Для объяснения природы вещества, физических полей, излучения и вакуума используется в настоящее время систематизация частиц на основе значения их изотопического спина.
Кпервой группе относят частицы с полуцелым спином. Их назвали ферми- частицамив честь выдающегося итальянского физика Э. Ферми (1901 — 1954). К ним относят кварки, из которых состоят частицы, участвующие в сильном взаимодействии (адроны), а также лептоны, которые нельзя собрать из кварков.
Ферми-частицы образуют вещество, состоящее из атомов.
Ко второй группе относят частицы с целым значением их спина. Это кванты полей, соответствующие известным физическим силам. Так квант электромагнитного поля привязывает электрон к ядру атома. К этой группе относят бозоны. Они названы в честь известного индийского физика Ш. Бозе (1894—1974). Бозоны представляют собой физическое поле сильного и слабого взаимодействий внутри ядра атома. Глюоны— это кванты глюонного поля,
«склеивающего» кварки в адроны.Сложнее обстоит дело с представителями
гравитации и квантового вакуума как исходного физического состояния в эволюции Вселенной: фотон и глюон— это лишенные массы покоя частицы, следовательно, должен быть гравитон как квант поля тяготения, а также кванты исходного вакуума, на которые претендуют хиггсоныи бозе-частицысо спином, равным нулю. Некоторые авторы утверждают, что если гравитон — лишенная массы покоя частица, то соответствующий ему фермионный партнер гравитинодолжен весить в 100 раз больше протона. Если гравитинообнаружат, то это будет доказательством правильности идеи суперсимметрии,лежащей в основе современного представления о строении материального мира.
В конце прошлого столетия рассматривались теории, в которых частицы понимались, грубо говоря, не как точки, а как протяженные структуры, струны. Отсюда происходит название этих теорий — «струнные теории». Вэтих теориях сложным образом происходит соединение математики и физики1.
Проблема единого физического поля.Современная квантовая теория связывает возникновение атомов и известных сил физического взаимодействия с неким физическим состоянием в эволю-
1 Природа. М., 1990. С. 13-22.
ции Вселенной, когда не было различия между физическими полями и силами.
Для уточнения этого состояния часто используются так называемые планковские масштабы(расстояние, время, плотность, температура, масса и объем) в качестве самого минимального процесса осуществления кванта-энергии в природе (эра Планка). Для уточнения эры Планка предполагается, что такие физические постоянные, как скорость света, постоянная Планка и гравитационная постоянная,
не меняли своего значения со временем: с = 300 тыс. км/с, 
≈1,05 · 10-27г · см2/с,
G≈ 6,7 · 10-8см3/(г · с2). Расстояние, длина Планка (RПланка) - это минимальное расстояние действия кванта энергии. Оно равно приблизительно 10-33 см (RПланка =
· Масса Планка (МПланка) имеет энергетический эквивалент, равный 1019
|
)· Время Планка (tПланка) определяется по фор-
муле: tПланка = = 10-43 с. Плотность Планка (ρПланrа) вычисляется по формуле:- Объем
Планка примерно равен длине Планка в кубе, т. е. 10-99 см3. Площадь кванта пространства примерно равна длине Планка в квадрате, т. е. 10-66 см2. Планковские величины (длина, время, масса, плотность) позволяют вычислить температуру Планка, соответствующую величинам Планка. Эта температура равна 1032К. Масштабы Планка соответствуют параметрам, состоянию Вселенной
12 млрд лет тому назад по одной из моделей эволюции Вселенной, о чем речь пойдет в следующей теме.
По мнению некоторых ученых, об объединении всех сил взаимодействия можно говорить в следующих масштабах:
1. На расстоянии 10-16 см и энергетическом уровне в 100 ГэВ (100 млрд эВ) идет объединение электромагнитного и слабого взаимодействия. Это было экспериментально доказано.
2. На расстоянии 10-29 см и энергетическом уровне в 1015 ГэВ достигается объединение трех видов взаимодействия (сильного, слабого и электромагнитного). Это состояние называют Великим объединением.
3. На расстоянии 10-33 см и энергетическом уровне в 1019 ГэВ можно говорить о состоянии Вселенной, когда все силы взаимодействия, включая гравитацию, и глюонные силы не были дифференцированы. Этот уровень соответствует хиггсонам, представ-
ляющим физический вакуум, и называется суперобъединением.Сегодня
техника позволяет достигать температуры нескольких миллионов градусов
(например, лазеры) и энергии приблизительно 2· 104 ГэВ.
Таблица 1. Таблица единиц величин размеров
| Макрообъекты | Микрообъекты |
| Дека- 10 | Деци - 10-1 м |
| Гекто - 102 | Санти — 10-2 м |
| Кило - 103 | Милли — 10-3 м |
| Мега - 106 | Микро — 10-6 м |
| Гига - 109 | Нано — 10-9 м |
| Тера-1012 | Пико - 10-12 м |
| Пета - 1015 | Фемто — 10-15 м |
| Экса- 1018 | Атто — 10-18 м |
Некоторые понятия, которые используются для объяснения вопросов о
строении вещества. Формула Е = тс2 позволяет выразить массу в единицах измерения энергии и скорости света: т = Е/с2. Энергия измеряется в джоулях, эргах и электрон-вольтах (эВ). 1 эВ — это энергия, которую приобретает электрон
в электрическом поле, созданном разностью потенциалов в 1 вольт. Один эрг (1
эрг) равен 10-7 Дж. Один джоуль (1 Дж) равен приблизительно 6,24 · 1018 эВ.
Формула Больцмана Е= kК (k — постоянная Больцмана, равная 1,38 · 10-23
Дж/К, К — температура тела по шкале Кельвина) позволяет выразить температуру через энергию.
В настоящее время имеется теория петлевой гравитации. В ней согласуются принципы теории относительности и квантовой механики (величины Планка). Согласно этой теории пространство и время, воспринимаемые нами как непрерывные, на самом деле состоят из дискретных частиц пространства и времени1.
1 В мире науки. 2004. № 4. С. 48.
ВЫВОДЫ
1. Квантовая механика не отрицает наличия в мире детерминированных и обратимых событий, поскольку уравнение Шредингера позволяет вычислить вероятность определенного значения физической величины и среднее значение физических величин.
2. В решении проблемы классификации частиц используются две известные статистики (Ферми -Дирака и Бозе - Эйнштейна). В первой - фермионы представляют
частицы вещества с полуцелым спином, во второй - бозоны представляют кванты полей
и имеют целочисленное значение спина.
3. Кварки наряду с электрическим зарядом имеют цветовой заряд. Это способность кварков участвовать в образовании частиц сильного физического взаимодействия
(смешение цветов кварков делает образованные из них частицы обычными,
бесцветными).
4. Не ясно, сколько существует поколений частиц (например, к первому поколению иногда относят электрон, электронное нейтрино и два кварка (верхний и нижний)).
5. Из квантовой теории следует существование антивещества, состоящего из
античастиц протонов, нейтронов и позитронов. В связи с этим возникает вопрос, почему наш мир состоит из вещества. Интерес к этому вопросу стал актуальным с развитием
современной космологии, созданием моделей эволюции Вселенной.
ВОПРОСЫ ДЛЯ САМОПРОВЕРКИ И СЕМИНАРОВ
1. Какие физические силы взаимодействия известны естествознанию?
2. На каких расстояниях действуют силы сильного взаимодействия?
3. Что утверждает теория кварков?
4. О каких величинах речь идет в гипотезе о существовании эры Планка?
5. Антивещество в современном естествознании.