Глава 8. Структурные уровни организации материи

1. Масштабы расстояний во Вселенной и соответствующие теории

Под структурной организацией материи понимается ее иерар­хическое строение — любой объект является частью более слож­ного образования и сам является таковым. С точки зрения сис­темного подхода каждый уровень определяется совокупностью элементов и связей между ними. Разделение материи на опреде­ленные структурные уровни — микромир, макромир и мегамир — условно, так как между ними нет четкой границы. Но каждому уровню соответствуют свои законы и свои характерные масштабы и времена.

По современным представлениям, материя существует в трех формах: вещество, поле и вакуум. Из вещества образуются струк­турные элементы систем, посредством полей осуществляются вза­имодействия между элементами, а вакууму отводится особая роль как некоему первоначалу других форм материи.

Все виды взаимодействий сводят к четырем фундаментальным типам: гравитационные, электромагнитные, ядерные сильные и ядерные слабые. Каждое взаимодействие обладает своим масш­табом действия и своим характерным временем. В макромире дей­ствуют электромагнитное и гравитационное взаимодействие. Те­ория электромагнитных взаимодействий построена Дж. Максвел­лом (1865), а А. Эйнштейн создал теорию гравитационных явле­ний (1916). Ядерные взаимодействия (сильное и слабое) стали известны лишь в первой половине XX в. в связи с исследованием радиоактивности и экспериментов по изучению сложного строе­ния атома. Они действуют только на очень малых расстояниях r (10 ^{- 15} м — для сильного и 10 ^{- 18} м — для слабого), а при больших r их действия не обнаруживаются.

Сильные ядерные взаимодействия скрепляют в атомном ядре протоны и нейтроны. Эксперименты на ускорителях и явления в космических лучах, свидетельствующие о превращении элемен­тарных частиц при больших энергиях, обнаружили слабое ядер- ное взаимодействие. Несмотря на название, при r < 10 ^{- 18} м интен­сивность слабого взаимодействия резко возрастает. За пределами размера атома начинает доминировать электромагнитное взаимо­действие, и именно этим типом обусловлены все химические свя­зи. При увеличении расстояний для макротел, где заряды уравно­вешивают друг друга, начинают преобладать гравитационные вза­имодействия. Именно они управляют движением небесных тел — планет, комет, звезд. Весьма условно окружающий мир разделяют по размерам.

Микромир — мир очень малых микрообъектов, размеры кото­рых от 10 ^{- 10} до 10 ^{- 18} м, а время жизни может быть до 10 ^{- 24} с. Это мир — от атомов до элементарных частиц. Для микрочастиц свой­ствен корпускулярно-волновой дуализм, описание микромира опирается на квантовую механику (принцип дополнительности Бора и соотношения неопределенности Гейзенберга). Мир эле­ментарных частиц, которые долго считали элементарными кир­пичиками, подчиняется законам квантовой механики, квантовой электродинамики, квантовой хромодинамики. Испускание и по­глощение света происходят порциями, квантами. Квантовое поле дискретно. В пределах масштабов (10 ^{- 15}—10 ^{- 18}) м определяющи­ми являются ядерные (сильное и слабое) взаимодействия.

Макромир — мир объектов, соизмеримых с человеческим опы­том. Размеры макрообъектов — от долей миллиметра до сотен километров, а времена — от секунд до лет. Поведение макроско­пических тел, состоящих из микрочастиц, описывается класси­ческой механикой и электродинамикой. Материя может пребы­вать как в виде вещества, так и в виде поля, причем вещество дискретно, а поле непрерывно. Электромагнитное взаимодействие играет ведущую роль в процессах взаимодействия атомов и моле­кул. Скорости распространения поля равны скорости света, мак­симальной из возможных скоростей, а скорости движения частиц вещества всегда меньше скорости света в вакууме.

Мегамир — мир объектов космического масштаба: планеты, звезды, галактики, Метагалактика. Кроме них во Вселенной при­сутствуют материя в виде излучения и диффузная материя. Пос­ледняя может занимать огромные пространства в виде гигантских облаков газа и пыли — газопылевых туманностей. В звездах сосре­доточено 97 % вещества нашей Галактики — Млечный Путь. В дру­гих галактиках соотношение примерно такое же. В Галактике по­чти все звезды являются двойными, а всего их более 120 млрд. Диаметр Галактики порядка 100 тыс. св. лет; Солнце — рядовая звезда типа желтый карлик, находится на краю утолщенного дис­ка на расстоянии 5 пк (парсек) от края. Но имеются звездные системы, состоящие из 3 — 5 звезд, окруженные диффузной материей. Звез­дные скопления могут состоять из нескольких сотен отдельных звезд, а шаровые скопления — из сотен тысяч. Галактики (их до 100 млрд), наблюдаемые с Земли как туманные пятнышки, имеют разную форму: спиральную, неправильную, эллиптическую. Они образуют скопления галактик из нескольких тысяч. Систему га­лактик называют Метагалактикой. Мегамир описывается закона­ми классической механики с поправками, которые были внесены теорией относительности.

Определяющим на этом структурном уровне является сила притяжения или гра­витации. Однако недавно полученные данные об ускоренном рас­ширении Вселенной указывают на то, что в масштабах Вселенной начинает главенствовать сила отталкивания, природа которой пока еще не ясна.

Рассматриваемые структурные уровни организации материи от­ражают существующее на данный момент состояние Вселенной. Все они возникли в результате ее эволюции, в ходе которой меня­лись масштабный фактор и характер происходящих процессов. Так, предполагается, что на начальных стадиях эволюции Вселенной при масштабах около 10 ^{- 35} м, что много меньше размера атомного ядра, все четыре вида взаимодействий были объедены в одно — в суперсилу. С увеличением масштабного фактора произошло пос­ледовательное разделение этого единого взаимодействия.

В настоящее время построение физических теорий направлено на объединение явлений мега-, макро- и микромира в единую систему.

Ключевую роль в исследовании физических явлений играют фундаментальные постоянные, такие как скорость света в вакууме с, гравитационная постоянная G, постоянная Планка h, а также некоторые их безразмерные комбинации. Эти константы фигурируют в основных уравнениях физики, они универсальны, отражая основные свойства частиц и физических полей. Исследо­вания последних лет показывают, что окружающий мир очень чув­ствителен к значениям фундаментальных постоянных и может су­ществовать лишь при определенных, четко ограниченных соотно­шениях между ними. Фундаментальные постоянные необходимо знать с высокой точностью, поскольку от них зависят количе­ственные предсказания и правильность самих физических тео­рий. Фундаментальные физические постоянные присутствуют во всех разделах физики, связывая их единой цепью.

Используя фундаментальные константы можно представить различные физические теории в виде табл. 8.1.

Каждая константа характеризует определенную область физи­ческих явлений и соответствующие им теории. В ньютоновской механике эти константы не фигурируют и она описывает явления макромира без учета гравитации и при скоростях много меньших скорости света. Закон всемирного тяготения связал величину сил гравитации с гравитационной постоянной.

Скорость света вошла в основные уравнения электромагнитного поля — уравнения Максвелла. Инвариантность скорости света — основной постулат специальной теории относительности (СТО).

Таблица 8.1

Учитываемые константы	Физическая теория
	Ньютоновская механика
G	Ньютоновская гравитация
с	Специальная теория относительности (СТО)
h	Квантовая механика
G, с	Общая теория относительности (ОТО)
с, h	Квантовая теория поля
G,h	Нерелятивистская квантовая гравитация
с, G, h	Теория всего сущего

Специальная теория относительности описывает явления макромира с учетом релятивистских эффектов при скоростях, срав­нимых со скоростью света.

Постоянная Планка h является критерием, показывающим не­обходимость использования квантовых законов. Если в рассмат­риваемом физическом явлении величины, имеющие размерность действия (момента импульса, Дж • с), сравнимы с величиной (кван­том действия) h, то явление необходимо рассматривать в рамках квантовой механики.

Общая теория относительности, или обобщенная теория тяготения (ОТО), включает в себя СТО и рассматривает явления мегамира с построением моделей Вселенной. Гравитация пред­ставляет собой искривление пространства и времени, вызванного присутствием вещества или энергии. Мерой кривизны простран­ства является отношение g/с², где g — напряженность гравитаци­онного поля (сила, действующая на единицу массы); с — ско­рость света. Если величиной этого отношения можно пренебречь, то для описания физических явлений используется ньютоновская теория тяготения.

В квантовой теории поля учитываются и квантовые эффек­ты, и релятивистские. Были получены впечатляющие результаты в познании строения вещества и природы взаимодействий. В ней удалось объединить электромагнитное взаимодействие со слабым в единое электрослабое, выяснить природу сильного взаимодей­ствия, выявить фундаментальные частицы, из которых состоит вещество. В ней строятся схемы, объединяющие электрослабое взаимодействие с сильным, — так называемая теория великого объединения (ТВО).

Нерелятивистская квантовая теория гравитации пока не создана.

Задачей теории всего сущего является объединение всех видов взаимодействия в одно и описание всех видов существующих эле­ментарных частиц в единой теории. Такие попытки делаются в квантовой теории поля и в теории суперструн. Сложность в том, что все четыре типа взаимодействий объединяются при очень боль­ших значениях массы-энергии и на очень малых характерных мас­штабах порядка 10 ^{- 35} м. Такие условия соответствуют начальной фазе развития Вселенной (эра Планка). При этом должны проис­ходить значительные квантовые флуктуации пространства-време­ни, поэтому используемые в ОТО представления об их непрерыв­ности и однородности потребуют корректировки.

В квантовой физике каждому масштабу длин сопоставляется масштаб энергий (или эквивалентных масс) (рис. 8.1). Чем мень­ше изучаемый масштаб, тем выше необходимая энергия. Экспе­риментально достигнутый на ускорителях порог составляет 10³ ГэВ. Изучение масштабов с более высокими значениями энергий воз­можно только на примере космических явлений. Например, вблизи черных дыр или на ранних стадиях эволюции Вселенной, когда плотность энергии была чрезвычайно высокой.