Вопрос 19. Уровни организации неживой материи и основные виды взаимодействий

Все виды материи связаны между собой генетически, то есть каждый из них развивается из другого. Строение материи можно представить как определенную иерархию этих уровней.

Согласно современным научным взглядам, глубинные структуры материального мира представлены объектами элементарного уровня. Это прежде всего элементарные частицы. Их свойства оказались весьма необычными, резко отличающимися от свойств макротел, с которыми мы сталкиваемся в повседневном опыте. Все элементарные частицы обладают одновременно и корпускулярными, и волновыми свойствами, а закономерности их движения, изучаемые квантовой физикой, отличаются от закономерностей движения макротел, описанных в классической физике. Элементарные частицы участвуют в четырех типах взаимодействия - сильном, слабом, электромагнитном и гравитационном. Только два последних типа взаимодействий проявляют себя на любых сколь угодно больших расстояниях, и поэтому им подчинены процессы не только микромира, но и макротел, планет, звезд и галактик (макро- и мегамир). Что же касается сильных и слабых взаимодействий, то они характерны только для процессов микромира. Одним из самых удивительных открытий последней трети XX века было обнаружение того, что электромагнитные и слабые взаимодействия представляют собой стороны, различные проявления единой сущности - электрослабого взаимодействия.

Элементарные частицы можно классифицировать по типам взаимодействия. Адроны (тяжелые частицы - протоны, нейтроны, мезоны и др.) участвуют во всех взаимодействиях. Лептоны (от греч. leptos - легкий; например, электрон, нейтрино и др.) не участвуют в сильных взаимодействиях, а только в электрослабых и гравитационных. Гипотетические гравитоны выступают носителями только гравитационных сил. В сильных взаимодействиях многие адроны неразличимы, они как бы на одно лицо. Например, неотличимы друг от друга нуклоны - нейтроны и протоны, все П-мезоны (Пи-мезоны) выступают как одна частица. Но когда включаются электромагнитные силы, то нуклоны расщепляются на две составляющие, а П-мезоны на три (П°, П+, П-). Подобное расщепление позволяет рассматривать частицы как проявления некоторой глубинной структуры. Поиск таких структур составляет главную цель современной физики. На этом пути наука стремится обнаружить те глубинные свойства и состояния материи, которые в конечном счете определяют эволюцию Вселенной, особенности взаимодействия и развития ее объектов.

Первым большим успехом на этом пути было открытие кварковой структуры адронов. Кварки оказались весьма экзотическими объектами не только потому, что у них дробный электрический заряд (1/3 или 2/3 от заряда электрона, принимаемого за 1). Само взаимодействие кварков, осуществляемое благодаря обмену глюонами, таково, что увеличение расстояния между кварками внутри адронов приводит к резкому возрастанию связывающих их сил. Поэтому в отличие от ранее известных элементарных частиц (протонов, нейтронов, электронов и др.) кварки пока не обнаружены в свободном состоянии. Они оказываются как бы запертыми внутри адронов. Но в эксперименте их можно прозондировать: при столкновении частиц больших энергий внутри адронов обнаруживается несколько своеобразных центров, на которых происходит рассеяние частиц и которые физика отождествляет с кварками.

Кварки и лептоны выступают в качестве базисных 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 образованию атомов. Элементарный уровень организации материи включает наряду с элементарными частицами еще и такой необычный физический объект, как вакуум. Физический вакуум - не пустота, а особое состояние материи. В вакуум погружены все частицы и все физические тела. В нем постоянно происходят сложные процессы, связанные с непрерывным появлением и исчезновением так называемых "виртуальных частиц". Выяснилось, что физический вакуум способен скачком перестраивать свою структуру. Такие переходы из одного состояния к другому, связанные с резким изменением характеристик системы, в физике называют фазовыми (известным их примером служат переходы воды в пар и лед). Физический вакуум тоже оказался способным к фазовым скачкам.

Эти новые идеи современной физики микромира послужили опорой необычных представлений о развитии нашей астрономической Вселенной, о ее возникновении путем взрыва, связанного с массовым рождением элементарных частиц в результате одного из фазовых переходов вакуума. Взаимодействие объектов субэлементарного уровня и возникающих на их основе элементарных частиц служит фундаментом для образования более сложных материальных систем. Из элементарных частиц строятся атомы, которые являются качественно специфическим видом материи. Элементарные частицы, ядра атомов, ионы (атомы, потерявшие часть электронов на электронных оболочках) могут образовать особое состояние материи, подобие газа, которое называется плазмой. Огромные плазменные тела, стянутые электромагнитными, гравитационными полями, образуют звезды, представляющие особый уровень организации материи. В их недрах протекают ядерные реакции, в ходе которых одни частицы превращаются в другие, и за счет этого звезды постоянно излучают энергию.