Развитие представлений о материи
Данный раздел и два следующие за ним, как три последних раздела первой темы курса лекций по дисциплине «Концепции современного естест-вознания», посвящены трем наиболее крупным и важным научным катего-риям естествознания – материи, движению и взаимодействию. Просле-дить эволюцию представлений о них удобно по периодам его истории (см. предыдущий раздел).
Начнем с материи, как с самой главной не только для естественнона-учной, но и для гуманитарной культуры категории. Её современная философ-ская трактовка гласит, что материя – это объективная реальность, сущес-твующая независимо от человеческого сознания и отображаемая им. Дан-ное представление о материи является результатом следующей эволюции взглядов на неё.
Проблема материи, как первоначала, из которого возникают все вещи и в которое со временем они превращаются, впервые была сформулирована в античный период развития естествознания (см. раздел 1.3), а именно, пред-ставителями ионийской (милетской) школы (там же). Для нас сейчас не так важно, комбинацией каких именно первоэлементов («стихий») – воды, огня, земли или других – считали мир представители данной научной программы. Гораздо важнее сам факт постановки проблемы существования и познания материи, первое решение которой сводилось к следующему:
· уже в этой, первой трактовке материи закладывалась идея её вечного движения, безостановочной изменчивости реального мира. Как аргумен-ты, можно привести самые знаменитые высказывания Гераклита, одного из представителей милетской школы – «Все течет, все меняется» и «Не-льзя дважды войти в одну и ту же реку»;
· данное представление о материи, как другие взгляды данного периода на неё, которые будут рассмотрены ниже, было сугубо натурфилософским, поскольку здесь ещё не разделилось естественнонаучное (научное) и фи-лософское (гуманитарное) знание (см. раздел 1.3). В силу этого и задача познания сводилась пока что к чисто философской – постичь сущность и предназначение материального объекта, поскольку ни об эксперимен-тальном его исследовании, ни о математическом описании сути какого-либо доступного тогда для изучения природного процесса или явления (научный метод, см. раздел 1.2) на данном этапе развития науки не могло быть и речи.
Вторым подобного рода умозрительным представлением античного пе-риода о материи была идеалистическая программа Пифагора – Платона, согласно которой реальный мир, мир чувственно ощущаемых нами вещей не есть мир истинно сущего – эти вещи возникают и погибают, в них нет ни-чего прочного и неизменного. Подлинная сущность чувственных вещей, их причины – бестелесные формы, постигаемые умом. Эти причины (формы, основы, первоначала) Платон назвал идеями (по-русски «идея» – это мысль, сущность, причина, замысел, план). Идея – это то, что видно разумом в вещи. Идея вещи не является отражением вещи, а наоборот, идея вещи, хотя и существует в отрыве от самой вещи, представляет собой принцип её созда-ния и причину «материализации» этой вещи.
Мир идей (или идеальный мир) – это реальность, которая существует отдельно от земного (материального) мира. Мир идей первичен по отноше-нию к материальному миру, миру вещей, т.е. земной мир производен от иде-ального. Идеальный мир совершенен, вечен и неизменен, материальный же мир является лишь отражением мира идей, подверженным изменениям и рас-паду.
В чем «продвинутость» данной идеалистической концепции по отно-шению к милетской, сугубо материалистической, трактовке реальности? В том, что, по Платону, созидание земного мира творцом – идеальным миром (Богом-демиургом) – подчиняется строгим математическимзакономерно-стям, что открывает возможности для его рационального (теоретического) анализа (объяснения). Только познание мира идей с помощью математики является единственным путем получения достоверногознания – это же предвосхищение научного метода (см. раздел 1.2)! Именно с подачи объек-тивного идеализма Пифагора – Платона началась сначала частичная (алек-сандрийский и древнеримский этапы античного периода истории естество-знания, см. раздел 1.3), а затем и полная математизация науки (этап клас-сического естествознания, там же).
Возвратом к материалистической трактовке всего сущего, но уже на более высоком уровне (спираль Гегеля, пятая тенденция развития естествознания, см. раздел 1.3) следует считать концепцию атомизма Левкиппа – Де-мокрита (второй, афинский период античного этапа истории естествознания, там же), получившую развитие в рамках его третьего, александрийского (Эпикур) и четвертого, древнеримского (Лукреций) периодов. Данная концепция – одна из самых эвристичных, плодотворных и перспективных нау-чно-исследовательских программ в истории науки. Она сыграла выдающу-юся роль в развитии представлений о структуре материи, в ориентации дви-жения естественнонаучной мысли на познание все более глубоких структур-ных уровней организации материи. Применяемая уже не к атомам, а, как бу-дет показано ниже, сначала к любым вещественным телам, а потом к элемен-тарным частицам, она вошла одной из неотъемлемых составляющих в науч-ные парадигмы следующих этапов развития естествознания – классического и неклассического (принцип соответствия, вторая тенденция его развития, см. раздел 1.3). Именно поэтому даже сейчас, через 2 500 лет после возникновения концепции атомизма, её по-прежнему чрезвычайно высоко оценивают современные ученые. Нобелевский лауреат, физик Р. Фейнман по этому поводу выразился так, что если бы человечеству грозила какая-то вселенская катастрофа, которая нас уничтожит полностью, уцелеет от нашей цивилизации, как памятник ей, только одно слово, но чтобы те, кто когда-нибудь на-бредет на нашу общую могилу, прочитав это слово, преисполнились уважения к тому, как много мы знали – это слово должно быть «атомизм».
Завершает трансформацию представлений античного этапа о материи её континуальная, аристотелевская (см. раздел 1.3) трактовка, принципиаль-но противоположная атомистической, дискретной. С одной стороны, она ещё раз подтверждает закономерность развития познания, заключающуюся в возврате к пройденному, но на более высоком уровне (Аристотель, напомним, вернулся к идее милетских «стихий», там же), а с другой, является началом одного из самых интересных научных противостояний в истории естествознания – противоречия между корпускулярной и континуальной концеп-циями описания природы (трактовки материи), то есть проявлением четвертой тенденции развития науки (см. раздел 1.3).
Становление обеих концепций происходило на втором (классическом, см. раздел 1.3) этапе истории естествознания. Исторически первой, в рамках механистической картины мира (там же) сложилась корпускулярная мо-дель реальности, представляющая собой расширенное толкование (снова принцип соответствия!) атомистической гипотезы – материя рассматрива-ется как дискретное вещество, состоящее не только из неделимых атомов (по Демокриту), а из частиц (корпускул, см. раздел 1.3) земного или небесно-го происхождения любого (по Ньютону), а не только атомарного, размера. Усложнение (очередное) представлений о материи очевидное – не только распространение принципа дискретности её строения на все известные для того периода времени реальные системы, но ещё и возможность с помощью уравнений классической механики точно и однозначно определить какие-либо параметры их состояния(об этом понятии будет сказано в следующем разделе) – энергию систем, скорость их движения и др. – по аналогичным параметрам образующих эти системы элементов (корпускул), как по исходным данным.
Данная концепция, как уже указывалось в разделе 1.3, оказалась чрез-вычайно плодотворной по отношению к описанию поведения именно диск-ретного вещества. Однако были два вида природных явлений – сначала оп-тических, потом тепловых, а затем электромагнитных (там же) – которые не могли быть полностью объяснены с позиций корпускулярной концепции. Последний выделенный акцент означает следующее. Ньютон, естественно, пытался распространить корпускулярную концепцию и на объяснение при-роды света, считая его потоком мельчайших частиц, испускаемых светящи-мися телами, которые движутся в соответствии с законами механики и вызы-вают ощущение света, попадая в глаз. На базе этой своей корпускулярной теории света он успешно объяснил явления его отражения и преломления. Но другие оптические явления данная теория объяснить не смогла – это явления интерференции (возникновения полосчатой картины при наложении света на свет) и дифракции (огибания светом непрозрачной преграды) – поэтому нидерландским физиком Х. Гюйгенсом была предложена другая, волновая или континуальная концепция, согласно которой свет представляет собой не поток материальных частиц, а колебания упругой среды, заполняющей все пространство – светоносного эфира (непрерывного континуума). Распространение света рассматривалось как распространение колебаний этой среды – каждая отдельная точка эфира колеблется в вертикальном направлении, а колебания всех точек создают картину волны, которая горизонтально перемещается в пространстве от одного момента времени к другому. С данной позиции дифракция света допускалась также естественно, как ранее многократно подтвержденное огибание препятствий другими, звуковыми волнами. Причина же того, что свет, добавленный к свету, не обязательно дает только более сильный свет (как это должно было быть с точки зрения корпускулярной теории света), а чередование светлых и темных световых полос, заключается в несовпадении гребней и впадин световых волн, из-за чего наложение, например, гребня и впадины двух разных волн приводит к тому, что они взаимно «гасят» друг друга, и в результате этого появляются темные полосы, и наоборот. Также успешно волновая концепция объясняла отражение и преломление света.
Окончательное становление континуальной концепции описания при-роды произошло в рамках уже периода неклассического естествознания в виде электромагнитной картины мира (см. раздел 1.3). Сначала трудами Фа-радея и других (там же) была доказана единая природа оптических, элект-рических, тепловых и магнитных явлений, а затем Максвеллом разработана теория нового вида материи – электромагнитного поля. Согласно этой те-ории, получившей название электродинамики Максвелла, переменное магни-тное поле индуцирует (вызывает, создает) переменное электрическое поле и наоборот. В результате происходит постоянное изменение во времени нап-ряженностей обоих полей, т.е. генерация переменным электромагнитным по-лем самого себя,и его самостоятельное, не «привязанное» к материальным объектам – носителям первичных электрических и магнитных зарядов (полей) – распространение в пространстве в виде электромагнитных волн. Существо-вание этих волн, математически строго доказанное теоретиком Максвеллом, было экспериментально подтверждено Г. Герцем, в результате чего к концу 19 века, т.е. также в рамках этапа неклассического естествознания (см.вы-ше), физика пришла к выводу, что материя существует в двух независимых друг от друга и принципиально различных видах – дискретного вещества и непрерывного поля. В соответствии с господствовавшим на данном этапе истории естествознания диалектическим типом мышления (там же), такое про-тивопоставление было недопустимо, но для того, чтобы разрешить противоречие между корпускулярной и континуальной концепциями описания природы и доказать единство не только выше рассмотренных, а вообще всех видов материи, науке пришлось освоить и изучить новый, доселе неизвестный уровень организации материи – мир атома.
Началось все с открытия в 1897 году английским физиком Дж. Дж. То-мсоном электрона – отрицательно заряженной частицы, входящей в состав всех атомов. Поскольку атом электрически нейтрален, пришлось допустить наличие в его структуре эквивалентной электрону по величине заряда, но противоположной по знаку положительно заряженной области, или частицы – протона. Выяснилось, что по массе электрон меньше протона в 1836 раз. На основании этого первая модель строения атома того же Томсона называ-лась «изюм в пудинге» – электроны вкраплены в большую область положи-тельного заряда отдельными редкими частицами.
Опыты другого английского физика, Э. Резерфорда, по сканированию внутренностей атома радиоактивным излучением опровергли модель Томсо-на. Оказалось, что атом преимущественно пуст, но в центре его расположена положительно заряженная микрочастица, размер которой (10-15 м) очень мал по сравнению с размерами атома (10-10 м), и в которой почти полностью со-средоточена масса атома. На основании этих новых экспериментальных дан-ных Резерфорд в 1911 году предложил свою модель строения атома, часто называемую «планетарной», потому что, согласно ей, в центре атома нахо-дится ядро, состоящее из массивных положительно заряженных частиц – протонов (спустя 8 лет были экспериментально обнаружены тем же Резер-фордом) – вокруг которого, подобно планетам Солнечной системы, по своим орбитам движутся электроны. Поскольку теоретическое обоснование данной модели дал датский физик Н. Бор, её часто называют планетарной моделью атома Резерфорда – Бора.
Развитие преставлений о материи в рамках того же периода некласси-ческого естествознания продолжилось открытием ещё одной элементарной частицы – нейтрона (английский физик Д. Чедвик, 1932 г.) – и предложенной сразу вслед за этим советским физиком Д.Д. Иваненко моделью ядра атома, состоящего из протонов и нейтронов. По этой модели электрически нейтра-льный атом содержит в своем положительно заряженном ядре равное число протонов и нейтронов, а вокруг ядра расположены составляющие атом элек-троны, число которых равно числу протонов. Пару «протон + нейтрон» стали называть нуклоном. Нуклоны, составляющие ядро атома, по своей массе в 4 000 раз тяжелее образующих этот атом электронов.
Модель атома, как уже говорилось (см. раздел 1.3), противоречила су-ществовавшим тогда, т.е. в период неклассического естествознания (там же) научным теориям. Эта ситуация ещё более усугубилась, когда появились эм-пирические факты такого же несоответствия господствующих в данный период времени теоретических представлений не только по отношению к недавно открытой области материальных систем (миру атома), но и для вполне, казалось бы, уже давно изученных земных процессов, в частности, процессов взаимодействия поля (электромагнитного излучения, о нём подробно в двух следующих разделах) с веществом.
Возникновение такого очередного, полностью, кстати, соответствующего сути научного метода (см. раздел 1.2), противоречия было инициировано, что любопытно, причиной чисто экономического характера. В 80-е годы 19 века в Германии началось бурное развитие ламповой промышленности. Коммерциализация изобретения американца Т.А. Эдисона – лампы накаливания (которую у нас почему-то называли «лампочкой Ильича») – потребовала определения наиболее оптимальных с точки зрения максимальной светимости её нагревательного элемента режимов его нагрева – частоты и (или) длины волны подводимого электромагнитного излучения. Для решения такой сугубо коммерческой задачи ученые получили от будущих немецких ламповых королей, говоря сегодняшним языком, заказ на прикладные научные исследования – какие материалы и при какой длине волны нагрева обеспечивают максимум интенсивности электромагнитного излучения в видимой части его спектра.
С экономической точки зрения данная задача была успешно решена – для исследуемых материалов (например, для той же вольфрамовой нити) бы-ли найдены конкретные режимы нагрева, обеспечивающие максимальную светимость ламп накаливания, а, следовательно, и максимальную прибыль их производителям. А вот в научном плане ученые получили проблему в полном соответствии с сущностью научного же метода – полученные экспериментальные данные не могли быть объяснены существующей теорией. Оказа-лось, что известные законы, описывающие зависимость интенсивности излу-чения от длины волны, с которой нагревается материал, по отношению к по-лученным эмпирическим данным справедливы лишь частично – закон Рэлея – Джинса пригоден только для длинных волн, а закон Вина – только для ко-ротких (рис. 1.8). Но это было бы ещё полбеды. Потрясение основ, в данном
| Температура тела |
| Длина волны |
| Закон Рэлея-Джинса |
| Закон Вина |
| Эксперимент |
| Интенсивность излучения |
Рис. 1.8. «Ультрафиолетовая катастрофа»
случае, основ классической электродинамики Максвелла, частью которой бы-ли оба эти закона, заключалось в том, что по ней, с ростом температуры тела (уменьшением длины волны нагрева, см. рис. 1.8) интенсивность излучения должна была расти неограниченно, вплоть до бесконечности(там же). Та-кое невозможное, с точки зрения практики и здравого смысла, но допускае-мое существующей научной теорией развитие событий получило в физике 19 века название «ультрафиолетовой катастрофы».
Разрешить ситуацию удалось немецкому физику М. Планку. Он вывел новую формулу, описывающую распределение энергии излучения в зависи-мости от частоты нагрева, которая имела не асимптотический, как зависи-мости Вина и Рэлея – Джинса (см. рис. 1.8) характер, а колоколообразную, как результаты эмпирических исследований (там же) форму. Но для того, чтобы добиться подобной «сходимости» теории и практики, Планку приш-лось ввести допущение, гласившее, что вещество не может испускать энер-гию излучения иначе как конечными порциями (квантами), пропорциональ-ными частоте этого излучения. Это вело к признанию наравне с атомизмом вещества атомизма энергии (действия), т.е. дискретного (квантового) ха-рактера излучения, что не укладывалось в рамки классической физики. Поэ-тому день 14 декабря 1900 г., когда Планк впервые озвучил свою квантовую гипотезу на заседании Немецкого физического общества, считается днем со-здания квантовой физики – основы нового, неклассического естествознания (см. раздел 1.3).
На доклад Планка о квантовом характере излучения никто сначала осо-бенного внимания не обратил, посчитав введение им понятия кванта остро-умным приемом, «фокусом аппроксимации», разрешившим возникшие меж-ду теорией и практикой противоречия. Первым квантовую гипотезу приме-нил и развил А. Эйнштейн при объяснении явления фотоэффекта(1905 г.). Это явление, известное с 90-х годов 19 века, заключалось в том, что электри-чески отрицательно заряженные металлические пластинки при облучении светом дуговой лампы теряли свой заряд, причем тем быстрее, чем интен-сивнее был световой поток, падающий на них. Данный эмпирический факт, опять же, не мог быть объяснимс позиций классической физики, считавшей свет волной – волна не может «выбивать» электроны из металлической пла-стинки, в результате чего отрицательный заряд последней уменьшается.
Объяснение Эйнштейна же было очень простым – «дождь» из квантов света «барабанит» по металлу, в результате чего из атомов последнего вы-биваются электроны из расчета, что один квант «вырывает» один электрон (между прочим, это Нобелевская премия по физике 1905 года!). Эйнштейн пошел дальше Планка – во-первых, он распространил квантовые представле-ния не только на испускание, но и на поглощение электромагнитного излу-чения, и, во-вторых ввел название для его кванта – фотон.
Собственно преодоление «висевшего» в науке с предыдущего, второго этапа истории естествознания противоречия между корпускулярной и конти-нуальной концепциями описания природы было реализовано двумя следую-щими шагами в развитии представлений о материи. Сначала французский физик Луи де Бройль выдвинул предположение о том, что не только фотоны, но и электроны, и любые другие частицы материи обладают и вещественны-ми, и волновыми свойствами одновременно (гипотеза корпускулярно-волно-вого дуализма, 1924 г.). Насколько трудно шло формирование столь необыч-ных, новых представлений о реальности говорит такой факт, что когда Эйн-штейн рекомендовал ознакомиться с докторской диссертацией Луи де Брой-ля, где тот излагал свои взгляды, такому же, как они оба, физику (!) М. Бор-ну, он выразился так: «Прочитайте её! Хотя и кажется, что её писал сумас-шедший, написана она солидно».
Экспериментальное подтверждение гипотеза корпускулярно-волново-го дуализма получила в 1927 году, когда американские физики К. Дэвиссон и Л. Джермер обнаружили дифракцию электронов при прохождении их пучка через естественную дифракционную решетку – кристалл никеля. И только после этого доказательства наличия у электронов – частиц вещества – волно-вых свойств Луи де Бройль стал лауреатом Нобелевской премии.
Вторая часть диалектического единства двух видов материи, постулируемого гипотезой Л. де Бройля, может быть пояснена вещественно-полевой природой фотона(рис. 1.9), который локализован в пространстве в виде
| Электрон |
| Волновой пакет (фотон) |
| Вещество |
Рис. 1.9. Вещественно-полевая природа фотона
волнового пакета (набора из 105 – 106 колебаний электромагнитного излучения). Внутри этого пакета имеет место конструктивная интерференция (на-ложение) этих колебаний, а вокруг, во всех остальных областях пространства – деструктивная, в силу чего фотон материально «присутствует» только вну-три себя, как сгустка волн, и больше нигде. Данный сгусток (пакет), с одной стороны, обладает всеми волновыми свойствами – распространяется со скоростью света (см. раздел 1.3), не имеет массы покоя и т.д. Но, с другой стороны, когда он на такой большой скорости «ударяется» о вещество, он, подобно уже вещественному материальному образованию, за счет своей громадной кинетической энергии выбивает с поверхности последнего электрон, как градина, что оставляет вмятину на крыше кузова автомобиля, с той лишь разницей, что атомы металла побитой градом крыши, в отличие от металлической пластинки, претерпевающей явление фотоэффекта, своих электронов не теряют (см. выше).
Следует пояснить, что описанную выше двуединую сущность материи нельзя понимать буквально и задаваться, подобно героине чеховской «Чай-ки», вопросом – если я не только человек, но, как выясняется, ещё и волна, почему я не летаю со скоростью света? Ответ, не литератора Чехова, а физи-ка де Бройля, будет таким. Соотношение вещественных и волновых свойств материального объекта определяется выведенным тем же де Бройлем матема-тическим соотношением двух количественных характеристик данного объекта – размера тела (частицы) L и соответствующей этому телу (частице) длины волны λ. Если эти величины сопоставимы, то континуальная и корпускулярная сущность данного объекта выражены примерно одинаково. Так, у электрона его диаметр одного порядка с соответствующей ему длиной волны (около 10-15 м), поэтому ему присущи и вещественные (наличие массы покоя), и полевые (результаты опыта Дэвиссона – Джермера, см. выше) свойства. Для Нины же Заречной эти величины равны соответственно 100 м (средний рост человека) и 10-33 м (такого излучения вообще нет, самое коротковолновое из известных, гамма-излучение, имеет длину волны всего 10-12 м), поэтому мы, как объекты земной реальности, в отличие от электрона, свою вторую, полевую сущность демонстрировать не можем, хотя она принципиально есть.
На последнем, четвертом этапе истории естествознания представле-ния о материи развивались следующим образом. Прежде всего, выяснилось, что состав элементарных частиц не ограничивается уже известными про-тонами, нейтронами и электронами (см. выше). К 60-м годам 20 века было открыто более 400 элементарных частиц, классифицируемых по их участию (или неучастию) в том или ином фундаментальном взаимодействии (данное понятие будет рассмотрено далее, в разделе 1.6). По данному классификаци-онному признаку все частицы относятся к двум основным группам.
К адронам (от греч. сильный, большой) относятся элементарные части-цы, которые особенно активно принимают участие в сильном взаимодейст-вии (также будет рассмотрено в разделе 1.6), но могут участвовать также в электромагнитном и слабом взаимодействии (там же). Их большинство (сотни наименований), они обладают наибольшей массой (поэтому их называют ещё тяжелыми частицами) и имеют, как будет показано ниже, наиболее сложное внутреннее строение. Самыми известными и широко распространенными являются как раз такие адроны, как протон и нейтрон.
Ко второй группе элементарных частиц принадлежат лептоны (от греч. легкий, тонкий), участвующие только в электромагнитном и слабом взаимодействиях. Их, наоборот, всего 12, они не обнаруживают внутренней структуры, и самым типичным лептоном является первая из открытых эле-ментарных частиц – электрон (см. выше).
Существование столь большого числа адронов как сложных по своему строению элементарных частиц побудило физиков заняться изучением их внутренней структуры. Эти поиски привели к разработке кварковой модели адронов (американцы М. Гелл-Манн и Дж. Цвейг, 1964 г.). Согласно ей квар-ки – это гипотетические материальные частицы, из которых состоят все адро-ны. Несмотря на большое многообразие последних, любые адроны являются комбинациями лишь трех кварков и их античастиц (трех антикварков). Кварки имеют размер, на три порядка меньший, чем размер атомного ядра (10-18 м) и, по сути, на сегодняшний день являются последней ступенью дробления адронной материи, т.е. вещества. Практически или экспериментально кварки в свободном состоянии не обнаружены, несмотря на многочисленные поиски на ускорителях высоких энергий, в космических лучах и в окружающей среде, есть лишь косвенные подтверждения факта их существования только в связанном состоянии, полученные при исследовании ядерных реакций.
Кварковая модель, по сути, является сегодняшней (последней) версией концепции атомизма(см. выше), согласно которой всё вещество Вселенной состоит из кварков, «собранных» в адроны, адроны образуют ядра атомов, а те, в совокупности с электронной (лептонной) «оболочкой» – сами атомы. Но, в соответствии с господствующим на современном, четвертом этапе истории естествознания эволюционным (см. раздел 1.3) типом мышления, следует решить вопрос о происхождении кварков и лептонов, как «первокирпичиков» природы. Ответом на него является концепция физического вакуума, как материальной субстанции, где рождаются эти элементарные частицы. Сейчас в физике под данным термином понимают квантовое поле, кванты которого рождаются и исчезают одновременно, потому что промежутки времени, в течение которых происходят, чередуясь, эти два противоположных по смыслу материальных процесса, равны нулю. В итоге физический вакуум представляет собой сплошной, но невидимый и ненаблюдаемый (как можно видеть или наблюдать то, чего в любой момент времени нет!) фон (или, по представлениям классического естествознания, эфир, заполняющий всё мировое пространство, см. тему 2). Согласно трактовке автора данной концепции, английского физика П. Дирака (Нобелевская премия 1933 года), физический вакуум – это квантовое поле с наинизшимэнергетическим состоянием. В нем нет ни частиц вещества, ни частиц поля, но в то же время, физический вакуум материален, поскольку в нем постоянно идут процессы, в результате которых рождаются пары «частица + античастица», которые тут же друг друга взаимно уничтожают (аннигилируют). Такие частицы, из которых «состоит» физический вакуум, получили название виртуальных, т.е. возможных. Очень понятно и правильно суть данной сложнейшей категории физики образно пояснил кто-то из великих, сказав, что физический вакуум – это «нечто по имени Ничто».
Как же из «ничего» может возникать материя в виде конкретных час-тиц вещества (кварков и лептонов, см. выше), имеющих массу покоя – это же нарушение закона сохранения материи! Чтобы «спасти» концепцию физичес-кого вакуума от подобной ереси, физики приписывают ему свойство давать сбои в ходе взаимосвязанных процессов рождения и исчезновения частиц и античастиц. Причины таких сбоев, называемых в физике нарушениями сим-метрии (см. тему 2), неизвестны, но теоретически возможно, что их резуль-татом могут быть уцелевшие после «неправильно» прошедшей аннигиляции кварки или лептоны. Ситуация с практическим подтверждением таких пред-положений примерно такая же, что и с кварковой моделью – пока, в рамках уже следующего, четвертого этапа истории естествознания, т.е., в наше вре-мя, экспериментально удалось реализовать только процессы рождения и ан-нигиляции частиц и античастиц на современных ускорителях.
В качестве последних по времени результатов развития представлений о материи следует упомянуть теорию струн (суперструн) и гипотезу о сущест-вовании «темной материи». Первая возникла, как средство преодоления противоречий, накопившихся к рубежу 20–21 веков в физике элементарных частиц, т.е. в полном соответствии с четвертой тенденцией развития науки (см. раздел 1.3). Она исходит из предположения, что коль скоро число кварков оказывается довольно большим, они могут состоять из ещё более мелких частиц (струн), представляющих собой не точечные образования, как элементарные частицы, а некие объемные фигуры – торы (петли). В качестве очередного факта иллюстрации усложнения наших представлений о реальности в результате появления данной теории (реализации главного принципа познания, там же) скажем только, что длина струны составляет 10-35 м, т.е. она в сто миллиардов миллиардов раз меньше размера атомного ядра.
Еще более сложные представления связаны с «темной материей». В отличие от теории струн, её существование экспериментально доказано наб-людениями за звездами, которые в 1998 году показали, что эволюция Вселен-ной идет совсем не так, как предписывает ей существующая космологичес-кая модель (см. тему 5) – процесс расширения Вселенной не замедляется со временем, а, напротив, только ускоряется(американские физики С. Перл-муттер, А. Рисс и Б. Шмидт, Нобелевская премия 2011 года). Для объяснения полученных данных пришлось предположить, что обнаруживаемая нашими приборами наблюдения материя Вселенной – звезды, планеты, кометы и др. – составляет не более 4 % её массово-энергетического объема. Остальное при-ходится на две неких неизвестных субстанции – «темную энергию» (75 %) и «темную материю» (21 %). Неизвестных потому, что видеть и исследовать их мы не можем, поскольку они никакого излучения – единственного для нас источника информации о космосе – не поглощают, не излучают, не от-ражают и не рассеивают. В силу такого обстоятельства мы практически ни-чего об этих двух последних разновидностях материи не знаем.Используя известную метафору, можно сказать, что «темнее», чем эти две «лошадки» природа нам ещё не демонстрировала.