Грушевицкая Садохин КСЕ Учебник. Учебное пособие для студентов дневного и заочного
 Скачать 3.37 Mb.
|
|
ТЕМА 9 СТРУКТУРНЫЕ УРОВНИ ОРГАНИЗАЦИИ МАТЕРИИ СТРУКТУРНОСТЬ И СИСТЕМНОСТЬ МАТЕРИИ Важнейшими атрибутами материи являются структурность и системность. Они выражают упорядоченность существования материи и те конкретные формы, в которых она проявляется. Под структурой материи обычно понимается ее строение в микромире, существование в виде молекул, атомов, элементарных частиц и т.д. Это связано с тем, что человек, являясь макроскопическим существом, привык к соответствующим масштабам, поэтому понятие строения материи ассоциируется, как правило, с микрообъектами. Но если рассматривать материю в целом, то понятие структуры материи будет охватывать также различные макроскопические тела, все космические системы мегамира. С этой точки зрения структура материи проявляется в существовании бесконечного многообразия целостных систем, тесно связанных между собой. Из всего многообразия форм объективной реальности (то есть материи), эмпирически доступной для наблюдения является конечная область материального мира, которая простирается от 10-15см до 1028см (около 20 млрд. световых лет), а во времени - до 2-1010 лет. В этих доступных нам масштабах структурность материи проявляется в ее системной организации, существовании в виде множества иерархически взаимосвязанных систем: Метагалактика, отдельная галактика, звездная система, планета, отдельные тела, молекулы, атомы, элементарные частицы. Наряду со структурностью неотъемлемым свойством материи является ее системность. Система - это внутренне (или внешне) упорядоченное множество взаимосвязанных элементов, определенная целостность, проявляющая себя как нечто единое по отношению к другим объектам или внешним условиям. Во всех целостных системах связь между элементами является более устойчивой, упорядоченной и внутренне необходимой, чем связь каждого из элементов с окружающей средой. В неживой природе множество объектов будет целостной системой только в том случае, если энергия связи между ними больше их суммарной кинетической энергии совместно с энергией внешних воздействий, направленных на разрушение системы. В противном случае система не возникнет или распадется. Энергия внутренних связей - это общая энергия, которую нужно было бы приложить последовательно к каждому из элементов, чтобы удалить его из системы на большое расстояние, то есть «растащить» систему. Поскольку эта энергия не возникает из ничего, стабильность и целостность систем оказывается косвенно обусловленной действием закона сохранения энергии. Внутренняя энергия связи может иметь различное значение в зависимости от характера сил, объединяющих тела в системы. С переходом от космических систем к макроскопическим телам, молекулам и атомам к гравитационным силам добавляются электромагнитные, намного более мощные, чем первые. В атомных ядрах действуют еще более мощные ядерные силы. Чем меньше размеры материальных систем, тем более прочно связаны между собой их элементы. При переходе к элементарным частицам энергия внутренних связей возрастает еще больше и оказывается сопоставимой с их собственной энергией . Именно на уровне микромира физика ищет сегодня ответы на вопросы, из чего состоит материя? Есть ли конечный предел делимости материи? - вопросы, издавна волновавшие человечество. Долгое время атом считался конечным пределом делимости материи, а также тем элементарным «кирпичиком» вещества, из которого сложены все предметы и явления нашего мира. Но уже к началу XX в. выяснилось, что это не так. Был открыт электрон, а затем и другие элементарные частицы, число которых постоянно возрастает и на сегодняшний день превысило 300 разновидностей. У большинства элементарных частиц есть античастицы, отличающиеся противоположными знаками электрического заряда и магнитного момента: для электронов - позитроны, для протона - антипротон, для нейтрона - антинейтрон и т.д. Все другие свойства античастиц аналогичны свойствам обычных частиц. Из них могут образовываться устойчивые атомные ядра, атомы, молекулы и антивещество, подчиняющееся тем же законам движения, что и обычное вещество. При соприкосновении вещества с антивеществом происходит процесс аннигиляции - превращения частиц и античастиц в фотоны и мезоны больших энергий. В рамках данного пособия мы не имеем возможности более подробно рассмотреть вопрос об элементарных частицах. Однако мы можем констатировать, что современная физика довольно неплохо изучила процессы, протекающие в микромире, систематизировав эти знания и представив их в таких теориях, как квантовая механика, квантовая электродинамика, квантовая хромодинамика. Об основах этих теорий, отражающих современный уровень знаний о строении материи, и необходимо поговорить. ПОЛЕ И ВЕЩЕСТВО В литературе часто основные формы материи подразделяют на ноле и вещество. Такое деление имеет некоторый смысл, но оно ограничено. Под веществом имеют в виду различные частицы и тела, которым присуща масса покоя, тогда как поля и их кванты массы покоя не имеют, хотя обладают энергией, импульсом и множеством других свойств. Но поле и вещество нельзя противопоставлять друг другу. Если рассматривать структуру вещества, то во всех системах внутреннее пространство будет «занято» полями, на долю собственно частиц приходится ничтожная часть общего объема системы (примерно Ю"36 -10 ""объема), то есть поля входят в структуру вещества. В свою очередь, квантами полей выступают частицы, относящиеся к веществу. В этой неразрывной взаимосвязи частиц и полей можно видеть одно из важнейших проявлений единства прерывности и непрерывности в структуре материи. Частицы обладают относительной прерывностью и локализованностью в пространстве, тогда как поля непрерывно распределены в нем. При этом поля не являются абсолютно континуальными средами. При излучении и поглощении они проявляются относительно дискретно - в виде квантов: фотонов, мезонов и др. Кванты полей взаимодействуют с частицами вещества как дискретные образования. Частицы вещества также нельзя представлять в виде каких-то микроскопических шариков с абсолютно резкими гранями. Частицы неотделимы от полей, и не существует абсолютно резкой границы, где кончается собственно частица и начинается ее внешнее поле. В пограничной области существует непрерывный взаимопереход полей и частиц. Характеризуя единство прерывного и непрерывного в структуре материи, следует также упомянуть единство корпускулярных и волновых свойств всех частиц вещества. Обладая относительной дискретностью, микрообъекты при взаимодействиях и движений могут проявлять волновые свойства, способность к дифракции и интерференции, они характеризуются длиной волны, обратно пропорциональной их массе и скорости  где h - постоянная Планка, одна из двух универсальных физических констант (вторая - скорость света в вакууме). Это соотношение устанавливает взаимосвязь корпускулярного параметра частицы - массы - с волновым параметром этой же частицы - длиной волны.Как поле, так и вещество обладают определенными физическими параметрами. Под полем в физике понимают специфическую форму распределения материи в пространстве и времени: в каждой точке пространства-времени существует определенное числовое значение параметра, характеризующего эту материю. Например, движущееся поле (волна) описывается длиной волны, фазой, амплитудой и их изменениями во времени и пространстве. Другая ипостась материи - частицы - характеризуются иным набором параметров: спин, заряд, масса покоя, время жизни и ряд квантовых чисел. Важнейшей характеристикой частицы служит спин, собственный момент количества движения. В классической механике такая величина характеризует вращение тела, например, волчка. Но буквальный перенос этого понятия на микрочастицу теряет смысл, поскольку элементарные частицы невозможно представить вращающимися крохотными волчками. В физике спин интерпретируется как внутренняя степень свободы частицы, обеспечивающая ей дополнительное физическое состояние. В отличие от классического момента количества движения, который может принимать любые значения в их непрерывной последовательности, спин принимает только положительные дискретные значения, пропорциональные постоянной Планка. Коэффициент пропорциональности называется спиновым квантовым числом, у одних частиц он имеет целочисленные значения (О, 1, 2...), а у других - полуцелые значения (1/2,3/2...). Свойства и поведение частиц существенно зависят от того, целое или полуцелое значение имеет их спин. Исходя из этого значения, можно систематизировать и классифицировать данные об элементарных частицах. КЛАССИФИКАЦИЯ ЭЛЕМЕНТАРНЫХ ЧАСТИЦ Исходя из значения спина, все элементарные частицы можно разделить на две группы. Частицы с полуцелым спином называются фермионами (в честь известного физика Ферми). Все эти частицы обладают свойством, имеющим характер закона -частицы с полуцелым спином могут находиться вместе лишь при условии, что их физические состояния (то есть вся совокупность характеризующих частицу параметров) не одинаковы. Этот закон в квантовой механике называется запретом Паули. Частицы с целочисленным спином называются бозонами (в честь другого крупного физика - Бозе). На них запрет Паули не распространяется, и они могут находиться вместе в любом количестве. Такое разделение частиц на две группы имеет далеко идущие последствия. Так, поля фермионов всегда остаются квантованными, и в классическом пределе они переходят в частицы. Например, мы знаем, что электрон, являющийся фермионом (его спин = 1/2), в классическом пределе выступает как истинная частица, хотя и обладает волновыми свойствами. То же относится к протону, нейтрону и всем другим частицам-фермионам. Поля же бозонов в пределе переходят в классические поля. Так, один из представителей бозонных частиц - фотон (его спин = 1) - в пределе становится классическим электромагнитным полем (свет, радиоволны). Существование фермионов и бозонов создает важнейшую предпосылку для проявлений привычного нашего макромира, состоящего из атомного вещества (фермионы) и излучений (бозоны). Зная, что все элементарные частицы являются либо бозонами, либо фермионами, можно попытаться ответить на вопрос об элементарных «кирпичиках» материи, давно волновавший человечество. Сегодня в микромире выделяют четыре уровня вещества: молекулярный, атомный, нуклонный (уровень атомного ядра и составляющих его частиц) и кварковый. Но уже обсуждается возможный облик пятого (суперструнного) уровня. Каждый вновь открываемый уровень качественно отличается от ранее известных, его характеризуют иные свойства и иные законы поведения соответствующих частиц. Поиск самых простых частиц вещества привел исследователей к пониманию того, что абсолютной элементарности не существует, что частица любого уровня сложна в своей сущности и в своих проявлениях, она неотделима от других физических реальностей, в числе которых особая роль принадлежит фону - физическому вакууму. Условно же принято считать элементарными те частицы, у которых сегодня не обнаружена внутренняя структура, а их размеры недоступны измерению (они меньше, чем 10-15см). Известны три класса таких частиц: лептоны, кварки и бозоны. Лептоны и кварки относятся к фермионам. Класс лептонов состоит из шести частиц и шести античастиц (электрон, мюон, тау-лептон и три вида нейтрино). Лептоны играют важную роль в структуре мира. Особенно велико значение электрона и нейтрино. Но лептоны не участвуют в образовании ядерных частиц - нуклонов, и в процессах, называемых сильным взаимодействием. Класс кварков, как и класс лептонов, содержит шесть частиц и столько же античастиц. Физики назвали каждый тип кварков ароматом. Этот термин, ассоциирующийся с обонянием, на самом деле обозначает квантовое число, приписываемое частицам данного типа. Ароматы обозначаются первыми буквами английских слов, принятых в качестве их названия: up, down, strange, charmed, beauty, truth. Кварки - электрически заряженные частицы. Но их заряды имеют дробные значения по отношению к заряду электрона, условно принимаемого за 1, и равны '/з или 2/з с плюсом или минусом. Экспериментальные поиски дробного заряда оказались безуспешными, хотя точность измерений была доведена до исключительно высоких значений. Очевидно, существование в природе дробного электрического заряда возможно при условии, что такие заряды вместе со своими частицами-носителями образуют связанные объединения, в которых суммарный электрический заряд равен либо 0, либо ± 1. Также не удалось обнаружить ни один кварк в свободном состоянии, хотя эксперименты на ускорителях дают убедительные косвенные доказательства их реального существования в связанном состоянии. Кварки и антикварки группируются либо по две, либо по три частицы, образуя составные частицы, названные адронами. Кварки существуют только в таких составных частицах, вне их в современных условиях они существовать не могут, и это - принципиальное свойство вещества на данном микроуровне. Составленные из-кварков адроны подразделяются на три группы. Первая - барионы - образуется комбинациями трех кварков. Эта группа включает протон и нейтрон - фундаментальную основу атомных ядер. Вторую группу образуют частицы, получаемые путем сочетания кварка и антикварка. Они называются мезонами. Еще одна группа содержит частицы, образуемые сочетаниями трех антикварков. В нее попадают антипротон и антинейтрон, то есть то, что составляет основу антивещества. Вышеперечисленные частицы-адроны составляют лишь небольшую часть всех образующихся из кварков частиц. Большую часть их составляют так называемые резонансы - неустойчивые короткоживущие частицы, быстро распадающиеся на стабильные частицы. В описанной стройной схеме обнаруживается принципиальный дефект. Кварки, будучи фермионами, должны подчиняться запрету Паули и не могут соединяться вместе, если их состояния одинаковы. А в барионных и антибарионных частицах кварки одного аромата часто оказываются вместе. Например, протон образуется комбинацией кварков, записываемой так: uud, нейтрон - udd. Казалось бы, нарушается запрет Паули. Для устранения этого противоречия ввели предположение, что кварки одного аромата не идентичны, что они различаются характером взаимодействия друг с другом и поэтому для их описания ввели еще одно квантовое число. С присущим физикам своеобразным чувством юмора его назвали «цветом». Как «аромат» не имеет отношения к запаху, так и «цвет» не имеет ничего общего с общепринятым смыслом этого слова. Введение нового квантового числа оказалось удачным, недавние эксперименты на ускорителях подтвердили, что разделение кварков одного аромата на три цвета - красный, зеленый, синий - отражает действительность. При объединении кварков и антикварков в адроны должны выполняться два условия: суммарный электрический заряд кварков в адроне должен быть целочисленным; кварки, соединяющиеся в адрон, должны полностью компенсировать свои цветовые заряды и удовлетворять признаку бесцветности. Это связано с тем, что только кварки проявляют способность к сильному взаимодействию, связанному с цветовыми силами. Адроны таких способностей не имеют в силу своей бесцветности (конфаймент). Таковы основы современных представлений о строении материи на микроуровне. План семинарского занятия (2 часа) 1. Структурность и системность как атрибуты материи. 2. Поле и вещество. 3. Классификация элементарных частиц. Темы докладов и рефератов 1. История открытия основных элементарных частиц. ЛИТЕРАТУРА 1. Ахиезер А.И., Рекало М.П. Современная физическая картина мира. М., 1980. 2. Вайнберг С. Открытие субатомных частиц. М., 1986. 3. Готт B.C., Сидоров В.Г. Философия и прогресс физики. М., 1986. 4. Денис П. Суперсила. М„ 1989. 5. Ровинский Р.Е. Развивающаяся Вселенная. М., 1995. 6. Философские проблемы естествознания. М., 1985 7. Чолпан П.Ф. Курс физики: Методологические и философские вопросы. Киев, 1990. ТЕМА 10 ФИЗИЧЕСКОЕ ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ ПРОБЛЕМЫ УЧЕНИЯ О ВЗАИМОДЕЙСТВИИ И ДВИЖЕНИИ Связь, взаимодействие и движение представляют собой важнейшие атрибуты материи, без которых невозможно ее существование. Взаимодействие обусловливает соединение различных материальных элементов в системы, системную организацию материи. Все свойства тел производны от взаимодействий, являются результатом их структурных связей и внешних взаимодействий между собой. Взаимодействие представляет собой развертывающийся во времени и пространстве процесс воздействия одних объектов на другие путем обмена материей и движением. Взаимодействие выступает как движение материи, а любое движение включает в себя различные виды взаимодействия. По существу, эти понятия совпадают, хотя часто употребляются в разных контекстах. Когда мы говорим о движении, то имеем в виду не столько внутренние изменения, основанные на структурных взаимодействиях, составляющих систему элементов материи, сколько внешнее пространственное перемещение тел, где взаимодействия как будто не видно. Но если взглянуть глубже, то и при пространственном перемещении тел обязательно есть их взаимодействие с окружающей средой и материальными полями, в результате чего изменяются свойства тел. Не существует такого движения, в содержании которого не было бы взаимодействия элементов материи, так же, как и всякое взаимодействие выступает как определенное изменение и движение. Взаимодействие и движение являются формой существования материи. Для всякого объекта существовать -значит взаимодействовать, как-то проявлять себя по отношению к другим телам, находиться с ними в объективных отношениях. Именно взаимодействие и движение являются объективными критериями существования тел. Следуя объективной логике развития природы, можно выделить несколько форм движения: в неживой природе, в живой природе и в обществе. Физика занимается исследованием процессов, происходящих в неживой природе и являющихся фундаментом гораздо более сложных процессов, происходящих на более высоких уровнях организации материи. Несомненные успехи физических наук за последнее столетие привели к необычайному углублению наших знаний в этой области бытия и особенно в теории взаимодействия и движения материи. Долгое время физика понимала движение как простое механическое движение, но затем было осознано, что оно является лишь частным случаем пространственного перемещения -любого изменения положения тела и его элементов в пространстве, связанного и с изменением во времени. Так, механическим является движение по определенной траектории, но существует бестраекторное пространственное перемещение типа сферического распространения фронта электромагнитных волн в полях, а также гравитационных волн в поле тяготения. Движению элементарных частиц тоже нельзя приписать определенную траекторию, как у материальной точки. Но любые формы движения, изучаемые физикой, есть проявление глубинных свойств материи - так называемых фундаментальных взаимодействий. Это силы гравитационного, электромагнитного, сильного и слабого взаимодействий. ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА ФИЗИЧЕСКИХ ВЗАИМОДЕЙСТВИЙ В основе каждого фундаментального взаимодействия лежит изначально присущее веществу особое свойство, природу которого удастся выяснить лишь в ходе дальнейших, все более глубоких исследований природы вещества и вакуума. Носителем способности частиц к взаимодействиям, а также количественной мерой самого взаимодействия служит понятие заряда. Каждая частица изначально обладает одним или несколькими зарядами, причем между собой взаимодействуют только однотипные заряды, а заряды разных типов друг друга «не замечают». Наименьшее дискретное значение заряда (квант) называют единичным зарядом. Сила взаимодействия во всех случаях пропорциональна произведению зарядов двух взаимодействующих частиц, более сложно она зависит от расстояния между частицами. По современным представлениям взаимодействие любого вида должно иметь своего физического агента, без посредника оно не протекает. В основе такого требования лежит тот факт, что скорость передачи воздействия ограничена фундаментальным пределом - скоростью света. Поэтому притяжение или отталкивание частиц передается через среду, их разделяющую. Такой средой является вакуум. При создании теории взаимодействия используют определенную модель процесса: заряд-фермион создает вокруг частицы поле, порождающее присущие ему частицы-бозоны; по своей природе это поле близко к тому состоянию, которое физики приписывают вакууму. Иначе говоря, заряд частицы возмущает вакуум, и это возмущение с затуханием передается на определенное расстояние; частицы поля являются виртуальными - существуют очень короткое время и в эксперименте не могут быть обнаружены; оказавшись в радиусе действия своих однотипных зарядов, две реальные частицы начинают стабильно обмениваться виртуальными бозонами: одна частица испускает бозон и тут же поглощает идентичный бозон, испущенный частицей-партнером, и наоборот; обмен бозонами создает эффект притяжения или отталкивания частиц-хозяев. Таким образом, каждой частице, участвующей в одном из фундаментальных взаимодействий, соответствует своя бозонная частица - переносчик взаимодействия. Очень важным фактором является наличие массы у частиц, в том числе и у некоторых переносчиков взаимодействия (вопрос о происхождении массы у частиц до сих пор не решен, предполагается, что она появляется в результате особой формы взаимодействия частиц со структурой вакуума) - от этого зависит радиус действия соответствующих сил. ГРАВИТАЦИОННОЕ ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ Это самое слабое из всех взаимодействий. В макромире оно проявляет себя тем сильнее, чем крупнее массы взаимодействующих тел, а в микромире оно теряется на фоне куда более могучих сил. Так, сила электростатического отталкивания электронов в 1040 раз больше силы их гравитационного притяжения. И только при экстремально высокой плотности вещества, равной 1094г/см3 (планковская плотность), гравитационные взаимодействия в микромире сравниваются по своей значимости с другими господствующими там силами. В классической физике такое взаимодействие описывается известным законом тяготения Ньютона. Гравитационные взаимодействия обусловливают образование всех космических систем, а также концентрацию рассеянной в ходе эволюции звезд и галактик материи и включение ее в новые циклы развития. Скорость распространения гравитационных волн считается равной скорости света в вакууме, но достоверно гравитационные волны еще не зарегистрированы измерительными устройствами. В рамках полевых представлений гравитационный заряд, согласно Эйнштейну, эквивалентен инертной массе вещества. Создаваемое им поле тяготения должно иметь свою бозонную частицу. Такую гипотетическую частицу назвали гравитоном. Экспериментально она пока не найдена. Движение массивного тела под действием реальной силы должно вызывать возмущение своего же гравитационного поля, распространяющегося со скоростью света в форме гравитационной волны. Из-за ничтожной малости гравитационной силы волна имеет малую амплитуду. Даже такие грандиозные космические события, как взрыв сверхновой или коллапс массивной звезды, создают гравитационные волны, по оценкам лежащие за пределами чувствительности современных регистрирующих приборов. Тем не менее американским физикам Р. Хялси и Дж. Тейлору удалось косвенно подтвердить существование гравитационных волн, за что в 1993 г. они получили Нобелевскую премию. Для гравитации не существует противоположной эквивалентной силы отталкивания (антигравитации), все античастицы обладают положительными значениями массы и энергии. Итак, с точки зрения квантовой теории гравитации, поле тяготения подвергается квантованию, квантами этого поля являются гравитоны. Силы тяготения являются результатом постоянного обмена между телами гравитонами или гравитационными волнами. Они переносят энергию, обладают пространственно-временными свойствами, импульсом и другими характеристиками, присущими материальным объектам. Но в общей теории относительности существует и противоположное понимание гравитации - как проявления кривизны пространственно-временного континуума, тем самым гравитация сводится к метрическим особенностям пространства-времени. Поле тяготения создает искривление пространства, тем большее, чем больше тяготеющая масса. Какая из этих теорий верна или хотя бы ближе к истине, покажет будущее. ЭЛЕКТРОМАГНИТНОЕ ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ Этот вид взаимодействия также обладает универсальным характером и существует между любыми телами, но, в отличие от гравитационного взаимодействия, которое всегда выступает в виде притяжения, электромагнитное взаимодействие может проявляться и как притяжение (между разноименными зарядами), и как отталкивание (между одинаковыми зарядами). Благодаря электромагнитным связям возникают атомы, молекулы и макроскопические тела. Все химические реакции представляют собой проявление электромагнитных взаимодействий, являются результатами перераспределения связей между атомами в молекулах, перестройки электронных оболочек атомов и молекул, а также количества и состава атомов в молекулах разных веществ. Изучением этих процессов занимается химия. На заре развития науки об электричестве электрические и магнитные компоненты этого взаимодействия рассматривались как независимые, не связанные между собой родством. Максвелл доказал, что обе силы - это проявление одного и того же феномена. Так в науке впервые было показано, что за внешним различием природных сил может скрываться их глубокая общность. Электродинамика Максвелла явилась законченной классической теорией электромагнетизма, сохраняющей свое значение и в наши дни. Современная физика создала более совершенную и точную теорию электромагнетизма, в которой учтены и квантово-полевые аспекты явления. Эта теория названа квантовой электродинамикой. Так же как физике неизвестна причина существования массы, так же ей неизвестна и природа электромагнитного заряда. Поэтому теория начинается с постулирования существования этого заряда. Заряд создает поле, квантом которого служит безмассовый бозон - фотон со спином, равным 1. Электрический заряд проявляется в двух разновидностях: заряд, присущий электрону, назван отрицательным; заряд, присущий протону и позитрону, назван положительным. Взаимодействие зарядов обеспечивается обменом виртуальных фотонов. В случае разноименных зарядов обмен создает эффект притяжения, а в случае одноименных - отталкивания. Во всех процессах с участием электромагнитных зарядов выполняется закон сохранения заряда, импульса, энергии и др. СЛАБОЕ ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ Это третье фундаментальное взаимодействие, существующее только в микромире. Оно ответственно за превращение одних частиц-фермионов в другие, при этом цвет слабо взаимодействующих пептонов и кварков не меняется. Типичный пример слабого взаимодействия - процесс бета-распада, в ходе которого свободный нейтрон в среднем за 15 минут распадается на протон, электрон и электронное антинейтрино. Распад вызывается превращением внутри нейтрона кварка аромата d в кварк аромата u. Вылетающий электрон обеспечивает сохранение суммарного электрического заряда, а антинейтрино позволяет сохранить суммарный механический импульс системы. Описываемые нами полевые представления о слабом взаимодействии выглядят следующим образом. Постулируется существование фундаментального слабого заряда, присущего некоторым частицам из класса пептонов и кварков, но не всем. Слабый заряд образует три разновидности поля с тремя обменными бозонными частицами, имеющими значительную массу. Слабое взаимодействие переносится векторными бозонами и имеет очень малый радиус действия порядка 10-15см. Первоначально созданная теория слабого взаимодействия оказалась несовершенной. Возникли подозрения, что трудности теории удастся преодолеть, если допустить, что слабое и электромагнитное взаимодействия - это разные проявления одного взаимодействия наподобие того, как электричество и магнетизм - два проявления единой сущности. Эту идею в 60-х годах воплотили в теорию С. Вайнберг и А. Салам. Теория единого электрослабого взаимодействия позволила решить главные проблемы, связанные со слабым взаимодействием. Эта теория исходит из существования единого фундаментального заряда, отвечающего одновременно и за слабое, и за электромагнитное взаимодействия. При очень высоких температурах (энергиях) структура вакуума нарушается и не может помешать проявлению такого заряда. Тогда слабое и электромагнитное взаимодействия сливаются воедино, а заряд порождает общее поле, квантом которого служит безмассовая бозонная частица с бесконечным радиусом действия. При понижении температуры наступает критический момент, после которого вакуум переходит в иную, более упорядоченную модификацию, что меняет характер его взаимодействия с электрослабым зарядом. В результате заряд распадается на две части, одна из которых предстает как электромагнитный заряд, а другая - как слабый заряд. Безмассовая бозонная частица распадается на четыре составляющих. Выделяется бозон электромагнитного воздействия, он остается безмассовой частицей - фотоном. А трем полям слабого заряда соответствуют три тяжелых бозона, получивших свои массы в результате взаимодействия со структурой модифицированного вакуума. Эта теория влечет ряд следствий, допускающих экспериментальную проверку. Так, она предсказала значения масс векторных бозонов, которые были подтверждены в ходе эксперимента на ускорителе. Руководителям этого эксперимента была присуждена Нобелевская премия в 1984 г. СИЛЬНОЕ ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ Основная функция сильного взаимодействия - соединять кварки и антикварки в адроны. Теория сильных взаимодействий находится в процессе создания. Она является типичной полевой теорией и названа квантовой хромодинамикой. Исходным положением ее служит постулат о существовании трех типов цветовых зарядов (красный, синий, зеленый), выражающих присущую веществу способность к объединению кварков в сильном взаимодействии. Каждый из кварков содержит некоторую комбинацию таких зарядов, но при этом полной их взаимокомпенсации не происходит, и кварк обладает результирующим цветом, то есть сохраняет способность к сильному взаимодействию с другими кварками. Но когда три кварка или кварк и антикварк объединяются в адрон, суммарная комбинация цветовых зарядов в нем такова, что адрон в целом обладает цветовой нейтральностью. Цветовые заряды создают поля с присущими им квантами -бозонами. Обмен виртуальными цветовыми бозонами между кварками и (или) антикварками служит материальной основой сильного взаимодействия. Заряды создают 8 полей с соответствующими восемью бозонными частицами, названными глюонами. Им приписывают экзотические свойства: они безмассовые, чем схожи с фотоном и гравитоном, но шесть из восьми глюонов имеют цветовые заряды, как и те фермионы, для которых они служат переносчиками взаимодействия. Ни один другой бозон, фигурирующий в полевых теориях, не является носителем заряда, и ранее считалось, что иметь заряд -это привилегия фермионов. Безмассовые глюоны, в отличие от фотонов и гравитонов, имеют ограниченный радиус действия -10-13 см, а присущий им цветовой заряд провоцирует сильнейшее возмущение вакуума, поскольку некомпенсированный цветовой заряд вызывает активное выделение в вакууме облака виртуальных глюонов и кварк-антикварковых пар, компенсирующих вносимое цветовым зарядом возмущение. Образующееся при этом пространственное распределение цветового заряда уменьшает силу взаимодействия между кварками при их сближении. На очень близких расстояниях вакуумная компенсация цветовых зарядов приводит к тому, что кварки перестают влиять друг на друга и ведут себя как свободные частицы. С увеличением расстояния между кварками сила взаимодействия нарастает. Для разделения двух частиц с цветовыми зарядами понадобилась бы бесконечно большая энергия. Но как только вводимая энергия превысит определенный уровень, вакуум выделяет уже не виртуальные, а реальные кварки-антикварки, которые соединяются с первичными частицами и образуют поток адронов, что и наблюдается в экспериментах на ускорителях. Сильное взаимодействие при любых обстоятельствах сохраняет бесцветность частиц. До открытия кварков и цветового взаимодействия фундаментальным считали ядерное взаимодействие, объединяющее протоны и нейтроны в ядрах атомов. С открытием кваркового уровня вещества под сильным взаимодействием стали понимать цветовые взаимодействия между кварками, объединяющимися в адроны. Ядерные силы перестали считаться фундаментальными, они должны как-то выражаться через цветные силы. Но это не просто сделать, ведь барионы (протоны и нейтроны), составляющие ядра, в целом цветонейтральны. По аналогии можно вспомнить, что и атомы в целом электрически нейтральны, но на молекулярном уровне проявляются химические силы, рассматриваемые как отголоски электрических атомных сил. Теория предполагает, что при сближении барионов на расстояние меньшее, чем 10-13 см, они теряют свои индивидуальные особенности, глюонный обмен между кварками, удерживающий их в адронах, принимает коллективный характер, связывая кварки всех барионов в единую систему, в атомное ядро. Перемещение одного из кварков в сторону другого кварка нарушает локальную нейтральность цветового заряда, вакуум реагирует на это рождением виртуальной кварк-антикварковой пары. Кварк этой пары замещает «нарушителя» на его законном месте, а антикварк вместе с беглецом образует виртуальный пион (пи-мезон), принимаемый за обменную частицу ядерного взаимодействия. Насколько такая картина приемлема для объяснения природы ядерных сил, покажет будущее. Пока же нет сомнений, что ядерные силы - это только отголоски цветовых сил. Рассмотренные четыре типа фундаментальных взаимодействий лежат в основе всех других известных форм движения материи, в том числе возникших на высших ступенях развития. Любые сложные формы движения при их разложении на структурные составляющие обнаруживаются как сложные модификации указанных фундаментальных взаимодействий. ТЕОРИИ БОЛЬШОГО ОБЪЕДИНЕНИЯ И СУПЕРОБЪЕДИНЕНИЯ Заветная мечта всех физиков - выявить универсальность всех фундаментальных сил, объединить все физические взаимодействия в одной теории. Объединение электромагнитного и слабого взаимодействия в единое электрослабое взаимодействие стало первым обнадеживающим успехом на этом пути. Есть попытки создать теорию Большого объединения (так называется теория объединения электромагнитного, слабого и сильного взаимодействий). Еще более грандиозна идея объединения всех четырех фундаментальных взаимодействий, включая гравитацию. Соответствующие теоретические построения называют суперобъединением. Сегодня физики считают, что они смогут создать эту теорию на основе появившейся недавно теории суперструн. Пионерами в создании этой теории явились М. Грин (Великобритания) и Дж. Шварц (США). Эта теория должна объединить все фундаментальные взаимодействия при сверхвысоких энергиях. Эта новая теория описывает некие протяженные объекты -струны. Это - пространственно одномерные отрезки с характерным размером планковской длины 10-33 см. Предполагается, что на таких малых расстояниях должны проявляться 6 дополнительных пространственных измерений, которые в отличие от обычных четырех измерений компактифицированы, то есть свернуты в точки, замкнуты, ограничены в определенных областях и не распространяются в область макромира. Эта теория является следствием объединения квантовой теории поля с общей теорией относительности. Понятие струны в ней становится синонимом понятия микрочастицы или вообще локализованного в пространстве объекта. Все частицы, которые мы знаем и, может быть, откроем в будущем, представляют собой определенное возбужденное состояние струны. Такие возбужденные состояния струн можно сравнить с набором звуков, вызываемых колебанием струны, например, скрипки. Более высокие звуки можно сопоставить с новыми частицами, с массой, большей массы предыдущих частиц. Введение понятия струны полностью исключает точечные представления из структуры микромира, и по сути эта теория сводит физику к геометрии очень сложных пространств. Теория суперструн тесно связана с новыми представлениями о симметрии - с концепцией суперсимметрии, открытой в 60 - 70-х гг., которая связала между собой бозоны и фермионы. Преобразования суперсимметрии переводят их друг в друга, а также связывают физику с геометрией. Согласно этой теории, фундаментальным объектом современной физики является квантованное суперструнное поле, возбуждениями которого являются суперструны, взаимодействующие друг с другом и с вакуумом (возникающие и поглощающиеся в нем). Струны же в свою очередь порождают элементарные частицы. Теория суперструн ведет к некоторым нетривиальным следствиям. Так, среди порожденных струнами элементарных частиц должны быть по расчетам гипотетические частицы тахионы - движущиеся со скоростью, большей скорости света. Как следствие этой теории возникает и представление о «теневом» мире - объяснение открытого астрономами факта, что галактики и скопления галактик содержат большую массу невидимого вещества, в десятки раз превосходящую массу самих галактик. Таковы в кратком изложении те проблемы, решениями которых занимается современная физика. План семинарского занятия (2 часа) 1. Взаимодействие и связь в природе. 2. Общая характеристика физического взаимодействия. 3. Фундаментальные физические взаимодействия: гравитационное, электромагнитное, слабое и сильное. 4. Создание теорий Великого объединения. Темы докладов и рефератов 1. Движение в физике. 2. Проблема эфира в современной физике. ЛИТЕРАТУРА 1. Ахиезер А.И., Рекало М.П. Современная физическая картина мира. М., 1980. 2. Ацюковскчй В.А. Материализм и релятивизм. М., 1993. 3. Готт B.C.. Сидоров В.Г. Философия и прогресс в физике. М., 1986. 4. Гудков Н.А. Идея «великого синтеза» в физике. Киев, 1990. З.Девис П. Суперсила. М., 1989. 6. Единство физики. Новосибирск, 1993. 7. Новиков И.Д. Куда течет река времени? М., 1990. 8. Ровингкий Р.Е. Развивающаяся Вселенная. М., 1995. 9. Философские проблемы физики элементарных частиц. М., 1995. 10. Философские проблемы естествознания. М., 1985. 11. Чолпан П.Ф. Курс физики: Методологические и философские вопросы Киев, 1990. |