Глава IV многообразие и единство в современном естествознании

4.1. Структурные уровни организации материи. Микро-, макро- и мегамиры

Исследование мира и его объектов позволяет размышлять о том, что характерной чертой материи является ее структура. И одна из задач познания состоит в изучении этой структуры. Ведь сегодня не вызывает сомнения, что вещество состоит из молекул и атомов, молекулы – из атомов, атомы – из электронов и ядер, ядра – из нуклонов, нуклоны – из кварков. Другая глобальная задача познания обозначена в ответе на вопрос: «Как из низших элементов создается все многообразие элементов природы?»

В настоящее время принято считать, что наиболее естественным и наглядным признаком структуры материи становится характерный размер объекта на данном уровне и его масса. В соответствии с этим мир делится на микромир с характерным размером объектов не более 10^-8 м и массой не более 10^-10 кг. Сюда относятся фундаментальные и элементарные частицы, ядра, атомы и молекулы.

Макромир представлен макромолекулами, веществами в различных агрегатных состояниях (в твердом, жидком, газообразном), живыми организмами, человеком и продуктами его деятельности, т.е. макротелами (r10^-8 – 10^-7 м, m  10^-10 – 10²⁰ кг). Наиболее крупные объекты (планеты, звезды, галактики и их скопления, т.е. Вселенная в целом) образуют мегамир (r  10⁷ , m  1020 кг). Заметим, что строго жестких границ между мирами не существует. Поэтому следует рассмотреть различные уровни действия материи.

4.2. Элементарные частицы: Их свойства, классификация и взаимодействие

Охарактеризовать сущность понятия элементарной частицы оказывается сложно. В качестве первого приближения под элементарной частицей следует понимать такую микрочастицу, внутреннюю структуру которой нельзя представить только в виде объединения других свободных частиц. Современная физика позволяет установить сложную организацию многих «элементарных частиц», вводя понятие «фундаментальные частицы». Во всех взаимодействиях элементарные частицы ведут себя как единое целое. Существует несколько групп частиц, обладающих элементарными свойствами, различающихся по своим свойствам и характеру взаимодействия.

Элементарные частицы кроме обычных свойств – масса покоя, электрический заряд – характеризуются рядом специфических величин (квантовых чисел): гиперзаряд, странность и др. Между подобными частицами возможно осуществление четырех типов взаимодействий: сильное, электромагнитное, слабое, гравитационное. Каждое из них характеризуется так называемой константой взаимодействия, которая определяет его сравнительную интенсивность временем протекания и радиусом действия. Дадим краткую характеристику этих взаимодействий.

Сильное взаимодействие обеспечивает связь нуклонов в ядре. Электромагнитное взаимодействие реализуется между заряженными частицами. Слабым взаимодействием объясняются все виды -распада, элементарных частиц , а также взаимодействие нейтрино с веществом. Гравитационное взаимодействие, хотя и является универсальным, в микромире может не учитываться.

Элементарные частицы подразделяются на три класса. Первый класс представлен одной частицей – фотон. Это квант электромагнитного поля, который участвует только в электромагнитном взаимодействии. Второй класс – лептоны («лептос» – легкий). Эти частицы не обладают сильным взаимодействием. Название («легкие») они носили до открытия в 1975 г. тяжелого тау – лептона. Электроны, мюоны, тяжелый тау-лептон, электронное нейтрино, мюонное нейтрино, таонное нейтрино также относятся к лептонам. Все они обладают слабым взаимодействием. Заряженные лептоны участвуют и в электромагнитном соединении. Стабильными из них являются электрон и нейтрино.

Основную часть элементарных частиц составляют адроны («адрос» – крупный, сильный). Это класс сильно взаимодействующих элементов. Он состоит из двух групп: мезонов и барионов. Это не стабильные частицы. Мезоны свое название получили от слова «мезос» – средний (промежуточный), их действие настоящее время воспринимается иначе. Группа барионов («барос» – тяжелый) объединяет нуклоны и гипероны. Все барионы, кроме протона, нестабильны. Адроны, если заряжены, обладают также слабым и электромагнитным взаимодействием.

У каждой частицы имеется своеобразная античастица. Причем у частицы и античастицы одинаковы масса покоя, спин и время жизни. Остальные характеристики, в том числе электрический заряд и магнитный момент, равны по модулю, но противоположны по знаку. Частицы, свойства которых полностью тождественны античастицам, называются истинно нейтральными (фотон, мезон). При взаимодействии частицы и античастицы происходит аннигиляция (уничтожение) пары. При этом энергия выделяется не меньше, чем удвоенная энергия покоя каждой из них. Образование пары «частица – античастица» требует затраты энергии, обычно превышающую удвоенную энергию покоя частицы.

Фундаментальные частицы (лептоны, кварки). Число частиц, именуемых элементарными, насчитывается в настоящее время почти 400. Но уже давно возникли сомнения в их элементарности. Поэтому совершенно оправданы попытки найти среди них «самые элементарные», из которых можно было бы составить все остальные. Наиболее интересной и результативной в этом поиске оказалась гипотеза кварков Гелл-Манна и Цвейга, выдвинутая ими в 1964 г. По современным представлениям существует 6 типов кварков по аромату, в каждом из которых различается три цвета (красный, зеленый, синий). Смесь этих цветов дает нулевой белый цвет. У каждого кварка есть антикварк, все барионы состоят из трех кварков. Следует заметить, что хотя ни один кварк в свободном состоянии не обнаружен, физики в их существовании больше не сомневаются.

Идея кварков позволила не только систематизировать элементарные частицы, но и предсказать новые, что вскоре подтвердилось экспериментально. Невозможность наблюдать кварки в свободном состоянии. По современным представлениям это объясняется поведением сил, действующих между ними. При малых расстояниях (порядка размеров ядра) воздействующие силы очень малы и практически не влияют на свободу движения кварков внутри адронов. С увеличением расстояния эти силы, обусловленные обменом глюонами, очень быстро растут, не давая кваркам возможности вылететь из адрона.

Таким образом, 6 лептонов и 6 кварков (по аромату) по современным представлениям и есть фундаментальные частицы. К ним относятся также переносчики фундаментальных взаимодействий: глюоны, фотоны, промежуточные бозоны и гравитоны.

Как видно, физика элементарных частиц имеет, несомненно, значительные успехи, хотя пока и не дает полного объяснения микромира на единой основе. Такое понимание может произойти с помощью новой физической теории, которая с единых позиций объяснит все 4 типа взаимодействий, существование частиц и полей. Первые варианты теории электроядерных взаимодействий уже есть. Их называют «Великим объединением». В этот состав пока не удается включить теорию тяготения Эйнштейна, но ученые-физики надеются, что «Сверхвеликое объединение» обязательно станет делом будущего.