющих его частиц) и кварковый. Но уже обсуждается возможный облик пятого (суперструнного) уровня. Каждый вновь открываемый уровень качественно отличается от ранее известных, его характеризуют иные свойства и иные законы поведения соответствующих частиц. Поиск самых простых частиц вещества привел исследователей к пониманию того, что абсолютной элементарности не существует, что частица любого уровня сложна в своей сущности и в своих проявлениях, она неотделима от других физических реальностей, в числе которых особая роль принадлежит фону - физическому вакууму. Условно же принято считать элементарными те частицы, у которых сегодня не обнаружена внутренняя структура, а их размеры недоступны измерению (они меньше, чем 10^-15см).

Известны три класса таких частиц: лептоны, кварки и бозоны. Лептоны и кварки относятся к фермионам.

Класс лептонов состоит из шести частиц и шести античастиц (электрон, мюон, тау-лептон и три вида нейтрино). Лептоны играют важную роль в структуре мира. Особенно велико значение электрона и нейтрино. Но лептоны не участвуют в образовании ядерных частиц - нуклонов, и в процессах, называемых сильным взаимодействием.

Класс кварков, как и класс лептонов, содержит шесть частиц и столько же античастиц. Физики назвали каждый тип кварков ароматом. Этот термин, ассоциирующийся с обонянием, на самом деле обозначает квантовое число, приписываемое частицам данного типа. Ароматы обозначаются первыми буквами английских слов, принятых в качестве их названия: up, down, strange, charmed, beauty, truth. Кварки - электрически заряженные частицы. Но их заряды имеют дробные значения по отношению к заряду электрона, условно принимаемого за 1, и равны '/з или ²/з с плюсом или минусом. Экспериментальные поиски дробного заряда оказались безуспешными, хотя точность измерений была доведена до исключительно высоких значений. Очевидно, существование в природе дробного электрического заряда возможно при условии, что такие заряды вместе со своими частицами-носителями образуют связанные объединения, в которых суммарный электрический заряд равен либо 0, либо ± 1.

Также не удалось обнаружить ни один кварк в свободном состоянии, хотя эксперименты на ускорителях дают убедительные косвенные доказательства их реального существования в связанном состоянии. Кварки и антикварки группируются либо по две, либо по три частицы, образуя составные частицы, названные адронами. Кварки существуют только в таких составных частицах, вне их в современных условиях они существовать не могут, и это - принципиальное свойство вещества на данном микроуровне.

Составленные из-кварков адроны подразделяются на три группы. Первая - барионы - образуется комбинациями трех кварков. Эта группа включает протон и нейтрон - фундаментальную основу атомных ядер. Вторую группу образуют частицы, получаемые путем сочетания кварка и антикварка. Они называются мезонами. Еще одна группа содержит частицы, образуемые сочетаниями трех антикварков. В нее попадают антипротон и антинейтрон, то есть то, что составляет основу антивещества. Вышеперечисленные частицы-адроны составляют лишь небольшую часть всех образующихся из кварков частиц. Большую часть их составляют так называемые резонансы - неустойчивые короткоживущие частицы, быстро распадающиеся на стабильные частицы.

В описанной стройной схеме обнаруживается принципиальный дефект. Кварки, будучи фермионами, должны подчиняться запрету Паули и не могут соединяться вместе, если их состояния одинаковы. А в барионных и антибарионных частицах кварки одного аромата часто оказываются вместе. Например, протон образуется комбинацией кварков, записываемой так: uud, нейтрон - udd. Казалось бы, нарушается запрет Паули. Для устранения этого противоречия ввели предположение, что кварки одного аромата не идентичны, что они различаются характером взаимодействия друг с другом и поэтому для их описания ввели еще одно квантовое число. С присущим физикам своеобразным чувством юмора его назвали «цветом». Как «аромат» не имеет отношения к запаху, так и «цвет» не имеет ничего общего с общепринятым смыслом этого слова. Введение нового квантового числа оказалось удачным, недавние эксперименты на ускорителях подтвердили, что разделение кварков одного аромата на три цвета - красный, зеленый, синий - отражает действительность.

При объединении кварков и антикварков в адроны должны выполняться два условия: суммарный электрический заряд кварков в адроне должен быть целочисленным; кварки, соединяющиеся в адрон, должны полностью компенсировать свои цветовые заряды и удовлетворять признаку бесцветности. Это связано с тем, что только кварки проявляют способность к сильному взаимодействию, связанному с цветовыми силами. Адроны таких способностей не имеют в силу своей бесцветности (конфаймент).

Таковы основы современных представлений о строении материи на микроуровне.

План семинарского занятия (2 часа)

1. Структурность и системность как атрибуты материи.

2. Поле и вещество.

3. Классификация элементарных частиц.

Темы докладов и рефератов

1. История открытия основных элементарных частиц.

ЛИТЕРАТУРА

1. Ахиезер А.И., Рекало М.П. Современная физическая картина мира. М., 1980.

2. Вайнберг С. Открытие субатомных частиц. М., 1986.

3. Готт B.C., Сидоров В.Г. Философия и прогресс физики. М., 1986.

4. Денис П. Суперсила. М„ 1989.

5. Ровинский Р.Е. Развивающаяся Вселенная. М., 1995.

6. Философские проблемы естествознания. М., 1985

7. Чолпан П.Ф. Курс физики: Методологические и философские вопросы. Киев, 1990.