Курс по концепции современного естествознания

27 Элементарныечастицы

Известно, чтоперваяфизикакакнаукабыласформулирована еще Аристотелем (384–322 гг. до н. э.),

просуществовав около 2000 лет без существенных изменений. Многие идеи, высказанные в древности, неопровергнутыипосейдень. ХотяАристотельсчитал, что вещество во Вселенной состоит из четырех основных элементов — земли, воздуха, огня и воды, накоторыедействуютдвесилы— силатяжестиисила легкости, все же подход к строению Вселенной, когда все делится на вещество и силы, сохранился и по сей день.

Протоныинейтроны оченьбыстро испускаюти поглощают легкую частицу мезон, тем самым создавая вокруг себя облако электрических зарядов. Испустив положительно заряженный мезон, протон становится нейтроном, а нейтрон, испустив отрицательно заряженный мезон, превращается в протон.

Возникает вопрос, как же протон может превратиться в болеетяжелый нейтрон, при этом оторвав от себя некоторую массу в виде мезона. Тем не менее такое происходит без нарушения закона сохранения энергии. Благодаря особенностям волнового движения микрочастиц ихтраектории (можно сказать, даже сами частицы) как бы размазаны в пространстве. При этом скорость, а следовательно, и энергия частицы в течение очень короткого времени оказываются не- скольконеопределенными—какразнастолько, чтобы скомпенсировать кажущееся несохранение энергии.

У каждой реальной частицы есть античастица, на-

пример, у электрона — позитрон, у протона — антипротонит.д.Уфотонанетантичастицы, ноонявляется виртуальной частицей. Когда частицы и античастицы

сближаются на малое расстояние, ониимеюттенден-

цию взаимно уничтожаться, аннигилировать с выде-

лением энергии. В результате этого процесса происходит превращение массы в энергию в соответствии сзакономА. Эйнштейнаобэквивалентностиматерии (вещества) и энергии. Таким образом, изучение строения вещества — это одновременно и поиски новых энергетических возможностей.

Понятиеантичастицыприводиткпонятиюантиве-

щества. Ученые в лабораториях порождают формы антивещества. Например, антипротон и антинейтрон объединяются в антидейтрон. Еслидатьвозможность проаннигилировать 1 кг вещества и 1 кг антивещества, полученной при этом энергии могло бы хватить Саратовской области не меньше чем на год. Однако вокруг нас гораздо больше частиц, чем античастиц. В настоящее время понятие элементарного стало достаточно условным. Частицы называют элементарными по традиции, на самом деле каждый такой «элемент» — сложная материальная система. Всякая частица распадается на несколько других, те в свою очередьтоже распадаются и т.д.

Элементарныечастицыобразуютоднотесноесооб-

щество. Существование одной частицы так или иначе связано с наличиемдругой.

28 Мега-, макро- и микромир

Понятие «материя» многозначно. Его используют для обозначения той или иной ткани. Иногда ему придают иронический смысл, говоря о «высокой материи».

Увсехпредметовиявлений, окружающихчелове-

ка, несмотря на их разнообразие, есть общая черта: все они существуют вне сознания человека и независимо от него, т.е. являются материальными. Люди постоянно открывают все новые и новые свойства природныхтел, производятмножество не существующих в природе вещей, следовательно, материя неисчерпаема.

Материя несотворима и неуничтожима, существует вечно и бесконечно разнообразна по форме своих проявлений. Материальный мир един. Все его ча-

сти — от неодушевленных предметов до живых существ, от небесных тел до человека как члена общества — так или иначе связаны. То есть все явления в

мире обусловлены естественными материальными связями и взаимодействиями, причинными отношениямиизаконамиприроды. Вэтомсмыслевмиренет ничегосверхъестественногоипротивостоящегоматерии. Человеческая психика и сознаниетоже определяются материальными процессами, происходящими вмозгучеловека, иявляютсявысшейформойотражения внешнего мира.

При классификации неорганическоготипа материальной системы выделяют элементарные частицы и поля, атомныеядра, атомы, молекулы, макроскопическиетела, геологические образования. Из нихможно

вычленитьтри структурныхуровня:

1) мегамир— миркосмоса(планеты, звездныеком-

плексы, галактики, метагалактики и неограниченные масштабы до 1028 см);

2)макромир— мир устойчивых форм и соразмерныхчеловекувеличин (атакже кристаллические ком-

плексы молекул, организмы, сообщества организмов, т.е. макроскопические тела 10–6 (–107 см));

3)микромир — мир атомов и элементарных ча-

стиц, где неприменим принцип «состоитиз» (область порядка 10–15 см).

На разных структурных уровнях материи мы сталкиваемся с особенными проявлениями простран- ственно-временных отношений, различными видами движения.

Микромир описывается законами квантовой механики.

В макромире действуют законы классической механики.

Мегамир связан с законами теории относительности и релятивистской космологии.

29 Пространство, время

О. Шпенглер сказал: «Пространство — это научное понятие. А время— это слово для обозначения чегото непонятного». В самом деле, пытаясь ухватить такой ускользающий феномен, как время, мы всякий раз оказываемся вынужденными сводитьего к чемуто другому.

Философия начиная с Аврелия Августина вынуждена сводить время к феноменам сознания. По мнению А. Августина прошлого уже нет; будущего еще нет, а настоящее— исчезающе малый момент между прошлым и будущим. Поэтому нужно говорить не о различии между прошлым и будущим, а о различии между памятью и ожиданием.

Как же решает аналогичные затруднения физика?

В теоретической механике установился такой спо-

соб понимания времени, который фактически сводил время к пространству. Различие между более ранними и более поздними событиями сводилось к различиюмеждуточкаминатраектории, чтофактически подменяет время пространством. Кульминацией геометризации времени явилась теория относитель-

ности (СТО и ОТО) А. Эйнштейна.

Своеобразное кредо в понимании времени выраженовсловахА. Эйнштейна: «Время—этонеправиль- но понятое пространство»; «Время, как мы его понимаем обычно, не более чем иллюзия». А. Эйнштейн ввел в физику единый континуум — четырехмерное пространство— время, в котором время является просто четвертой координатой пространства. Однако сам А. Эйнштейн признавался, что его всю жизнь мучила проблема, что такое «теперь». В этом «теперь» он ощущал специфику времени, которое, по-видимому, не сводимо к пространству.

Существуют парадоксальные следствия из теории относительности, согласно которым при сверхплотномсостояниивеществавременнаяипространственные координаты должны переходить друг в друга. Однако вопрос о том, стоит ли за этим какая-то онтология, или это просто следствие изначальной геометризации времени в СТО и ОТО, является спорным. Говоря о парадоксальных следствиях из теории относительности, нужно, конечно, коснуться проблемы возврата в прошлое.

Теория относительности не запрещает такой воз-

можности. Согласно СТО при скоростях, близких к световой, длины тел уменьшаются, а течение времени замедляется. Фотоны света существуют как бы в вечном настоящем. Азначитли это, что если скорость тела превысит световую, то время будет течь из будущего в прошлое? Теория относительности основывалась на том, что С является предельной скоростью во Вселенной. Однако в современной физике рассматриваются некоторые концепции, в которых допускается превышение С.

30 Принцип относительности

Описывая логику создания специальной теории относительности, Альберт Эйнштейн в совместной с Л. Инфельдом книге пишет: «Соберем теперьвместе те факты, которые достаточно проверены опытом,

не заботясь больше о проблеме эфира:

1)скорость света в пустом пространстве всегда постоянна независимо от движения источника или приемника света;

2)в двух системах координат, движущихся прямолинейно и равномерно друг относительно друга, все законы природы строго одинаковы, и нет никакого средства обнаружить абсолютное прямолинейное и равномерное движение.

Первое положение выражает постоянство скорости света, второе обобщает принцип относительности Г. Галилея, сформулированныйдля механических явлений, на все происходящее в природе».

А. Эйнштейнотмечает, чтопринятиеэтихдвухпринципов и отказ отпринципа галилеевского преобразования, так как он противоречит постоянству скорости света, и положили начало специальной теории относительности.

К принятымдвум принципам (постоянства скорости света и эквивалентности всех инерциальных систем отсчета) А. Эйнштейндобавляетпринцип инвариант-

ности всех законов природы по отношению к преоб-

разованиям Г. Лоренца. Поэтому во всех инерциальных системах справедливы те же самые законы, а переходотоднойсистемыкдругойдаетсяпреобразованиями Г. Лоренца. Это значит, что ритм движущихся часов и длина движущихся стержней зависит от скорости: стерженьсократитсядонуля, еслиегоскорость

достигнет скорости света, а ритм движущихся часов замедляется, часы совершенно остановилисьбы, если бы они могли двигаться со скоростью света.

Так из физики были элиминированы ньютоновское абсолютное время, пространство, движение, которые были как бы независимы отдвижущихся тел и их со-

стояния. Согласнопринципуотносительности в инер-

циальных системах все законы механики одинаковы инетвозможности, находясьвнутри, определить, движетсяонапрямолинейноиравномерноилипокоится.

31 Принцип неопределенности

Обычно понятие неопределенности, или неточно-

сти, мы связываем с точностью измерений. Любое измерение, проводимое над физическим объектом, ограничено в своей точности. Точность эталонов метра не превышает ±10–7 м, веса ±10–7 кг, времени ±10–8 с. Точностьизмеренийвсегдабудетиметьестественный абсолютный нижний предел, несмотря на совершенствование техники.

Соотношениемеждупределамиточностиодновременного определения различных величин носит на-

звание соотношения неопределенностей. Оно было

сформулировано Вернером Гейзенбергом в 1925 г. Согласно принципунеопределенности

Dx × Dp = h,

где Dx — ширина отверстия, через которое пролетает частица;

Dp — боковой импульс, т.е. величина, отражаю-

щая отклонение частицы;

h= 6,6 × 10–34 Дж/с— постоянная Планка. Формулировка закона: координата и импульс

микрочастицы никогда не могут быть определены слюбой точностью.

Чем точнее определяется координата частицы (т.е. чем меньше ширина отверстия), тем менее точно можно одновременно измерить ее импульс (по сути скорость).

Принцип неопределенности применим к микроте-

лам. Например, чтобы определить координату протона, можно направить на него световые лучи. Заключение о местоположении протона можно сделать по характеру отраженных от протона световых волн. Однако одновременно скорость точно определить

нельзя, т.к. при попадании на протон световых волн скорость его движения изменится или же он начнет двигаться в случае начального состояния покоя. Если же нам необходимо точно определить скорость, мы должныотказатьсяотточногознаниякоординатпротона.

Можно ли применить этот принцип к макротелам? Возьмем в качестве примера макротела легковой автомобиль. Предположим, чтоондвижетсяпососедней с намидороге со скоростью 50 км/ч. Вданном случае мы можем одновременно определить скорость и координатуавтомобиля. Допустим, что рядом с нами находитсясотрудникавтоинспекции, которогозаинтересовала величина скорости автомобиля. Имеющийся у него радиолокатор определяетнеобходимую величинускоростиповолнам, направленнымнаавтомобиль. Когда радиолокационный сигнал попадает на автомобиль, а затем отражается от него, сам автомобиль получает некоторый (хотя и очень маленький) импульс. Если сигнал попадает на автомобиль сзади, последний несколько ускоряетсвоедвижение. Вдействительности это ускорение ничтожно мало и им можно пренебречь. Точность определения скорости и координаты объекта макроуровня основана на возможности пренебречьэнергиями и импульсами используемых сигналов.

Таким образом, на макроуровне организации материи принцип неопределенности также действует.

Однако неопределенностьнамного меньше размера атома, поэтому им можно пренебречь.