- •Л. И. СВЕРЛОВА
- •КОНЦЕПЦИИ СОВРЕМЕННОГО ЕСТЕСТВОЗНАНИЯ
- •Хабаровск 2004
- •Л. И. СВЕРЛОВА
- •КОНЦЕПЦИИ СОВРЕМЕННОГО ЕСТЕСТВОЗНАНИЯ
- •СОДЕРЖАНИЕ
- •Задачи курса - сформировать у студентов:
- •Естествознание.
- •История развития естественных наук
- •1.1.Естествознание. Методы исследований
- •Теории о строении материи
- •Под «материей» понимается вещество, субстрат, субстанция, содержание, существующие вне нас и независимо от нашего сознания.
- •Структурная организация микромира
- •4.3. Законы взаимопревращения различных видов энергии материального мира
- •Девон
- •Пермь
- •Карбон
- •Триас
- •Третичный период
- •Рис. 7.3.7. Районы зарождения и основные пути движения тропических циклонов.
- •Атлантический период отмечен значительным сдвигом природных зон умеренных широт в северном направлении. Судя по палеотемпературной реконструкции, он продолжался 1300 лет (от 6800 до 5500 лет назад).
- •БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
92
Объективно существующие системы следует отличать от теоретических или концептуальных систем, которые существуют лишь в сознании человека в целях классификации или упорядочения знаний. Система – это внутреннее (или внешнее) упорядоченное множество взаимосвязанных (в том числе взаимодействующих) элементов, определенная целостность, проявляющая себя как нечто единое по отношению к другим объектам либо внешним условиям. Упорядоченность множества означает наличие закономерных отношений между элементами системы, проявляющихся в виде законов структурной организации. Внутренняя упорядоченность имеется у всех природных систем, возникающих в результате взаимодействия тел и естественного саморазвития материи. Внешняя упорядоченность характерна для созданных человеком искусственных систем – технических, производственных, концептуальных и др.
Структурная организация микромира
Все элементарные частицы можно объединить в четыре группы: 1) тяжелые частицы или барионы, 2) мезоны, 3) легкие частицы или лептоны, 4) фотоны (табл. 2.3.1).
Для сильных взаимодействий, в которых участвуют барионы и мезоны характерно явление резонанса, когда барионы и мезоны связываются в одно цельное образование, но время его жизни столь мало, что они тут же распадаются. Резонансы частиц возникают в результате ангиляции. Ангиляция – это превращение частицы и античастицы при их столкновении в другие частицы (пионы, фотоны, мезоны больших энергий). Частицы могут объединяться, хотя и на очень короткое время, создавая более сложные и исключительно неустойчивые образования. Вещество существует миллиарды лет. Это значит, что составляющие его электроны, протоны и нейтроны стабильны.
Электрон – самая легкая частица, имеющая электрический заряд. На основании закона сохранения электрического заряда, он не может превратиться в частицу, не имеющую электрического заряда. Заряженных частиц с массой меньше электрона нет. Этим и определяется его стабильность.
Одного принципа сохранения электрического заряда недостаточно для объяснения стабильности протона. Действительно, этот принцип не мешает протону превратиться, например, в позитрон, имеющий тот же заряд, но меньшую массу, освободив при этом значительную энергию: электрический заряд до и после превращения имел бы то же самое значение и тот же самый знак (положительный). Этот принцип также совсем не запрещает протону аннигилировать при встрече с электроном, электрический заряд которого имеет то же значение, но противоположный
93
знак. Поскольку ничего подобного не происходит, следует, как обычно, предположить, что здесь играет запрещающую роль какой-то другой принцип сохранения.
Поэтому полагают, что кроме электрического заряда, существует совсем другой тип заряда, названный барионным, характеризующий все тяжелые частицы, барионы, и только для них отличный от нуля. Кроме того, протон является самой легкой частицей, имеющей барионный заряд и подчиняющийся принципу сохранения барионного заряда.
Следовательно, подобно тому, как стабильность электрона обусловлена тем, что электрон - самая легкая частица с отличным от нуля электрическим зарядом, так и стабильность протона обусловлена тем, что он является самой легкой частицей с отличным от нуля барионным зарядом. Протон не может превратиться в позитрон, излучив энергию, потому что такое событие противоречило бы принципу сохранения барионного заряда. В самом деле, начальный барионный заряд отличен от нуля, а позитрон и фотон не имеют баряонного заряда. Протон не может аннигилировать, встретив электрон, с полным превращением массы в энергию, поскольку в таком процессе не сохранился бы барионный заряд: до аннигиляции он отличался бы от нуля, а после аннигиляции был бы равен нулю.
Вот почему протоны стабильны. По этой же причине и нейтроны, будучи свободными, нестабильны (среднее время их жизни составляет около 18 мин), а будучи связанными с протонами в ядре - стабильны.
Только в некоторых атомных ядрах радиоактивных веществ нейтроны спонтанно превращаются в протоны, испуская электроны и антинейтрино. Это говорит о том, что нейтрон должен иметь одинаковый с протоном барионный заряд, потому что электрон и нейтрино имеют барионный заряд, равный нулю.
В свою очередь, антибарионы (антипротон, антинейтрон и т.п.) всегда имеют барионный заряд, противоположный по знаку барионному заряду соответствующих частиц. Таким образом, закон сохранения барионного заряда автоматически требует, чтобы антибарионы могли получаться только в паре с барионами.
Итак, введение новой физической величины - барионного заряда, подобно электрическому заряду подчиняющегося своему принципу сохранения, позволяет объяснить стабильность протонов и нейтронов, тогда как принцип сохранения электрического заряда объясняет стабильность электронов. Три частицы - электрон, протон и нейтрон - представляют собой «кирпичи», из которых сложено все вещество, и могут существовать, не подвергаясь превращениям, поскольку соблюдаются принципы сохранения электрического и барионного зарядов.
Однако только эти частицы стабильны (нейтрон стабилен, лишь будучи связанным в ядре). Существуют и другие частицы, но они более