Концепции современного естествознания

Глава 8. Иерархическая система основных форм материи

Дайте мне материю, я построю из нее мир.

И. Кант

Проблема определения сущности материи весьма сложна. Сложность заключается в высокой степени абстрактности самого понятия материи, а также в многообразии различных материальных объектов, форм материи, ее свойств и взаимообусловленностей. В связи с этим перед философией и другими науками стоит множество вопросов: Что такое материя? Как развивались представления о ней? Как соотнести с понятием материи бесконечное множество конкретных предметов, вещей? Какими свойствами она обладает? Вечна ли и бесконечна материя? Что является причиной ее изменения? Какие виды материи известны в настоящее время? Как осуществляется взаимный переход одних видов материи и форм ее движения в другие? На основе каких законов это происходит? Наконец, каким образом возникло такое свойство материи, как сознание?

Обращая свое внимание на окружающий нас мир, мы видим совокупность разнообразных предметов, вещей. Эти предметы обладают самыми различными свойствами. Одни из них имеют большие размеры, другие - меньшие, одни просты, другие – более сложны, одни постигаемы достаточно полно непосредственно чувственным образом, для проникновения в сущность других необходима абстрагирующая деятельность нашего разума. Отличаются эти предметы и по силе своего воздействия на наши органы чувств.

Однако при всей своей многочисленности и разнообразии самые различные предметы окружающего нас мира имеют один общий, если так можно выразиться, знаменатель, позволяющий объединить их понятием материи. Это общее есть независимость всего многообразия предметов от сознания людей. В то же время это общее в бытии различных материальных образований является предпосылкой единства мира. Однако заметить общее в самых различных предметах, явлениях, процессах – задача далеко не простая. Для этого нужна определенная система сложившихся знаний и развитая способность к абстрагирующей деятельности человеческого разума. Поскольку знания есть продукт приобретенный, причем накапливаемый постепенно, в течение длительного времени, то многие суждения людей о природе и обществе первоначально носили весьма неотчетливый, приближенный, а порой и просто неверный характер. В полной мере это относится и к определению категории материи [54].

381

8.1. Становление и развитие общих представлений о материи

Mens aqitat molem (материя движет мир)

Публий Вергилий Марон

Самый беглый анализ представлений древних ученых о материи показывает, что все они по духу своему были материалистическими, но общим их недостатком было, во-первых, сведение понятия материи к какому-то конкретному виду вещества или ряду веществ. Во-вторых, признание материи в качестве строительного материала, некоей первичной неизменной субстанции автоматически исключало выход за пределы имеющихся о ней представлений. Тем самым каким-либо конкретным видом вещества с присущими ему свойствами ограничивалось дальнейшее познание, проникновение в сущность материи. Все же большой заслугой древних материалистов было изгнание представлений о боге-творце и признание взаимосвязи материи и движения, а также вечности их существования.

Заметный след в развитии учения о материи оставили мыслители Древней Греции Левкипп и особенно Демокрит [60].

Вместе с тем, хотя атомистическое учение и устанавливало общую природу бытия микропредметов, однако оно не раскрывало в полной мере понятия материи; в силу своей субстанциональности и ограниченности оно не могло служить критерием общности всего многообразия видов материи. В настоящее время мы знаем, что атомы различны по своей природе и структуре и представляют лишь частицы вещества. Таким образом, у Демокрита мы видим отождествление понятия материи с одним из конкретных ее проявлений, с веществом.

Весьма важную попытку дать определение материи сделал французский материалист XVIII века Гольбах, который в работе «Система природы» писал, что «по отношению к нам материя вообще есть все то, что воздействует каким-нибудь образом на наши чувства».

Здесь мы видим стремление выделить то общее в различных формах материи, а именно: что они вызывают у нас ощущения. В этом определении Гольбах уже отвлекается от конкретных свойств предметов и дает представление о материи как абстракции. Вместе с тем определение Гольбаха было ограниченным. Оно не раскрывало до конца сущности всего того, что воздействует на наши органы чувств, оно не раскрывало специфики того, что не может воздействовать на наши чувства. Эта незавершенность предложенного Гольбахом определения материи создавала возможности как для материалистической, так и идеалистической ее трактовки.

К концу прошлого века естествознание, и в частности физика, достигло достаточно высокого уровня своего развития. Были открыты общие и,

382

казалось, незыблемые принципы строения мира. Была открыта клетка, сформулирован закон сохранения и превращения энергии, установлен Дарвиным эволюционный путь развития живой природы, Менделеевым создана периодическая система элементов. Основой бытия всех людей, предметов признавались атомы – мельчайшие, с точки зрения того времени, неделимые частицы вещества. Понятие материи отождествлялось, таким образом, с понятием вещества, масса характеризовалась как мера количества вещества или мера количества материи. Материя рассматривалась вне связи с пространством и временем. Благодаря работам Фарадея, а затем Максвелла, были установлены законы движения электромагнитного поля и электромагнитная природа света. При этом распространение электромагнитных волн связывалось с механическими колебаниями гипотетической среды – эфира. Физики с удовлетворением отмечали: наконец-то, картина мира создана, окружающие нас явления укладываются в предначертанные им рамки.

Оценивая в целом представления классической физики XIX в. о строении и свойствах материи, отметим, что они страдали теми же недостатками, что и учения древних. Точка зрения на материю как на первичную, неизменную субстанцию и отождествление ее при этом с веществом содержали в себе предпосылки возможности критических ситуаций в физике. И это не замедлило сказаться.

На благополучном, казалось, фоне «стройной теории» вдруг последовала целая серия необъяснимых в рамках классической физики научных открытий. В 1896 г. были открыты рентгеновские лучи. В 1896 г. Беккерель случайно обнаружил радиоактивность урана, в этом же году супруги Кюри открывают радий. Томсоном в 1897 г. открыт электрон, а в 1901 г. Кауфманом показана изменчивость массы электрона при его движении в электромагнитном поле. Наш соотечественник Лебедев обнаруживает световое давление, тем самым окончательно утверждая материальность электромагнитного поля. В начале XX в. Планком, Лоренцом, Пуанкаре и др. закладываются основы квантовой механики, и, наконец, в 1905 г. Эйнштейном создается специальная теория относительности.

Многие физики того периода, мыслящие метафизически, не смогли понять сути этих открытий. Вера в незыблемость основных принципов классической физики привела их к скатыванию с материалистических позиций в сторону идеализма. Логика их рассуждений была такова. Атом – мельчайшая частица вещества. Атом обладает свойствами неделимости, непроницаемости, постоянства массы, нейтральности в отношении заряда. И вдруг оказывается, что атом распадается на какие-то частицы, которые по своим свойствам противоположны свойствам атома. Так, например,

383

электрон имеет изменчивую массу, заряд и т.д. Это коренное отличие свойств электрона и атома привело к мысли, что электрон нематериален. А поскольку с понятием атома, вещества отождествлялось понятие материи, а атом исчезал, то отсюда следовал вывод: «материя исчезла». С другой стороны, изменчивость массы электрона, под которой понималось количество вещества, стала трактоваться как превращение материи в «ничто». Таким образом, рушился один из главнейших принципов материализма – принцип неуничтожимости и несотворимости материи.

APROPOS (фр.) – кстати

Втеле человека содержится около 1029 протонов. Распад протона сопровождается большим энерговыделением, и если посчитать, какую

дозу облучения получало бы наше тело за счет возможного распада содержащихся в нем протонов, то результат будет такой: дозу которую получает тело при распаде протона – 6 · 108/τ рад/год, где τ – время жизни протона. Напомним, что рад – это единица измерения ионизующих излучений, которая соответствует энерговыделению в 1 грамме 6 · 107 МэВ энергии. Естественная доза облучения, которую получает наше тело из–за действия космических лучей и естественной радиоактивности, составляет 0,12 рад в год. Считается, что для организма не опасно получать в год около 5 рад. Если доза облучения за счет распада протона превысит в 100 раз допустимую дозу, это приведет к cepьезным последствиям. Но мы – то с вами чувствуем себя сравнительно хорошо, значит, доза от распада протона, по крайней мере, не превышает 500 рад в год. Отсюда, пользуясь соотношением, которое приведено выше, можно посчитать время жизни протона. Получается, что оно должно быть больше 1016 лет. Это число не так велико как экспериментальное значение, но все же оно превышает возраст Вселенной! Вот так, оказывается, наше здоровье прямиком связано с фундаментальными свойствами

элементарных частиц.

Открыто новое состояние вещества, названное учеными фермионным конденсатом, который стал, таким образом, шестым состоянием вещества после газов, жидкостей, твердых тел, плазмы и конденсата Бозе-Эйнштейна, открытого только в 1995 г. При создании фермионного конденсата исследователи охладили газообразный калий до температуры в одну миллиардную градуса выше абсолютного нуля. Далее газ был подвергнут воздействию магнитного поля и лазерного излучения. В результате облако атомов калия приобрело свойства, кардинально отли-

чающиеся от свойств обычного газа.

Один из авторов открытия – Дебора Джин сразу же заявила о появлении нового состояния вещества. Если бы удалось перевести фермион-

384

ный конденсат в твердое состояние (при нагревании), то получившееся вещество могло бы иметь свойства высокотемпературного сверхпроводника. Сверхпроводящие материалы используются в самых различных областях техники, устраняя потери при передаче электроэнергии.

Все известные на сегодня частици можно разделить на две группы: частицы с целым спином (бозоны) и частицы с дробленым спином (фермионы), – говорит доктор физико-математических наук Алексей Андреев. – Главное свойство бозонов – возможность образовывать при низких температурах так называемый конденсат Бозе-Эйнштейна. Все частицы, входящие в образованный конденсат, находятся в одном квантовом

состоянии, то есть ведут себя абсолютно одинаково.

Этот конденсат очень удобный объект для изучения, но вот беда – все известные нам атомы – кирпичики мироздания – являются фермионами. А они, согласно принципу Паули, не могут иметь одинаковые квантовые состояния. То есть получение «чистого» фермионного конденсата казалось бы невозможным.

Однако американские ученые провели аналогию между атомами вещества и электронами (они тоже фермионы), которые могут объединяться в так называемые пары Купера, образующиеся при переходе некоторых металлов в состояние сверхпроводимости. Пара Купера из двух элементов уже может рассматриваться как бозон. Очевидно, что изучение фермионных конденсатов может значительно продвинуть исследования в области высокотемпературной сверхпроводимости, поскольку механизм образования пар атомов имеет тот же характер, что и образование пар Купера, но при этом атомы значительно более устойчивы к

влиянию высоких температур.

Рис. 41. Энергетическая диаграмма. При сверхнизкой температуре возникает фермионный конденсат (на переднем плане)

385

Диалектико-материалистическое определение материи направлено против отождествления понятия материи с ее конкретными видами и свойствами. Тем самым оно допускает возможность существования, а значит, и открытия в будущем новых неизвестных, «диковинных» видов материи. Следует сказать, что в последние годы физики и философы все настойчивее предсказывают такую возможность.

8.2.Свойства и атрибуты материи

Вмикромир бы мне пробраться,

Вмир незримых величин,

Вкрай, где корни коренятся Всех последствий и причин;

Вцарство малых измерений Вникнуть, где на миллион Действенных микромгновений Миг обычный расщеплен.

Вадим Шефнер

Они пристально вглядываются в будущее и ждут появления новой теории элементарных частиц, как юная Ассоль ждала принца на корабле с алыми парусами.

Альбер Вейник

Выше уже говорилось, что материя обладает множеством свойств. Кратко перечислим наиболее общие из них. К их числу относятся, в первую очередь, движение, пространство и время, являющиеся атрибутами материи, т.е. тем, что обеспечивает их бытие. Материя вечна и бесконечна. Это означает, что она никогда не имела начала во времени и пространстве и не будет иметь конца. Принцип неуничтожимости и несотворимости материи и движения является следующим свойством материи. Этот принцип конкретно реализуется в многочисленных законах сохранения. Важным свойством материи является способность к взаимопревращению различных видов материи друг в друга. Отсюда следует, что отдельные виды материи могут исчезнуть, но при этом в определенном количественном соотношении появляются другие ее виды. И этот процесс бесконечен. О свойстве неисчерпаемости материи мы уже говорили.

386

A PROPOS (фр.) – кстати

Мир электрона

Быть может, эти электроны – Миры, где пять материков, Искусство, знанья, войны, троны И память сорока веков

Еще, быть может, каждый атом – Вселенная, где сто планет;

Там всё, что здесь в объеме сжатом, Но также то, чего здесь нет. Их меры малы, но все та же Их бесконечность, как и здесь;

Там скорбь и страсть, как здесь, и даже Там та же мировая спесь

Их мудрецы, свой мир бескрайний Поставив центром бытия, Спешат проникнуть в искры тайны

Иумствуют, как ныне я;

Ав миг, когда из разрушенья Творятся токи новых сил,

Кричат, в мечтах самовнушенья, Чтоб бог свой светоч загасил!

Валерий Брюсов, 13 августа 1922 г.

Наконец, материя характеризуется противоречивостью, единством прерывного и непрерывного, единством конечного и бесконечного, абсолютностью и относительностью и т.д. Изучая свойства материи, можно заметить их неразрывную диалектическую взаимосвязь. Одни свойства взаимообусловливают другие ее свойства.

AD HOS (лат.) – кстати

«Мы все выражаем надежду и молимся за то, чтобы протон оказался стабильным. Но если ему все же суждено умереть, я желал бы, по крайней мере, чтобы он умер у меня на руках».

М. Гольдхабер

Материя имеет и сложное структурное строение. На основе достижений современной науки мы можем указать некоторые ее виды и структурные уровни. Известно, что до конца XIX в. естествознание не шло дальше молекул и атомов. С открытием радиоактивности, электронов начался прорыв физики в более глубокие области материи. Причем, подчеркнем еще раз, принципиально новым при этом является отказ от абсолютизации

387

каких-то первокирпичиков, неизменной сущности вещей. В настоящее время физикой открыто множество различных элементарных (фундаментальных) частиц. Оказалось, что каждая частица имеет свой антиподантичастицу, имеющую с ней одинаковую массу, но противоположный заряд, спин и т.д. Нейтральные частицы также имеют свои античастицы, отличающиеся противоположностью спина и других характеристик. Частицы и античастицы, взаимодействуя, «аннигилируют», т.е. исчезают, превращаясь в другие частицы. Например, электрон и позитрон, аннигилируя, превращаются в два фотона.

Симметричность элементарных частиц позволяет высказать предположение о возможности существования антимира, состоящего из античастиц, антиатомов и антивещества. Причем все законы, действующие в антимире, должны быть аналогичными законам нашего мира.

Общее количество частиц, включая и так называемые «резонансы», временной промежуток жизни которых чрезвычайно мал, достигает сейчас более 300 единиц. Предсказывается существование гипотетических частиц-кварков, имеющих дробный заряд. Кварки пока не открыты, но без них невозможно удовлетворительно объяснить некоторые квантово-механичес- кие явления. Не исключено, что в недалеком будущем это теоретическое предсказание найдет экспериментальное подтверждение.

Частицы вещества и кванты полей подчиняются разным квантовым статистикам и ведут себя

различным образом. Так, частицы вещества являются ферми-частицами

388

(фермионами). Системы тождественных ферми-частиц подчиняются статистики Ферми-Дирака. Все фермионы имеют полуцелое значение некоторой очень важной квантовой характеристики элементарной частицы, (не менее важной, чем заряд или масса), называемой спином. А для частиц с полуцелым значением спина справедлив принцип заперта Паули, согласно которому две тождественные частицы с полуцелым спином не могут находиться в одном и том же состоянии. Принцип Паули определяет образование электронных оболочек в атомах, поскольку в одном и том же состоянии на одном подуровне могут находиться только два электрона с противоположными спинами, что определяет закономерности периодической системы элементов Менделеева (см. главу 5).

Все кванты полей являются бозе-частицами (бозонами) – частицами с целочисленным значением спина. Системы тождественных бозе-частиц подчиняются статистики Бозе-Эйнштейна. Принцип Паули для них не справедлив: в одном и том же состоянии может находиться любое число частиц. Так что бозе- и фермичастицы рассматриваются как частицы, имеющие различную природу.

В свою очередь частицы вещества делятся на две группы: кварки и лептоны. Кварки и лептоны входят в состав других физических объектов

исчитаются при достигнутых на сегодняшний день энергиях «бесструктурными». Кварки – это частицы, которые, кроме электронного заряда, обладают цветным зарядом. Наличие у кварков цветного заряда обуславливает способность их к сильным взаимодействиям. Известно, что протон

инейтрон состоят из трех кварков. Однако, принцип Паули здесь не нарушается, так как эти кварки имеют различные цветовые заряды. Заряд сильного взаимодействия назвали «цветом» именно по аналогии с действительными цветами, подчеркивая этим, что смешение трех цветов кварков делает протон или нейтрон бесцветным. Так же, как смешение красного, желтого и зеленого цветов дает белый цвет. Соответственно, различают три заряда сильных взаимодействий – красный (R), желтый (Y) и зеленый (G). Лептоны – бесцветны и не участвуют в сильных взаимодействиях. Предполагается существование шести видов (ароматов) кварков и шести лептонов. Поведение кварков несколько необычно, ибо они никогда не встречаются в свободном состоянии, а находятся в постоянном плену, заключены внутри других частиц, например, внутри протонов или нейтронов. В физике кварков сформулирована гипотеза конфайнмента (от англ. слова confinement – пленение) кварков, согласно которой невозможно вылетание кварка из целого. Он может существовать лишь в качестве элемента целого. Несмотря на это необычайное обстоятельство, существование кварков как реальных частиц в физике надежно обосновано.

389

Квантом гравитационного поля является гравитон. Однако гравитон пока не установлен экспериментально, равно как и не построена по сей день теория квантовой гравитации. Квантам электронного поля является фотон γ. Масса покоя фотона равна нулю. Фотон не несет на себе электрического заряда. Это обеспечивает линейный характер электромагнитных взаимодействий и большой радиус их действия. Квантами слабого взаимодействия являются три бозона – W+, W–, Z0 – бозоны. Верхние индексы указывают знак электрического заряда этих квантов. Кванты слабого взаимодействия имеют значительную массу, что приводит к тому, что слабое взаимодействие проявляется на очень коротких расстояниях. Квантами сильного взаимодействия являются восемь глюонов. Свое название глюоны получили от английского слова glue (клей), ибо именно они ответственны за конфайнмент кварков. Массы покоя глюонов равны нулю. Однако глюоны обладают цветным зарядом, благодаря чему они способны к взаимодействию с друг другом, как говорят, к самодействию, что приводит к трудностям описания сильного взаимодействия математически ввиду его нелинейности. Если слабое взаимодействие ответственно за изменение ароматов кварков, то сильное взаимодействие, осуществляемое посредством обмена глюонами между кварками, приводит к изменению цветов кварков. Так что в ядре постоянно происходят превращения протонов в нейтроны и наоборот за счет обмена квантами слабого взаимодействия между кварками. Кроме этого внутри протонов и нейтронов кварки постоянно меняют свои цвета, испуская и поглощая глюоны. При этом протоны и нейтроны остаются бесцветными.

Третьим качественно отличным от вышеназванных двух форм материи является физический вакуум. Дело в том, что все кванты полей, рассмотренные нами ранее, являются векторными калибровочными бозонами. Калибровочными их называют по той причине, что они являются квантами калибровочных полей. Векторными их называют потому, что все они имеют целочисленное значение спина, равного 1, за исключением гравитона, спин которого предполагается равным 2. Физический вакуум нашей Вселенной рассматривается как коллективные возбуждения хиггсовых скалярных бозонов, спин которых равен 0.

В самом общем виде можно выделить следующие структурные уровни материи:

1.Фундаментальные частицы и поля.

2.Атомно-молекулярный уровень.

3.Все макротела, жидкости и газы.

4.Космические объекты: галактики, звездные ассоциации, туманности

ит.д.

390