Два фундаментальных принципа квантовой физики — принцип соотношения неопределенностей и принцип дополнительности — указывают на то, что наука отказывается от описания только динамических закономерностей. Законы квантовой физики — статистические. Как пишет В.Гейзенберг, «в экспериментах с атомными процессами мы имеем дело с вещами и фактами, которые столь же реальны, сколь реальны любые явления повседневной жизни. Но атомы или элементарные частицы реальны не в такой степени. Они образуют скорее мир тенденций или возможностей, чем мир вещей и фактов». В дальнейшем квантовая теория стала базой для ядерной физики, а в 1928г. П.Дирак заложил основы релятивистской квантовой механики.

4. Современные представления об элементарных частицах. Структура микромира

Структурность и системность наряду с пространством, временем, движением являются неотъемлемыми свойствами материи. Современное миропонимание предполагает упорядоченность и организованность мира, а проблема самоорганизации бытия является одной из самых важных в науке и философии. Бытие представляет собой сложноорганизованную иерархию систем, все элементы которой находятся в закономерной связи друг с другом, кажущаяся неоформленность изменений в каком-то одном отношении оказывается упорядоченностью в другом. Именно это обстоятельство выражается в понятии системности.

Понятия «система» существует несколько десятков определений, однако классическим признано определение, данное основоположником теории систем Л.Берталанфи: система - это комплекс взаимодействующих элементов. Ключевым понятием в этом определении является понятие «элемент». Под элементом понимается - неразложимый компонент системы при определенном, заданном способе ее рассмотрения. Если меняется угол зрения, то явления или события, рассматриваемые в качестве элемента системы, сами могут становиться системами. Например, элементами системы «газ» выступают молекулы газа. Однако сами молекулы в свою очередь могут рассматриваться в качестве систем, элементами которых являются атомы.

Атом - тоже система, однако принципиально другого уровня, чем газ и т.д. Элементами системы признаются только те предметы, явления или процессы, которые участвуют в формировании ее свойств. Комплекс элементов системы может складываться в подсистемы разного уровня, которые выполняют частные программы и представляют собой промежуточные звенья между элементами и системой.

По характеру связей между элементами все системы делятся на суммативные и целостные. В суммативных системах связь между элементами выражена слабо, они автономны по отношению друг к другу и системе в целом. Качество такого образования равно сумме качеств составляющих его элементов. Примерами суммативной системы являются груда камней, куча песка и т.п. Несмотря на высокую степень автономности элементов, образования, аналогичные груде камней, все же рассматриваются как системы, поскольку могут сохранять устойчивость длительное время и существовать в качестве самостоятельных совокупностей. Кроме того, существует предел количественных изменений таких систем, превышение которого приводит к изменению их качества. У суммативных систем есть собственная программа существования, которая выражается в структурности.

В целостных системах четко выражена зависимость их возникновения и функционирования от составляющих элементов и наоборот. Каждый элемент такой системы в своем возникновении, развитии и функционировании зависит от всей целостности, и, в свою очередь, система зависит от каждого из своих элементов. Внутренние связи в целостностях стабильнее внешних, а качество системы не сводится к сумме составляющих ее элементов. Примером целостной системы является живой организм или общество. Под действием определенных факторов суммативные системы могут преобразовываться в целостные и наоборот.

Кроме типологии систем в зависимости от характера связи между элементами системы различают по типу их взаимодействия с окружающей средой. В этом случае выделяют открытые и закрытые (замкнутые) системы. В закрытых системах не происходит обмена энергией и веществом с внешним миром. Такие системы стремятся к равновесному состоянию, максимальная степень которого - неупорядоченность и хаос. Открытые системы, напротив, обмениваются энергией и веществом с внешним миром. В таких системах при определенных условиях из хаоса могут самопроизвольно возникать новые упорядоченные структуры, а система в целом повышает уровень своей структурной организации.

Структурность выражается в упорядоченности существования материи и ее конкретных форм и предполагает внутреннюю расчлененность материи. Структура определяется как совокупность устойчивых, закономерных связей и отношений между элементами системы, обеспечивающих сохранение ее основных свойств. Современные представления о структурированности Вселенной касаются мега-, макро- и микромира; и Метагалактика, и известный нам макромир, и микрочастица структурированы. Переход от одной области действительности к другой связан с изменением числа факторов, обеспечивающих упорядоченность, и трансформацией самих структур. Единство упорядоченности - системности, и внутренней расчлененности - структурности, определяет существование мира как системы систем: систем объектов, систем свойств или отношений и т.п.

Элементами структуры микромира выступают микрочастицы. На данный момент известно более 350 элементарных частиц, различающихся массой, зарядом, спином, временем жизни и еще рядом физических характеристик.

Время жизни элементарной частицы определяет ее стабильность или нестабильность. По времени жизни частицы делятся на стабильные, квазистабильные и нестабильные. Большинство элементарных частиц нестабильно. Нестабильные частицы живут несколько микросекунд, стабильные не распадаются длительное время. Нестабильные частицы распадаются в результате сильного и слабого взаимодействия. Стабильными частицами считаются фотон, нейтрино, нейтрон, протон и электрон. При этом нейтрон стабилен только в ядре, в свободном состоянии он также распадается. Сейчас высказываются предположения о возможной нестабильности протона. Квазистабильные частицы распадаются в результате электромагнитного и слабого взаимодействия, иначе их называют резонансными. Резонансные частицы были открыты в начале 60-х гг. XXв.. Время жизни резонансов - порядка 10—22 с.

Все многообразие элементарных частиц можно разделить на три группы: частицы, участвующие в сильном взаимодействии - адроны, частицы, не участвующие в сильном взаимодействии - пептоны, и частицы-— переносчики взаимодействий.

Все перечисленные частицы различаются по заряду, массе, спину, времени жизни и другим физическим характеристикам. Однако внутри одного типа элементарные частицы совершенно идентичны, лишены индивидуальности: все электроны тождественны друг другу, все фотоны тождественны друг другу и т.п.

В 1936г. П.Дирак предположил, что каждой частице соответствует античастица, отличающаяся от нее только знаком заряда. В 1936г. был открыт позитрон — античастица электрона, в 1955г. — антипротон, в 1956г. — антинейтрон. Сейчас уже не вызывает сомнения, что каждая частица имеет своего «двойника» — античастицу, совершенно идентичную по всем физическим характеристикам, кроме заряда. В 70-80-е гг. XX века в физике появилось множество теорий антивещества и антиматерии. Наиболее сложной формой антивещества, полученной в лабораторных условиях, являются антиядра трития, гелия. Эксперименты по получению антивещества были выполнены на серпуховском ускорителе в 1970-1974 гг. В 1998г. получены первые атомы антиводорода.

К середине 60-х гг. XX в. число известных адронов превысило сотню. В связи с этим возникла гипотеза, согласно которой наблюдаемые частицы не отражают предельный уровень материи. В 1964г. была создана теория строения адронов, или теория кварков. Ее авторы - физики М.Гелл-Манн и Д.Цвейг. Слово «кварк» позаимствовано М.Гелл-Маном из романа Дж.Джойса «Поминки по Финнегану», герою которого слышались слова о трех кварках. Слово «кварк» не имеет прямого смыслового значения. Кварки — это гипотетические материальные объекты, их экспериментальное наблюдение пока невозможно, однако теоретические положения кварковой гипотезы оказались плодотворными, а теория в целом эвристичной. Кварковая теория позволила систематизировать известные частицы и предсказать существование новых.

Основные положения теории кварков заключаются в следующем. Адроны состоят из более мелких частиц - кварков. Кварки представляют собой истинно элементарные частицы и поэтому бесструктурны. Главная особенность кварков - дробный заряд. Кварки различаются спином, ароматом и цветом. Аромат кварка не имеет никакого отношения к аромату, понимаемому буквально (аромат цветов, духов и т.п.), это его особая физическая характеристика. Для того чтобы учесть все известные адроны, необходимо было предположить существование шести видов кварков, различающихся ароматом: u (uр - верхний), d (down - нижний), s (strange - странный), с (сharm - очарование), b (beauty - прелесть) и t (tор - верхний). Существует устойчивое мнение, что кварков не должно быть больше.

Считается, что каждый кварк имеет один из трех возможных цветов, которые выбраны произвольно: красный, зеленый, синий. Понятно, что цвет кварка не имеет никакого отношения к обычному оптическому цвету в макромире, цвет кварка, как и аромат, - условное название для определенной физической характеристики. Гипотеза о существовании цвета у кварков впервые была высказана в 1965г. независимо Н.Боголюбовым, Б.Струминским, А.Тавхелидзе и М.Ханом, И.Намбу. Впоследствии она получила значительное число экспериментальных подтверждений.

Каждому кварку соответствует антикварк с противоположным цветом (антикрасный, антизеленый и антисиний). Кварки соединяются тройками, образуя барионы (нейтрон, протон), или парами, образуя мезоны. Антикварки, соединяясь тройками, соответственно, образуют антибарионы. Мезон состоит из кварка и антикварка. Суммарный цвет объединившихся кварков или антикварков, независимо от того, объединены три кварка (барионы), три антикварка (антибарионы) или кварк и антикварк (мезоны), должен быть белым или бесцветным. Белый цвет дает сумма красного, зеленого, синего или красного - антикрасного, синего - антисинего и т.п.

Таким образом, можно говорить о цветовой симметрии в микромире. Кварки объединяются между собой благодаря сильному взаимодействию. Переносчиками сильного взаимодействия выступают глюоны, которые как бы «склеивают» кварки между собой. Глюоны также имеют цвета, но в отличие от кварков их цвета смешанные, например красный— антисиний и т.п., т.е. глюон. состоит из цвета и антицвета. Испускание или поглощение глюона меняет цвет кварка, но сохраняет аромат.

Известно восемь типов глюонов. Предполагается, что кварки участвуют также в электромагнитных и слабых взаимодействиях. В электромагнитном взаимодействии кварки не меняют свой цвет и аромат. В слабых взаимодействиях - меняют аромат, но сохраняют цвет. Теория кварков позволяет предложить стройную и гармоничную модель строения атома. Согласно этой модели атом состоит из тяжелого ядра (протоны и нейтроны, связанные глюонными полями) и электронной оболочки. Сейчас теория кварков продолжает развиваться и уточняться, поэтому ее нельзя считать окончательно сформированной.

5. Фундаментальные физические взаимодействия

Способность к взаимодействию - важнейшее и неотъемлемое свойство материи. Именно взаимодействия обеспечивают объединение различных материальных объектов мега-, макро- и микромира в системы. Все известные современной науке силы сводятся к четырем типам взаимодействий, которые называются фундаментальными: гравитационное, электромагнитное, слабое и сильное.

Гравитационное взаимодействие впервые стало объектом изучения физики в XVII веке. Теория гравитации И.Ньютона, основу которой составляет закон всемирного тяготения, стала одной из составляющих классической механики. Закон всемирного тяготения гласит: между двумя телами существует сила притяжения, прямо пропорциональная произведению их масс и обратно пропорциональная квадрату расстояния между ними. Любая материальная частица является источником гравитационного воздействия и испытывает его на себе. По мере увеличения массы гравитационные взаимодействия возрастают, т.е. чем больше масса взаимодействующих веществ, тем сильнее действуют гравитационные силы. Силы гравитации - это силы притяжения.

В последнее время физики высказывают предположение о существовании гравитационного отталкивания, которое действовало в самые первые мгновения существования Вселенной, однако эта идея пока не подтверждена. Гравитационное взаимодействие - наиболее слабое из ныне известных. Гравитационная сила действует на очень больших расстояниях, ее интенсивность с увеличением расстояния убывает, но не исчезает полностью. Считается, что переносчиком гравитационного взаимодействия является гипотетическая частица гравитон. В микромире гравитационное взаимодействие не играет существенной роли, однако в макро- и особенно мегапроцессах ему принадлежит ведущая роль.

Электромагнитное взаимодействие стало предметом изучения в физике XIX в. Первой единой теорией электромагнитного поля выступила концепция Дж.Максвелла. В отличие от гравитационной силы электромагнитные взаимодействия существуют только между заряженными частицами: электрическое поле - между двумя покоящимися заряженными частицами, маг

нитное - между двумя движущимися заряженными частицами. Электромагнитные силы могут быть как силами притяжения, так и силами отталкивания. Одноименно заряженные частицы отталкиваются, разноименно  притягиваются. Переносчиками этого типа взаимодействия являются фотоны. Электромагнитное взаимодействие проявляется в микро-, макро- и мегамире.

В середине XX в. была создана квантовая электродинамика — теория электромагнитного взаимодействия, которая удовлетворяла основным принципам квантовой теории и теории относительности. В 1965г. ее авторы С.Томанага, Р.Фейнман и Дж.Швингер были удостоены Нобелевской премии. Квантовая электродинамика описывает взаимодействие заряженных частиц — электронов и позитронов.

Слабое взаимодействие было открыто только в XX в., в 60-е гг. построена общая теория слабого взаимодействия. Слабое взаимодействие связано с распадом частиц, поэтому его открытие последовало только вслед за открытием радиоактивности. При наблюдении радиоактивного распада частиц обнаружились явления, которые, казалось бы, противоречили закону сохранения энергии. Дело в том, что в процессе распада часть энергии «исчезала». Физик В.Паули предположил, что в процессе радиоактивного распада вещества вместе с электроном выделяется частица, обладающая высокой проникающей способностью. Позже эта частица была названа «нейтрино». Оказалось, что в результате слабых взаимодействий нейтроны, входящие в состав атомного ядра, распадаются на три типа частиц: положительно заряженные протоны, отрицательно заряженные электроны и нейтральные нейтрино. Слабое взаимодействие значительно меньше электромагнитного, но больше гравитационного, и в отличие от них распространяется на небольших расстояниях — не более 10-22 см. Именно поэтому долгое время слабое взаимодействие экспериментально не наблюдалось. Переносчиками слабого взаимодействия являются бозоны.

В 70-е гг. XXв. была создана общая теория электромагнитного и слабого взаимодействия, получившая название теории электрослабого взаимодействия. Ее создатели С.Вайнберг, А.Салам и С.Глэшоу в 1979г. получили Нобелевскую премию. Теория электрослабого взаимодействия рассматривает два типа фундаментальных взаимодействий как проявления единого, более глубокого. Так, на расстояниях более 10-17 см преобладает электромагнитный аспект явлений, на меньших расстояниях в одинаковой степени важны и электромагнитный, и слабый аспекты. Создание рассматриваемой теории означало, что объединенные в классической физике XIX веке, в рамках теории Фарадея—Максвелла электричество, магнетизм и свет, в последней трети XX в. дополнились феноменом слабого взаимодействия.

Сильное взаимодействие также было открыто только в XXв. Оно удерживает протоны в ядре атома, не позволяя им разлететься под действием электромагнитных сил отталкивания. Сильное взаимодействие осуществляется на расстояниях не более чем 10-13 см и отвечает за устойчивость ядер. Ядра элементов, находящихся в конце таблицы Д.И.Менделеева, неустойчивы, поскольку их радиус велик и, соответственно, сильное взаимодействие теряет свою интенсивность. Такие ядра подвержены распаду, который и называется радиоактивным. Сильное взаимодействие ответственно за образование атомных ядер, в нем участвуют только тяжелые частицы: протоны и нейтроны. Ядерные взаимодействия не зависят от заряда частиц, переносчиками этого типа взаимодействий являются глюоны. Глюоны объединены в глюонное поле (по аналогии с электромагнитным), благодаря которому и осуществляется сильное взаимодействие. По своей мощи сильное взаимодействие превосходит другие известные и является источником огромной энергии. Примером сильного взаимодействия выступают термоядерные реакции на Солнце и других звездах. Принцип сильного взаимодействия использован при создании водородного оружия.

Теорию сильного взаимодействия называют квантовой хромодинамикой. Согласно этой теории сильное взаимодействие есть результат обмена глюонами, в результате чего обеспечивается связь кварков в адронах. Квантовая хромодинамика продолжает развиваться, и хотя ее нельзя пока считать законченной концепцией сильного взаимодействия, тем не менее, эта физическая теория имеет прочную экспериментальную базу.

В современной физике продолжаются поиски единой теории, которая позволила бы объяснить все четыре типа фундаментальных взаимодействий. Создание подобной теории означало бы также построение единой концепции элементарных частиц. Этот проект получил название «Великое объединение». Основанием для убежденности, что такая теория возможна, является то обстоятельство, что на малых расстояниях (менее 10-29 см) и при большой энергии (более 1014 ГэВ) электромагнитные, сильные и слабые взаимодействия описываются одинаковым образом, что означает общность их природы. Однако этот вывод имеет пока только теоретический характер, проверить его экспериментально до сих пор не удалось.

Различные конкурирующие между собой теории Великого объединения по-разному интерпретируют космологию. Например, предполагается, что в момент рождения нашей Вселенной существовали условия, в которых все четыре фундаментальных взаимодействия проявлялись одинаковым образом. Создание теории, объясняющей на единых основаниях все четыре типа взаимодействий, потребует синтеза теории кварков, квантовой хромодинамики, современной космологии и релятивистской астрономии.

Однако поиск единой теории четырех типов фундаментальных взаимодействий не означает, что невозможно появление иных трактовок материи: открытие новых взаимодействий, поиск новых элементарных частиц и т.п. Некоторые физики высказывают сомнение в возможности единой теории. Так, создатели синергетики И.Пригожий и И.Сгенгерс в книге «Время, хаос, квант» пишут; «надежду на построение такой "теории всего", из которой можно было бы вывести полное описание физической реальности, придется оставить» и обосновывают свой тезис закономерностями, сформулированными в рамках синергетики.

Важную роль в понимании механизмов взаимодействия элементарных частиц, их образования и распада сыграли законы сохранения. Помимо законов сохранения, действующих в макромире (закона сохранения энергии, закона сохранения импульса и закона сохранения момента импульса), в физике микромира были обнаружены новые: закон сохранения барионного, лептонного зарядов, странности и др.

Каждый закон сохранения связан с какой-либо симметрией в окружающем мире. В физике под симметрией понимается инвариантность, неизменность системы относительно ее преобразований, т.е. относительно изменений ряда физических условий. Немецким математиком Эммой Нетер была установлена связь между свойствами пространства и времени и законами сохранения классической физики. Фундаментальная теорема математической физики, называемая теоремой Нетер, гласит, что из однородности пространства следует закон сохранения импульса, из однородности времени — закон сохранения энергии, а из изотропности пространства — закон сохранения момента импульса. Эти законы носят фундаментальный характер и справедливы для всех уровней существования материи.

Закон сохранения и превращения энергии утверждает, что энергия не исчезает и не появляется вновь, а лишь переходит из одной формы в другую. Закон сохранения импульса постулирует неизменность импульса замкнутой системы с течением времени. Закон сохранения момента импульса утверждает, что момент импульса замкнутой системы остается неизменным с течением времени. Законы сохранения являются следствием симметрии, т.е. инвариантности, неизменности структуры материальных объектов относительно преобразований, или изменения физических условий их существования.

Итак, законы сохранения энергии и импульса связаны с однородностью времени и пространства, закон сохранения момента импульса - с симметрией пространства относительно вращений. Законы сохранения зарядов связаны с симметрией относительно специальных преобразований волновых функций, описывающих частицы.

Список использованной литературы:

Страницы: 1, 2, 3