Современные концепции физики
Структурные уровни организации материи
В самом общем виде материя представляет собой бесконечное множество всех сосуществующих в мире объектов и систем, совокупность их свойств, связей, отношений и форм движения. При этом она включает в себя не только все непосредственно наблюдаемые объекты и тела природы, но и все то, что не дано нам в ощущениях. Весь окружающий нас мир — это движущаяся материя в ее бесконечно разнообразных формах и проявлениях, со всеми свойствами, связями и отношениями. В этом мире все объекты обладают внутренней упорядоченностью и системной организацией. Упорядоченность проявляется в закономерном движении и взаимодействии всех элементов материи, благодаря чему они объединяются в системы. Весь мир, таким образом, предстает как иерархически организованная совокупность систем, где любой объект одновременно является самостоятельной системой и элементом другой, более сложной системы.
Согласно современной естественно-научной картине мира все природные объекты также представляют собой упорядоченные, структурированные, иерархически организованные системы. Исходя из системного подхода к природе вся материя делится на два больших класса материальных систем — неживую и живую природу. В системе неживой природы структурными элементами являются: элементарные частицы, атомы, молекулы, поля, макроскопические тела, планеты и планетные системы, звезды и звездные системы, галактики, метагалактики и Вселенная в целом. Соответственно в живой природе основными элементами выступают белки и нуклеиновые кислоты, клетка, одноклеточные и многоклеточные организмы, органы и ткани, популяции, биоценозы, живое вещество планеты.
В то же время как неживая, так и живая материя включают в себя ряд взаимосвязанных структурных уровней. Структура — это совокупность связей между элементами системы. Поэтому любая система состоит не только из подсистем и элементов, но и из разнообразных связей между ними. Внутри этих уровней главными являют-
ся горизонтальные (координационные) связи, а между уровнями — вертикальные (субординационные). Совокупность горизонтальных и вертикальных связей позволяет создать иерархическую структуру Вселенной, в которой основным квалификационным признаком является размер объекта и его масса, а также их соотношение с человеком. На основе этого критерия выделяют следующие уровни материи: микромир, макромир и мегамир.
Микромир — область предельно малых, непосредственно ненаблюдаемых материальных микрообъектов, пространственная размерность которых исчисляется в диапазоне от 10-8 до 10-16 см, а время жизни — от бесконечности до 10-24 с. Сюда относятся поля, элементарные частицы, ядра, атомы и молекулы.
Макромир — мир материальных объектов, соизмеримых по своим масштабам с человеком и его физическими параметрами. На этом уровне пространственные величины выражаются в миллиметрах, сантиметрах, метрах и километрах, а время — в секундах, минутах, часах, днях и годах. В практической действительности макромир представлен макромолекулами, веществами в различных агрегатных состояниях, живыми организмами, человеком и продуктами его деятельности, т.е. макротелами.
Мегамир — сфера огромных космических масштабов и скоростей, расстояние в которой измеряется астрономическими единицами, световыми годами и парсеками, а время существования космических объектов — миллионами и миллиардами лет. К этому уровню материи относятся наиболее крупные материальные объекты: звезды, галактики и их скопления.
На каждом из этих уровней действуют свои специфические закономерности, несводимые друг к другу. Хотя все эти три сферы мира теснейшим образом связаны между собой.
Структура мегамира
Основными структурными элементами мегамира являются планеты и планетные системы; звезды и звездные системы, образующие галактики; системы галактик, образующие метагалактики.
Планеты— несамосветящиеся небесные тела, по форме близкие к шару, вращающиеся вокруг звезд и отражающие их свет. В силу близости к Земле наиболее изученными являются планеты Солнечной системы, двигающиеся вокруг Солнца по эллиптическим орбитам. К этой группе планет относится и наша Земля, расположенная от Солнца на расстоянии 150 млн. км.
Звезды— светящиеся (газовые) космические объекты, образующиеся из газово-пылевой среды (преимущественно водорода и гелия) в результате гравитационной конденсации. Звезды удалены
друг от друга на огромные расстояния и тем самым изолированы друг от друга. Это означает, что звезды практически не сталкиваются друг с другом, хотя движение каждой из них определяется силой тяготения, создаваемой всеми звездами Галактики. Число звезд в Галактике — порядка триллиона. Самые многочисленные из них — карлики, массы которых примерно в 10 раз меньше массы Солнца. В зависимости от массы звёзды в процессе эволюции становятся либо белыми карликами, либо нейтронными звездами, либо черными дырами.
Белый карлик — это электронная постзвезда, образующаяся в том случае, когда звезда на последнем этапе своей эволюции имеет массу, меньшую 1,2 солнечной массы. Диаметр белого карлика равен диаметру нашей Земли, температура достигает около миллиарда градусов, а плотность — 10 т/см3, т.е. в сотни раз больше земной плотности.
Нейтронные звезды возникают на заключительной стадии эволюции звезд, обладающих массой от 1,2 до 2 солнечных масс. Высокие температура и давление в них создают условия для образования большого количества нейтронов. В этом случае происходит очень быстрое сжатие звезды, в ходе которого в наружных ее слоях начинается бурное протекание ядерных реакций. При этом выделяется так много энергии, что происходит взрыв с разбросом наружного слоя звезды. Внутренние же ее области стремительно сжимаются. Оставшийся объект и получил название нейтронной звезды, поскольку он состоит из протонов и нейтронов. Нейтронные звезды также называют пульсарами.
Черные дыры — это звезды, находящиеся на заключительном этапе своего развития, масса которых превышает 2 солнечные массы, и имеющие диаметр от 10 до 20 км. Теоретические расчеты показали, что они обладают гигантской массой (1015 г) и аномально сильным гравитационным полем. Свое название они получили потому, что не обладают свечением, а за счет своего гравитационного поля захватывают из пространства все космические тела и излучение, которые не могут выйти из них обратно, они как бы проваливаются в них (затягиваются, как в дыру). Из-за сильной гравитации никакое захваченное материальное тело не может выйти за пределы гравитационного радиуса объекта, и поэтому они кажутся наблюдателю «черными».
Звездные системы (звездные скопления)— группы звезд, связанные между собой силами тяготения, имеющие совместное происхождение, сходный химический состав и включающие в себя до сотен тысяч отдельных звезд. Существуют рассеянные звездные системы, например Плеяды в созвездии Тельца. Такие системы не имеют правильной формы. В настоящее время известно более тысячи
звездных систем. Кроме того, к звездным системам относятся шаровые звездные скопления, насчитывающие в своем составе сотни тысяч звезд. Силы тяготения удерживают звезды в таких скоплениях миллиарды лет. В настоящее время ученым известно около 150 шаровых скоплений.
Галактики — совокупности звездных скоплений. Понятие «галактика» в современной интерпретации означает огромные звездные системы. Этот термин (от греч. «молоко, молочный») был введен в обиход для обозначения нашей звездной системы, представляющей собой тянущуюся через все небо светлую полосу с молочным оттенком и поэтому названную Млечным Путем.
Условно по внешнему виду галактики можно разделить на три вида. К первому (около 80%) относятся спиральные галактики. У этого вида отчетливо наблюдаются ядро и спиральные «рукава». Второй вид (около 17%) включает эллиптические галактики, т.е. такие, которые имеют форму эллипса. К третьему виду (примерно 3%) относятся галактики неправильной формы, которые не имеют отчетливо выраженного ядра. Кроме того, галактики различаются размерами, числом входящих в них звезд и светимостью. Все галактики находятся в состоянии движения, причем расстояние между ними постоянно увеличивается, т.е. происходит взаимное удаление (разбегание) галактик друг от друга.
Наша Солнечная система принадлежит к галактике Млечного Пути, включающей не менее 100 млрд. звезд и поэтому относящейся к разряду гигантских галактик. Она имеет сплюснутую форму, в центре которой находится ядро с отходящими от него спиральными «рукавами». Диаметр нашей Галактики составляет около 100 тыс., а толщина — 10 тыс. световых лет. Соседней с нами является галактика Туманность Андромеды.
Метагалактика — система галактик, включающая все известные космические объекты.
Поскольку мегамир имеет дело с большими расстояниями, то для измерения этих расстояний разработаны следующие специальные единицы:
1) световой год — расстояние, которое проходит луч света в течение одного года со скоростью 300 000 км/с, т.е. световой год составляет 10 трлн км;
2) астрономическая единица — это среднее расстояние от Земли до Солнца, 1 а.е. равна 8,3 световым минутам. Это значит, что солнечные лучи, оторвавшись от Солнца, достигают Земли через 8,3 мин;
3) парсек — единица измерения космических расстояний внутри звездных систем и между ними. 1пк — 206 265 а.е., т.е. приблизительно равен 30 трлн км, или 3,3 световым годам.
Структура макромира
Каждый структурный уровень материи в своем развитии подчиняется специфическим законам, но при этом между этими уровнями нет строгих и жестких границ, все они теснейшим образом связаны между собой. Границы микро- и макромира подвижны, не существует отдельного микромира и отдельного макромира. Естественно, что макрообъекты и мегаобъекты построены из микрообъектов. Тем не менее, выделим важнейшие объекты макромира.
Центральным понятием макромира является понятие вещества, которое в классической физике, являющейся физикой макромира, отделяют от поля. Под веществом понимают вид материи, обладающий массой покоя. Оно существует для нас в виде физических тел, которые обладают некоторыми общими параметрами — удельной массой, температурой, теплоемкостью, механической прочностью или упругостью, тепло- и электропроводностью, магнитными свойствами и т.п. Все эти параметры могут изменяться в широких пределах как от одного вещества к другому, так и для одного и того же вещества в зависимости от внешних условий.
Структура микромира
На рубеже XIX—XX вв. в естественно-научной картине мира произошли радикальные изменения, вызванные новейшими научными открытиями в области физики и затронувшие ее основополагающие идеи и установки. В результате научных открытий были опровергнуты традиционные представления классической физики об атомной структуре вещества. Открытие электрона означало утрату атомом статуса структурно неделимого элемента материи и тем самым коренную трансформацию классических представлений об объективной реальности. Новые открытия позволили:
1) выявить существование в объективной реальности не только макро-, но и микромира;
2) подтвердить представление об относительности истины, являющейся только ступенькой на пути познания фундаментальных свойств природы;
3) доказать, что материя состоит не из «неделимого первоэлемента» (атома), а из бесконечного многообразия явлений, видов и форм материи и их взаимосвязей.
Концепция элементарных частиц.Переход естественно-научных знаний с атомного уровня на уровень элементарных частиц привел ученых к заключению, что понятия и принципы классической физики оказываются неприменимыми к исследованию физических свойств мельчайших частиц материи (микрообъектов), таких, как
электроны, протоны, нейтроны, атомы, которые образуют невидимый нами микромир. В силу особых физических показателей свойства объектов микромира совершенно не похожи на свойства объектов привычного нам макромира и далекого мегамира. Отсюда возникла необходимость отказа от привычных представлений, которые навязаны нам предметами и явлениями макромира. Поиски новых способов описания микрообъектов способствовали созданию концепции элементарных частиц.
Согласно этой концепции основными элементами структуры микромира выступают микрочастицы материи, которые не являются ни атомами, ни атомными ядрами, не содержат в себе каких-либо других элементов и обладают наиболее простыми свойствами. Такие частицы были названы элементарными, т.е. самыми простыми, не имеющими в себе никаких составных частей.
После того как было установлено, что атом не является последним «кирпичиком» мироздания, а построен из более простых элементарных частиц, их поиск занял главное место в исследованиях физиков. История открытия фундаментальных частиц началась в конце XIX в., когда в 1897 г. английский физик Дж. Томсон открыл первую элементарную частицу — электрон. История открытия всех известных сегодня элементарных частиц включает два этапа.
Первый этап приходится на 30—50-е гг. XX в. К началу 1930-х гг. были открыты протон и фотон, в 1932 г. — нейтрон, а спустя четыре года — первая античастица — позитрон, которая по массе равна электрону, но имеет положительный заряд. К концу этого периода стало известно о 32 элементарных частицах, причем каждая новая частица была связана с открытием принципиально нового круга физических явлений.
Второй этап приходится на 1960-е гг., кода общее число известных частиц превысило 200. На этом этапе основным средством открытия и исследования элементарных частиц стали ускорители заряженных частиц. В 1970-80-е гг. поток открытий новых элементарных частиц усилился, и ученые заговорили о семействах элементарных частиц. На данный момент науке известно более 350 элементарных частиц, различающихся массой, зарядом, спином, временем жизни и еще рядом физических характеристик.
Все элементарные частицы обладают некоторыми общими свойствами. Одно из них — свойство корпускулярно-волнового дуализма, т.е. наличие у всех микрообъектов как свойств волны, так и свойств вещества.
Другим общим свойством является наличие почти у всех частиц (кроме фотона и двух мезонов) своих античастиц. Античастицы — это элементарные частицы, схожие с частицами по всем признакам, но отличающиеся противоположными знаками электрического за-
ряда и магнитного момента. После открытия большого числа античастиц ученые заговорили о возможности существования антивещества и даже антимира. При соприкосновении вещества с антивеществом происходит процесс аннигиляции — превращение частиц и античастиц в фотоны и мезоны больших энергий (вещество превращается в излучение).
Еще одним важнейшим свойством элементарных частиц является их универсальная взаимопревращаемость. Этого свойства нет ни в макро-, ни в мегамире.
Классификация элементарных частиц.Элементарные частицы — основные «кирпичики», из которых состоит как материя, так и поле. При этом все элементарные частицы неоднородны: некоторые из них являются составными (протон, нейтрон), а другие — несоставными (электрон, нейтрино, фотон). Частицы, которые не являются составными, называют фундаментальными.
В целом элементарные частицы обладают довольно большим количеством характеристик. Некоторые из характеристик положены в основу классификации элементарных частиц.
Так, одной из важнейших характеристик частиц является их масса. Масса элементарной частицы — это масса ее покоя, которая определяется по отношению к массе покоя электрона, который, в свою очередь, считается самой легкой из всех частиц, имеющих массу. В зависимости от массы покоя все частицы можно подразделить на несколько групп:
• частицы, не имеющие массы покоя. К этой группе частиц относят фотоны, движущиеся со скоростью света;
• лептоны (от «лептос» — легкий) — легкие частицы (электрон и нейтрино);
• мезоны (от «мезос» — средний, промежуточный) — средние частицы с массой от одной до тысячи масс электрона;
• барионы (от «барос» — тяжелый) — тяжелые частицы с массой более тысячи масс электрона (протоны, нейтроны, гипероны, многие резонансы).
Второй важной характеристикой элементарных частиц является электрический заряд. Он всегда кратен фундаментальной единице заряда — заряду электрона (—1), который рассматривается в качестве единицы отсчета зарядов. Заряд частиц может быть отрицательным, положительным либо нулевым. Как предполагают ученые, существуют также частицы с дробным электрическим зарядом — кварки, экспериментальное наблюдение которых пока невозможно.
Третьей характеристикой элементарных частиц служит тип физического взаимодействия, в котором участвуют элементарные частицы. По данному показателю все многообразие элементарных частиц можно подразделить на три группы:
1) адроны (от «андрос» — крупный, сильный), участвующие в электромагнитном, сильном и слабом взаимодействии;
2) лептоны, участвующие только в электромагнитном и слабом взаимодействии;
3) частицы — переносчики взаимодействий. Частицы — переносчики взаимодействий непосредственно обеспечивают взаимодействие. К ним относятся фотоны — переносчики электромагнитного взаимодействия, глюоны — переносчики сильного взаимодействия, тяжелые векторные бозоны — переносчики слабого взаимодействия. Высказывается также предположение о существовании гравитонов — частиц, обеспечивающих гравитационное взаимодействие.
Четвертой основной характеристикой элементарных частиц выступает время их жизни, которое определяет их стабильность или нестабильность. По времени жизни частицы делятся на стабильные, квазистабильные и нестабильные. Большинство элементарных частиц нестабильно, время их жизни составляет 10-10— 10-24 с, т.е. несколько микросекунд. Стабильные частицы не распадаются длительное время. Они могут существовать от бесконечности до 10-10 с. Стабильными частицами считаются фотон, нейтрино, нейтрон, протон и электрон. Квазистабильные частицы распадаются в результате электромагнитного и слабого взаимодействий, иначе их называют резонансами. Время жизни резонансов составляет от 10-24 до 10-26 с.
Важнейшей характеристикой частиц является спин — собственный момент количества движения (импульса) частицы. В классической механике такая величина характеризует вращение тела, например волчка. Но буквальный перенос этого понятия на микрочастицы теряет смысл, поскольку элементарные частицы невозможно представить вращающимися крохотными шариками. 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, спин принимает только пять возможных значений. Он может равняться целому (0, 1, 2) или полуцелому (1/2, 3/2) числу. Свойства и поведение частиц существенно зависят от того, целое или полуцелое значение имеет их спин. Частицы с полуцелым спином называются фермионами, а с целым спином — бозонами.
Фермионы — это не что иное, как частицы вещества, которые хотя и обладают волновыми свойствами, но в классическом пределе воспринимаются как истинные частицы. К ним относятся такие известные частицы, как электроны, протоны, нейтроны, спин которых равен 1/2. Известна частица, спин которой равен 3/2, — омега-гиперон. Все эти частицы обладают свойством, имеющим характер
закона: частицы с полуцелым спином могут находиться вместе лишь при условии, что их физические состояния, т.е. совокупность характеризующих частицу параметров, неодинаковы. Данный закон в квантовой механике называется запретом Паули. Если бы этого запрета не существовало, то еще в первые мгновения существования нашей Вселенной образовавшиеся частицы вещества слиплись и превратились в более или менее однородное «желе», не позволив образоваться современной структурной Вселенной.
Бозоны — это кванты полей, которые хотя и обладают корпускулярными свойствами, однако в классическом пределе выступают как поля. На них запрет Паули не распространяется. Примером бозонов служит фотон, спин которого равен 1, и мезон, спин которого равен 0. Возможно, существуют частицы со спином 2 — гравитоны.
Все перечисленные элементарные частицы являются переносчиками физических взаимодействий.
Теория кварков.В середине 60-х гг. XX в. число открытых адронов превысило сотню. В связи с этим возникла гипотеза, согласно которой наблюдаемые частицы не отражают предельного уровня делимости материи. На основе этой гипотезы была создана теория кварков. Ее авторами стали физики Калифорнийского университета М. Гелл-Манн и Дж. Цвейг. Термин «кварк» они позаимствовали из романа Дж. Джойса «Поминки по Финнегану», герою которого снился сон, в котором летали чайки и кричали: «Три кварка для мистера Марка!». Само по себе слово «кварк» не имеет какого-либо смыслового значения и в переводе с немецкого языка оно означает «чепуха», но авторы теории понимали его как гипотетический материальный объект, существование которого еще не доказано наукой. Имея форму гипотезы, кварковая теория тем не менее позволила систематизировать известные частицы и предсказать существование новых.
Основные положения теории кварков заключаются в следующем. Аароны состоят из более мелких частиц — кварков, которые представляют собой истинно элементарные частицы и поэтому бесструктурны. Главная особенность кварков — их дробный электрический заряд. Кварки могут соединяться друг с другом двумя способами — парами и тройками. Соединение трех кварков приводит к образованию барионов, кварка и антикварка — к образованию мезонов, трех антикварков — к образованию антибарионов. Большинство образующихся частиц являются барионными и мезонными ре-зонансами. При таком соединении дробные заряды суммируются до нуля или единицы.
Кварки различаются ароматом и цветом. Аромат кварка не имеет никакого отношения к аромату, понимаемому буквально (т.е. как аромат цветов, духов и т.п.), это его особая физическая характеристика. Существует шесть видов кварков, различающихся ароматом:
u (up — верхний), d (down — нижний), s (strange — странный), с (charm — очарование), b (beauty — прелесть), t (top — верхний). Их обозначают первыми буквами своих названий.
Кроме того, считается, что каждый кварк имеет один их трех возможных цветов, которые самими учеными выбраны произвольно: красный, зеленый, синий. Также 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 этих частиц. Цвет кварка практически означает разновидность «заряда» сильного ядерного взаимодействия. «Заряд» сильного взаимодействия в физике именуется «цветом». Каждый кварк может быть носителем одного из трех основных «зарядов», или цветов, — синего, зеленого, красного. Иначе говоря, каждый кварк может иметь «заряд» красного цвета, или «заряд» синего цвета, или «заряд» зеленого цвета. Понятие цвета было введено, чтобы не отказываться от запрета Паули, так как в барионных и антибарионных частицах кварки одного аромата часто оказывались вместе. Например, протон является комбинацией кварков uud, а нейтрон — udd.
Каждому кварку соответствует антикварк с противоположным цветом (антикрасный, антизеленый и антисиний). Таким образом, 6 кварков и 6 антикварков, т.е. 12 фундаментальных частиц, призваны объяснить почти все многообразие частиц, кроме лептонов.
При объединении кварков и антикварков должны выполняться два условия:
1) суммарный электрический заряд кварков в адроне должен
быть целочисленным, скомпенсированным до нуля или единицы;
2) кварки, соединяющиеся в адрон, должны полностью компен
сировать свои цветовые заряды и удовлетворять признаку бесцвет
ности (конфайнмент). Их цвета («заряды») соединяются так же, как
в оптике, где сложение красного, синего и зеленого дает белый
(бесцветный) цвет. Белый цвет дает сумма красного, зеленого, си
него или красного — антикрасного, синего — антисинего и т.п.
Кварки объединяются между собой благодаря сильному взаимодействию. Переносчиками сильного взаимодействия выступают глюоны, которые как бы «склеивают» кварки между собой. Предполагается, что кварки участвуют также в электромагнитных и слабых взаимодействиях. В электромагнитном взаимодействии кварки не меняют своего цвета и аромата. В слабых взаимодействиях кварки меняют аромат, но сохраняют цвет.
Долгое время ученые пытались обнаружить кварки в многочисленных экспериментах, доводя точность измерений в них до очень высоких значений, но сделать этого не удалось. Ученым пришлось признать, что законы нашего мира запрещают существование отдельных частиц с дробным электрическим зарядом. Однако в 1969 г.
в Стэнфордском университете США были проведены опыты, доказавшие существование кварков. В ходе экспериментов при бомбардировке электронами протонов бьио обнаружено, что электроны как бы налетали на твердые крохотные вкрапления и отскакивали от них под самыми невероятными углами. Ученые предположили, что эти твердые вкрапления и были кварками. В настоящее время теория кварков продолжает развиваться и уточняться, поэтому ее нельзя считать окончательно сформированной.