Классическое описание, основанное на законах Ньютона и электродинамике Максвелла, приближенно отражает закономер-ности реальных явлений, применимо при определенных огра-ничениях и являет частные случаи более общих законов Природы.
Современный подход к построению единой теории основы-вается на двух фундаментальных устоях:
* теории относительно-сти
* квантовой механики.
Внутренняя цветовая симметрия, проявляющаяся в законах сохранения, лежит в основе динами-ческой теории взаимодействия кварков, открытых в 1979 г.: по-левая форма материи возникает только при высоких энергиях взаимодействующих частиц (теория цветовых сил).
Но и эти фундаментальные теории не дают универсальных зако-нов. Поэтому в настоящее время формулируются только прин-ципы подхода к установлению всеобщих законов Природы.
Анализируя роль принципов инвариантности, Ю. Вигнер ис-пользовал теорию групп и выделил ряд этапов в познании При-роды:
-- в хаосе замечается ряд фактических эмпирических зако-номерностей;
-- при выделении свойств природных явлений и их анализе выводятся математические формулировки законов Природы;
-- синтез законов выстраивает ряд принципов, позволяющих перейти к новым утверждениям, предсказывающим иные физи-ческие явления и процессы;
-- анализируются сами принципы и границы (условия) их выполнения.
Для описания поведения микрочастиц в 20-е годы нашего столетия началась разработка квантовой теории. Впервые на такую необходимость указал В. Гейзенберг в 1927 г., когда сфор-мулировал принцип, ограничивший возможности классическо-го описания поведения микрочастиц.
Принцип неопределенностей (Гейзенберг)
В классической механике можно определить положение и импульс движущейся точки на ее траектории в любой последо-вательный момент времени, если известны силы, действующие на нее.
Микрочастица, обладая и волновыми свойствами, является как бы протяженным объектом и не может одновременно иметь определенную координату и импульс, то есть нельзя утверж-дать, что микрочастица занимает определенное положение, и обладает определенным импульсом. Это особенность поведе-ния микрочастицы. Иными словами, невозможно предсказать поведение каждого атома (как состоящего из этих частиц), а можно вычислить лишь среднее значение экспериментально наблюдаемых величин.
Этот принцип является фундаментальным, определяющим границы применимости классических представлений при опи-сании свойств микромира.
Принцип дополнительности (Бор)
Характеризует двойственность свойств Природы, противо-речивость которых только кажущаяся, а неопределенность ог-раничена лишь возможностями измерительных приборов или методов подхода (см. принцип Гейзенберга) фактически эти па-раметры лишь дополняют друг друга. Как-то: дуализм и нео-пределимость параметров элементарных частиц в физике; целостность и делимость живой природы в биологии; преем-ственность даже отвергнутых концепций в науке и т. д.
На сегодняшний день формирование квантовой и иных уни-версальных теорий не завершено, поэтому укажем лишь основ-ные, отправные ее принципы.
Принцип эквивалентности (Эйнштейна)
Поле сил инерции оказывает на все физические процессы такое же влияние, как и поле тяготения подобной структуры. Таким образом определяется равенство ускорения всех тел в одном и том же гравитационном поле, то есть эффекты тяго-тения и инерции до известной степени эквивалентности.
Принцип относительности (Эйнштейна)
Этот принцип справедлив и в оптике, и электродинамике, и других разделах физики и звучит так: любой процесс протекает одинаково в изолированной материальной системе, равномер-но прямолинейно движущейся, или законы физики имеют оди-наковую форму во всех инерционных системах отсчета. Все системы отсчета были признаны равнозначными, и принцип относительности стал универсальным.
Принцип запрета (Паули)
В данном квантовом состоянии, может, находится только один электрон. Это логически вытекает из модели атома, пред-ложенной Бором: вокруг ядра электроны находятся на кольце-вых орбитах, а положение орбиты зависит от энергетического состояния электрона. На одном кольце может быть не более двух электронов с противо спинами, то есть с таким зарядовым чис-лом они взаимодействуют с окружающим магнитным полем.
Этот принцип позволил не только обосновать периодичес-кую систему элементов, но и объяснить насыщаемость элект-ронных оболочек, свойства пара- и диамагнетиков, квантовую химию и др.; построить современную теорию элементарных ча-стиц и квантовую теорию поля. А на базе квантовой механики затем создали целый ряд современных технологий.
Принцип соответствия
Электроны в атомах движутся по законам, отличным от законов классической механики и электродинамики, но в предельном случае они идентичны.
Вариационный принцип
Устанавливает связь между свойствами пространства-времени и законами сохранения.
Принцип инвариантности
Смещение во времени и в пространстве не влияет на протекание физических процессов. Здесь речь о переносах начала координат и начале отсчета времени.
Принцип суперпозиции
Этот принцип фиксирует независимость полей взаимо-действия при их наложении. Так, если в данную точку прихо-дят две волны одинаковой частоты, то результирующее поле равно их геометрической сумме.
Принцип положительной обратной связи
Неравномерность и неустойчивость, возникающая в от-крытой системе, вследствие взаимодействия системы со средой со временем не ликвидируется, а наоборот, усили-вается. Это приводит, в конечном счете, к разрушению пре-жних симметрии и, как следствие, к возникновению новой структуры.
Принцип корреляций (Кювье)
Ни одна часть организма (системы) не может меняться без соответствующего изменения других частей.
Подтверждение основных принципов является главной за-дачей экспериментальных и теоретических исследований в об-ласти элементарных частиц. Порядок в их многообразии стал наводиться после открытия новых данных и новых типов сим-метрии, а также математического анализа на основе теории групп.
Элементарные частицы -- основа мироздания, но путь от частных теорий до всеобщей еще достаточно протяжен.
Из классических теорий наиболее близки к фундаменталь-ным описывающие законы сохранения Ньютона, Майера, Джо-уля, Гельмгольца, Фарадея, Пастера.
Однако законы сохранения, к примеру электрического заря-да, носят совсем иную природу, чем законы сохранения энергии, импульса или момента импульса. Так, закон сохранения энергии есть прямое следствие "однородности" времени (законы При-роды не меняются со временем). Из однородности простран-ства (независимость законов Природы относительно переноса начала координат) следует закон сохранения импульса. Нако-нец, из однородности пространства (повороты системы отсче-та) следует закон сохранения момента импульса .
При обобщении экспериментальных данных было установ-лено, что, кроме закона сохранения электрического заряда, мож-но ввести законы сохранения для новых квантовых чисел. В первую очередь они должны проявиться в реакциях взаимодей-ствующих частиц.
Общие законы Природы должны описываться уравнениями, справедливыми во всех системах координат -- принцип общей ковариантности, то есть эти уравнения не меняют своей формы со сменой системы координат (если даже одна движется с уско-рением по отношению к другой).
Наиболее фундаментальной областью исследований являет-ся область, связанная со структурой материи и выяснения зако-нов взаимодействия составляющих ее частиц.
2. ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ «ЭЛЕМЕНТАРНОСТЬ», «ПРОСТОЕ-СЛОЖНОЕ», «ДЕЛЕНИЕ».
Утверждение «система состоит из элементов» всегда озна-чало, что эта система представляет собой объект, состоя-щий из частей, меньших по величине или по массе, но со-храняющих внутри этой системы определенную индивидуаль-ность, самостоятельность (конечно, ограниченную взаимо-действием этих частей в рамках включающей их большей си-стемы). К субъядерным частицам такое понимание неприме-нимо. Здесь следует говорить не о том, что одни частицы со-стоят из других, а о том, что они способны превращаться друг в друга, порождать друг друга в различных процессах взаимо-действия. Протон, например, можно получить в результате стол-кновения нейтрона и я (пи)-мезона или X (лямбда)-гиперона и К-мезона, но это не значит, что в структуру всех этих частиц входит протон, что они «состоят из» протонов.
Даже в тех случаях, когда происходит распад частицы, нельзя говорить, что конечные частицы более элементарны, чем рас-павшаяся, что конечные частицы входили в состав исходной. Это было бы верно, если бы энергия связи (так называемый дефект массы) была значительно меньше масс участвующих в реакции частиц, а частицы-компоненты не теряли бы своей индивидуальности внутри образуемого ими целого. В случае субъядерных частиц дефект массы всегда оказывается больше массы одной или даже нескольких частиц-компонент, а при квантовых (так называемых виртуальных) распадах значитель-но превосходит массу исходной, «материнской» частицы. Так, масса виртуальных частиц, образующихся при диссоциации п-мезона на пару протон+нейтрон, более чем на порядок превышает массу самого п -мезона. В этом отношении п- мезон ради-кально отличается, например, от дейтрона (ядра атома тяже-лого водорода), дефект масс которого составляет всего лишь около 0,001 его массы; поэтому дейтрон действительно можно считать состоящим из протона и нейтрона, потому что они оста-ются такими же, как и в свободном состоянии. А вот частицы- компоненты внутри п -мезона почти «растворяются» в энергии их взаимодействия.
Поскольку субъядерные микрочастицы не делятся на прос-тейшие в обычном геометрическом смысле, они должны счи-таться действительно элементарными частицами. Но вместе с тем они обладают пространственной протяженностью и свое-образной внутренней структурой. Поэтому нельзя абсолютизи-ровать, преувеличивать элементарность микрочастиц. Образ пространственно-структурной и в то же время элементарной по своим свойствам частицы стал фактически общепринятым после экспериментального обнаружения в середине 50-х годов XX в. американским физиком-экспериментатором Р. Хофштадтером пространственной «размазки» электрического заряда и магнит-ного момента протона.
Свободная, невзаимодействующая микрочастица -- это всего лишь математическая абстракция. Реальные физические час-тицы всегда взаимодействуют с вакуумными полями, испус-кая и поглощая виртуальные частицы. Вследствие этого вокруг каждой частицы образуется «облако» виртуальных частиц. И чем меньше масса испускаемых частиц, тем больше размеры образуемого ими «облака*. Продолжительность отдельных ак-тов виртуальной диссоциации частицы (ее «миганий») очень мала: при испускании п -мезонов она около 5 * 10 ?24 с, а для других частиц -- еще меньше.
Но благодаря многократным их повторениям возникает постоянная, усредненная структура -- «размазка» электрического заряда, магнитного момента, мас-сы, которая становится все более плотной к центру частицы. В этом смысле говорят, что элементарная частица состоит из плотного центрального ядра -- керна и рыхлой периферичес-кой оболочки. Но в отличие от атома, где пространственные размеры отдельных частей -- ядра и электронной оболочки -- различаются на 5 порядков (10?13 и 10?8 см), в нуклонах отсут-ствуют резко обособленные детали, пространственные части структуры здесь почти непрерывно переходят друг в др
3. МНОГООБРАЗИЕ И ЕДИНСТВО ЭЛЕМЕНТАРНЫХ ЧАСТИЦ. ПРОБЛЕМА ИХ КЛАССИФИКАЦИИ.
Сейчас известно примерно 400 элементарных частиц. Не-которые из них «живут» очень короткое время, быстро превращаясь в другие частицы, успевая за время своего существова-ния пролетать расстояния, равные радиусу атомного ядра (10?12-- 10?13 см). Минимальное время, доступное экспериментально-му измерению, характеризуется величиной примерно 10?26 с. Некоторые элементарные частицы оказались неожиданно тя-желыми -- даже тяжелее отдельных атомов.
Современные физики уделяют много внимания системати-зации элементарных частиц, раскрытию внутреннего единства как между ними, так и между соответствующими им фунда-ментальными видами взаимодействия -- сильным, слабым, электромагнитным и гравитационным.
Интенсивность слабого взаимодействия на 10-11 порядков (в 1010--10 ?? раз) меньше интенсивности ядерных сил. Поэтому его и назвали слабым, радиус его действия менее 10?15 см. Электромагнитное же взаимодействие на расстояниях, соизме-римых с радиусом действия ядерных сил, слабее их лишь в 102-103 раз. Самым же слабым на этих расстояниях оказывается гра-витационное взаимодействие, интенсивность которого на мно-го порядков ниже слабого взаимодействия.
Даже слабое взаимодействие на порядок превышает гравитационное взаимодействие. А сила кулоновского, элект-рического отталкивания двух электронов в 1042 раз больше ве-личины их гравитационного притяжения. Если представить, что электромагнитные силы, «притягивающие» электроны к атомному ядру, ослабеют до уровня гравитационных, то атом водорода стал бы больше видимой нами части Вселенной. Гра-витационные силы при уменьшении расстояний возрастают очень медленно. Преобладающими они становятся лишь в фан-тастически малых интервалах меньше 10?32 см, которые оста-ются пока еще недоступными для экспериментального иссле-дования. С помощью эксперимента сейчас удается «просмат-ривать» расстояния, близкие к 10?16 см.
Указанные четыре вида фундаментальных (лежащих в самом фундаменте материи) взаимодействий осуществляются путем обмена соответствующими частицами, служащими своеобраз-ными переносчиками этих взаимодействий. От массы частиц зависит радиус действия сил. Электромагнитное взаимодей-ствие переносят фотоны (масса покоя равна нулю), гравитаци-онное -- гравитоны (пока гипотетические, экспериментально не установленные частицы, масса которых тоже должна быть нулевой). Эти два взаимодействия, переносимые безмассовы-ми частицами, имеют большой, возможно бесконечный ради-ус действия. Причем только гравитационное взаимодействие порождает притяжение между одинаковыми частицами, осталь-ные три вида взаимодействий обусловливают отталкивание од-ноименных частиц. Переносчиками сильного взаимодействия, связывающего протоны и нейтроны в атомных ядрах, являются глюоны. Это взаимодействие свойственно тяжелым частицам, получившим название адронов. Слабое взаимодействие пере-носят векторные бозоны. Это взаимодействие свойственно лег-ким частицам -- лептонам (электронам, позитронам и т.п.).
Таблица 1. Основные свойства элементарных частиц
ЗАКЛЮЧЕНИЕ:
Многообразие микромира предполагает его единство через взаимопревращаемость частиц и полей.
Особенно важно пре-вращение «пары» -- частицы и античастицы -- в частицы дру-гого «сорта». Первым было открыто превращение электрона и позитрона в кванты электромагнитного поля -- фотоны и об-ратный процесс «порождения» пар из фотонов, обладающих достаточно большой энергией.
В настоящее время разработка проблемы систематизации элементарных частиц связана с идеей существования кварков - частиц с дробным электрическим зарядом. Сейчас их счита-ют «самыми элементарными» в том смысле, что из них могут быть «построены» все сильно взаимодействующие частицы -адроны. С позиции теории кварков уровень элементарных час-тиц -- это область объектов, состоящих из кварков и антиквар-ков. При этом, хотя последние и считаются на данном уровне познания простейшими, самыми элементарными из известных частиц, сами они обладают сложными свойствами -- зарядом, «очарованием» («шармом»), «цветом» и другими необычными квантово-физическими свойствами. Как в химии не обойтись без понятий «атом» и «молекула», так и физика элементарных частиц не может обойтись без понятия «кварк».
Таким образом, список адронов -- тяжелых частиц, характе-ризующихся сильным взаимодействием -- состоит из трех час-тицам: кварка, антикварка и связывающего их глюона. Наряду с ними существуют около десяти легких частиц - лептонов (электроны, позитроны, нейтрино и т.п.), -- которым соответ-ствует слабое взаимодействие. Известен также фотон -- носитель электромагнитного взаимодействия. И по-прежнему ги-потетическим, лишь теоретически предсказываемым, остается гравитон, с которым связывается гравитационное взаимодей-ствие. О внутренней структуре лептонов, фотона и гравитона пока ничего не известно. Сейчас уже существует более или менее конкретная идея синтеза, взаимосвязи слабого, сильно-го и электромагнитного видов взаимодействия. Обнаруживает-ся возможность объяснения их взаимосвязи и с гравитацион-ным взаимодействием.
Все это свидетельствует о постепенной реализации в действительность принципиально ничем не огра-ниченной возможности теоретического мышления в познании единства мира, остающегося в рамках единства бесконечно многообразным в своих проявлениях.
ЛИТЕРАТУРА:
1. Горелов А.А. Концепции современного естествознания. - М.: Центр, 1997.
2. Жигалов Ю.И. Концепции современного естествознания : Учебник для вузов.- 2-е изд. - М., 2002
3. Идеи и наш мир: Великие концепции прошлого и настоящего / Под ред. Р. Стюарта. - М.: ББМ АО, ТЕРРА - книжный клуб, 1998.
4. Карпенков С.Х. Концепции современного естествознания: Учебник для вузов. - М.: Культура и спорт, ЮНИТИ, 1997.
5. Мостепаненко А. М. Методологические и философические проблемы совеменной физики. -- ЛГУ, 1997.
6. Солопов Е.Ф. Концепции современного естествознания: Учеб. пособие для вузов. - М.: Гуманит. изд. центр ВЛАДОС, 1998.
Страницы: 1, 2
