ТЕМА 2.1. СОВРЕМЕННАЯ ФИЗИЧЕСКАЯ КАРТИНА МИРА

2.1.1. Физическая материя и физическая реальность.

В физике понятие материи является центральным, поскольку с помощью этого

понятия объясняют основные свойства вещества и поля, законы движения различных

неорганических систем и их фундаментальных взаимодействий. Эти свойства и законы

проявляются определенным образом в технических и биологических системах, в силу чего

физика широко используется для объяснения процессов в указанных системах.

В пределах ядерной физики становится ясным, что современное учение о строении

физической материи является наукой не об неизменных структурных элементах, а о

взаимодействиях и превращениях этих элементов, выявляющих свои свойства и строение,

свою относительную устойчивость именно в этих взаимодействиях и превращениях.

В мире может существовать еще множество других, неизвестных нам видов

физической материи с необычными специфическими свойствами.

В настоящее время физики к понятию “физическая материя” относят вещество, поле

и физический вакуум.

Вещество — это материальная среда, состоящая из молекул, атомов и элементарных

частиц, которым присуща масса покоя, прерывистость и локализованность в пространстве.

Известны 4 вида вещества: твердое, жидкое, газообразное и плазменное.

Поле — это особый вид материи, не имеющий массы покоя и непрерывно

распространяющийся в пространстве от точки к точке (в виде близкодействия). Полей

известно сегодня очень много. Например, это гравитационное поле, электромагнитное,

ядерное, мезонное и др.

Физический вакуум — это не пустота, это первичное состояние материи, которое

характеризуется наименьшей энергией при отсутствии вещества.

В философии категория материи является фундаментальным философским

понятием. Материя — это философская абстракция: бесконечное множество всех

существующих в мире объектов и систем, всеобщая субстанция, субстрат любых свойств,

связей, отношений и форм движения. Материя включает в себя не только все

непосредственно наблюдаемые объекты и тела природы, но и все те, которые в принципе

могут быть познаны в будущем на основе совершенствования средств наблюдения и

эксперимента.

Весь окружающий нас мир представляет собой движущуюся материю в ее бесконечно

разнообразных формах и проявлениях, со всеми ее свойствами, связями и отношениями.

Вместе с тем наука имеет дело лишь с конкретными видами материи. Материи «вообще» в

природе не существует.

Но эта философская абстракция является глубоко научной, т.к. она отражает

действительно всеобщее, абсолютное свойство всех вещей и процессов, независимо от их

конкретного вида. Это свойство — быть объективной реальностью, существовать

независимо от сознания.

С понятием физической материи иногда путают понятие физической реальности.

Физическая реальность — понятие, обозначающее систему теоретических объектов,

построенных отдельной физической теорией (или совокупностью теорий). Физическая

реальность характеризует объективно-реальный мир через призму теоретико-физических

понятий, законов и принципов. Т.е., физическая реальность есть теоретическая модель

физических объектов и процессов. Поэтому ее следует отличать от объективной реальности,

которая ни от каких физических теорий не зависит.

Соотношение физической реальности с объективно-реальным миром осуществляется

в ходе развертывания практики физического эксперимента и посредством материального

воплощения теоретических законов в технических устройствах, приборах и средствах

производства.

2.1.2.Системность и структурность физической материи

Физическая материя обладает рядом атрибутов или свойств, главнейшими из

которых являются системность и структурность.

Любой объект материального мира можно рассматривать в качестве системы.

Система — особая целостность, которая характеризуется наличием упорядоченного

множества элементов, взаимосвязанных и взаимодействующих между собой.

Упорядоченность множества означает наличие закономерных отношений между элементами,

проявляющихся в виде законов структурной организации.

Например, макротело можно рассматривать как определенную организацию

молекул. Любая молекула тоже является системой, которая состоит из атомов. Атом также

представляет собой системное целое. Он состоит из ядра и электронных оболочек,

расположенных на определенных расстояниях от ядра. Ядро каждого атома, в свою очередь,

имеет внутреннюю структуру. В простейшем случае (у атома водорода) ядро состоит из

одной частицы — протона. Ядра более сложных атомов образованы путем взаимодействия

протонов и нейтронов, которые внутри ядра постоянно превращаются друг в друга и

образуют особые целостности — нуклоны. Наконец, и протон и нейтрон — сложные

образования. В них можно выделить специфические элементы кварки, которые

взаимодействуют, обмениваясь другими фундаментальными частицами — глюонами.

Материальные системы всегда взаимодействуют с внешним окружением. Некоторые

свойства, отношения и связи элементов в этом взаимодействии меняются, но основные связи

должны сохраняться и это является условием существования системы как целого. Эти

устойчивые связи и отношения между элементами системы и образуют ее структуру. Иными

словами, любая материальная система — это элементы и их структура.

Отметим, что во всех целостных системах связь между элементами является более

устойчивой, упорядоченной и внутренне необходимой, чем связь каждого из элементов с

окружающей средой. Чем меньше размеры материальных систем, тем более прочно связаны

между собой их элементы.

Т.о., структурность и системная организация материи выражают упорядоченность

существования материи и те конкретные формы, в которых она проявляется.

Структура физической материи проявляется в существовании ее в виде

бесконечного многообразия целостных систем, тесно взаимосвязанных между собой. Эта

структура неисчерпаема и бесконечна в количественном и качественном отношениях. Но

эмпирически доступной для наблюдений всегда является лишь конечная область

материального мира. Она простирается в масштабах от 10-15 см до 10-28 см (около 20

миллиардов световых лет), а во времени — до 2 . 1028 лет.

В доступных пространственно-временных _______масштабах структурность материи

проявляется в ее системной организации, существовании в виде множества иерархически

взаимосвязанных систем, начиная от элементарных частиц и кончая Метагалактикой.

Иерархия — принцип структурной организации сложных многоуровневых систем,

состоящий в упорядочении взаимодействий между уровнями от высшего к низшему.

Причем, на более высоких уровнях иерархии осуществляются преимущественно функции

согласования, интеграции. Системный подход в рассмотрении материи показан на схеме

«Представления ученых конца XX в. об иерархической организации физической материи».

2.1.3.Краткая характеристика элементарных частиц

Согласно современным научным физическим взглядам, глубинные структуры

материального мира представлены элементарными частицами. За исключением электрона,

исследования которого начались еще в прошлом веке, все остальные частицы были

обнаружены в XX столетии. Их свойства оказались весьма необычными, резко

отличающимися от свойств макротел, с которыми мы сталкиваемся в повседневном опыте.

Все элементарные частицы обладают одновременно и корпускулярными, и

волновыми свойствами, а закономерности их движения, изучаемые квантовой физикой,

отличаются от закономерностей движения макротел, описанных в классической физике.

Это происходит потому, что на микроуровне поля не являются абсолютно

континуальными (непрерывными), т.к. они представляются состоящими из квантов, которые

можно рассматривать в качестве частиц, обладающих одновременно и корпускулярными, и

волновыми характеристиками. Т.о., частицы вещества неотделимы от создаваемых ими

полей, а каждое из полей вносит свой «вклад» в структуру частиц, обусловливая их свойства.

В пограничных областях существует непрерывный переход полей и частиц

вещества. Т.е., если рассматривать структуру вещества, то во всех системах внутреннее

пространство будет выражать протяженность этих полей и частиц.

Первая элементарная частица (электрон) была открыта на рубеже XIX — XX

столетий. В настоящее время их насчитывается более 350 разновидностей.

Все элементарные частицы в зависимости от времени жизни подразделяются на три

группы:

1.Стабильные или устойчивые. К ним относятся частицы, которые существуют

сравнительно долго. Это электрон, протон, фотон, нейтрино. Так, время жизни электрона

больше 5 .1021 лет, протона 2 .1030 лет.

2.Квазистабильные или малоустойчивые. К ним относится нейтрон, время жизни

которого составляет около 1000 сек.

3.Резонансные или крайне неустойчивые. К ним относятся каоны и лямбда-

гипероны, а также целая группа (семейство) «очарованных» и гравитоны.

У всех элементарных частиц есть античастицы, отличающиеся противоположными

знаками электрического заряда и магнитного момента. Для электрона — это позитрон, для

протона — антипротон и т.д.

О существовании таких частиц впервые объявил английский физик П. Дирак. Он

создал теорию, из которой следовало, что в природе должна существовать частица с массой,

равной массе электрона, но заряженная положительно. Такая частица (позитрон) и была

обнаружена первой экспериментально в 1932 г. К. Андерсоном.

Свойства античастиц аналогичны свойствам обычных частиц. Из античастиц могут

образовываться устойчивые атомные ядра, атомы, молекулы и антивещество. Его иногда

неправильно называют антиматерией, в то время как в действительности антивещество

представляет собой особую форму материи как объективной реальности. Пока антивещество

не обнаружено даже в космосе, поэтому существование «антимира» (т.е. галактик из

антивещества) остается проблематичным.

Доказано, что все элементарные частицы участвуют в 4-х типах взаимодействий:

сильном, слабом, электромагнитном и гравитационном (подробнее об этом см. в теме 2.3.).

По типам взаимодействий все элементарные частицы классифицируются на 3

группы:

1.Адроны (от греч. — большой, сильный). Это тяжелые частицы. Они участвуют во

всех типах взаимодействий, но характеризуются особенно сильным взаимодействием. Мир

адронов включает более 300 частиц, большинство их нестабильно.

2.Лептоны (от греч. — мелкий, легкий). Это легкие частицы. Они участвуют в

слабых, электромагнитных, гравитационных взаимодействиях, но никогда не участвуют в

сильных. Известно 12 лептонов: электрон, позитрон, мюон, 3 типа нейтрино и еще 6

антицастиц.

3.Фотоны (частицы с нулевой массой покоя). Они участвуют только в

электромагнитном взаимодействии, поэтому не могут быть отнесены ни к первой, ни ко

второй группам. С 70-х гг. XX в. развивается представление, что фотоны входят в одну

группу с очень массивными частицами. Эти частицы называются промежуточными

векторными бозонами. Они ответственны на слабое взаимодействие и пока на опыте не

наблюдаемы.

Элементарным частицам присущи следующие общие свойства:

1.Тождественность (неразличимость) частиц данного типа, например, электронов,

протонов и др.

2.Способность существовать в свободном состоянии достаточно большой промежуток

времени (больше характерного ядерного времени 10 -23 сек.). Но частицы могут быть и

весьма устойчивы, и существовать неопределенно долго.

3.Обладание некоторыми физическими характеристиками (массой покоя, спином),

сохраняющимися при взаимодействиях частиц.

4.Способность элементарных частиц превращаться в другие элементарные частицы.

5.Элементарность не исключает сложного внутреннего строения частицы, о чем в

настоящее время известно довольно мало. Так, до сих пор ученые не могут объяснить

размеров электрона и его устойчивости. Эксперименты последних лет дают определенное

указание на сложность структуры протона и нейтрона.

2.1.4. Кварковая модель структуры адронов.

Исследования частиц при больших энергиях взаимодействия привели к успешному

открытию, а затем и развитию кварковой модели структуры адронов. Первоначальный

вариант модели был разработан Д. Цвейгом и М. Гелл - Манном в 1964 г.

Кварки — гипотетические фундаментальные частицы, из которых, как

предполагают, состоят адроны. Кварки встречаются 6 видов или «ароматов». «Ароматы»

кварков имеют следующие названия: верхний, нижний, очарованный, стройный, истинный,

прелестный. Свойства кварков с различными «ароматами» различны.

Каждый кварк может находиться в одном из трех «цветовых» состояний, которые

условно называют «красным», «синим», «зеленым».

Цвет — это степень свободы. Как полагают, у кварков существует внутренняя

степень свободы, из-за которой кварки одного «аромата» могут отличаться друг от друга.

У каждого кварка есть свой антикварк. Кварки существуют парами — дублетами.

Пара кварк — антикварк бесцветна, потому что цвет каждого антикварка считается

дополнительным цвету кварка.

В современной физике микромира Кварки выступают как предельная ступень

дробления адронной материи. Они бесструктурны и по совокупности известных свойств

хорошо вписываются в представление об истинно элементарных частицах.

Однако в последнее время кварки стали представлять как сложные объекты,

построенные из субкварков или преонов (первочастиц). Эксперимент же пока не дает

никаких указаний на существование преонов.

Кварки не только необычны сами по себе, но они необычным образом

взаимодействуют друг с другом. Это взаимодействие является сильным и осуществляется

через обмен глюонами.

Термин «глюоны» — происходит от английского слова «клей». Глюоны —

гипотетические электрически нейтральные частицы. В современной теории сильного

взаимодействия предполагается существование 8 глюонов, обладающих характеристикой

«цвет»

Обмен глюонами между кварками меняет «цвет» кварков, но оставляет неизменными

все остальные их физические характеристики. Т.к. глюоны обладают «цветом», они могут

непосредственно взаимодействовать друг с другом путем порождения и поглощения

глюонного поля.

По-видимому, кварковая модель структуры адронов постоянно уточняется. Уже

сегодня разрабатывается новая модель — модель кваркового мешка.. Разработка этой модели

— попытка учесть динамику кварков в духе современной квантовой хромодинамики (или

теории взаимодействия цветных кварков и глюонов).

В этой модели вводится представление о двух фазах адронного вещества. Первая

фаза — вакуум квантовой хромодинамики, который содержит конденсат глюонных и

кварковых полей. Предполагается, что в вакууме невозможно распределение свободных

кварков и глюонов.

Вторая фаза соответствует области внутри адрона. Адрон представляется как

пузырь, который удерживается внутренним движением почти свободных кварков и глюонов

от схлопывания из-за внешнего давления вакуума.

В модели кваркового мешка удается рассмотреть в согласии с опытом многие

характеристики адронов. Так доказано, что увеличение расстояния между кварками внутри

адронов приводит к резкому возрастанию связывающих сил. Поэтому в отличие от ранее

известных элементарных частиц (протонов, нейтронов, электронов) Кварки пока не

обнаружены в свободном состоянии. Они оказываются как бы запертыми внутри адронов.

Есть предположение, что выделить кварки в свободном состоянии невозможно,

потому что с увеличением расстояний между кварками сила взаимодействия между ними не

убывает, а, напротив, неограниченно возрастает, что исключает их существование вне

структуры элементарных частиц. Но в эксперименте их можно прозондировать: при

столкновении частиц больших энергий внутри адронов обнаруживаются несколько

своеобразных центров, на которых происходит рассеяние частиц и которые физики

отождествляют с кварками.

Т.о., кварки и лептоны выступают в качестве базисных объектов в системе

элементарных частиц. Они являются главным строительным материалом для вещества

нашего мира, поскольку ядра атомов существуют благодаря взаимодействию кварков.

2.1.5. Краткая характеристика физического вакуума и виртуальных частиц

Элементарный уровень организации материи включает наряду с элементарными

частицами еще и такой необычный физический объект, как физический вакуум.

Физический вакуум — низшее _______энергетическое состояние материи или точнее

квантового поля. Современная физика показала, что вакуум содержит «минимальные»

электромагнитные и электронно-позитронные поля, и их колебания оказывают влияние на

атомы.

Выяснилось, что физический вакуум способен скачком перестраивать свою

структуру. Такие переходы от одного состояния к другому, связанные с резким изменением

характеристик системы, в физике называется фазовым (известным примером служат

переходы воды в пар и лед). Физический вакуум тоже оказался способным к фазовым

скачкам. И еще одно: в нем постоянно происходят сложные процессы, связанные с

непрерывным появлением и исчезновением так называемых «виртуальных частиц».

Дело в том, что энергия может переходить в поле, а поле — в частицы. В этом

отношении вакуум похож на диэлектрик, а рождение частиц напоминает пробой диэлектрика

в сильных полях.

Виртуальные частицы — это частицы в промежуточных состояниях, это

своеобразные потенции соответствующих типов элементарных частиц, их «вакуумные

корни». Это частицы, готовые к рождению, но не рождающиеся, возникающие и исчезающие

в очень короткие промежутки времени.

При определенных условиях виртуальные частицы могут вырваться из вакуума,

превращаясь в «нормальные» элементарные частицы, которые живут относительно

независимо от породившей их среды и могут взаимодействовать с ней.

Вообще же, согласно квантовой теории поля, взаимодействие частиц осуществляется

благодаря их обмену различными виртуальными частицами. Так, протоны и нейтроны

постоянно окружены облаком виртуальных пи-мезонов, входящих в их структуру. Поэтому

при электронно-магнитных взаимодействиях заряженных частиц излучаются виртуальные

фотоны, а при ядерных взаимодействиях — виртуальные мезоны. Виртуальные частицы

имеют те же квантовые числа, что и обычные частицы, но они отличаются от обычных

частиц тем, что для них не выполняется соотношение специальной теории относительности

между энергией, импульсом и массой покоя.

Элементарным частицам присущи следующие общие свойства:

1.Тождественность (неразличимость) частиц данного типа, например, электронов,

протонов и др.

2.Способность существовать в свободном состоянии достаточно большой промежуток

времени (больше характерного ядерного времени 10 -23 сек.). Но частицы могут быть и

весьма устойчивы, и существовать неопределенно долго.

3.Обладание некоторыми физическими характеристиками (массой покоя, спином),

сохраняющимися при взаимодействиях частиц.

4.Способность элементарных частиц превращаться в другие элементарные частицы.

5.Элементарность не исключает сложного внутреннего строения частицы, о чем в

настоящее время известно довольно мало. Так, до сих пор ученые не могут объяснить

размеров электрона и его устойчивости. Эксперименты последних лет дают определенное

указание на сложность структуры протона и нейтрона.

Контрольные вопросы

1.Что такое материя с точки зрения современной физики?

2.Какие виды материи Вам известны? Дайте им краткое определение.

3.В чем отличие физической материи от физической реальности?

4.В чем проявляется структурность и системность физической материи?

5.Как Вы понимаете иерархическую организацию материи в микро-, макро- и

мегамирах? Чем отличаются эти миры?

6.Что означает понятие «корпускулярно-волновой дуализм»?

7.Какое содержание вкладывается в понятие «элементарные частицы»?

8.Что представляют собой адроны, лептоны, фотоны, промежуточные векторные

бозоны?

9.Чем занимается квантовая хромодинамика?

10.В чем сущность кварковой модели структуры адронов?

11.Что такое физический вакуум?

12.Что представляют собой виртуальные частицы?

Литература

1.Ахиезер А.И., Рекало М.П. Современная физическая картина мира. — М., 1980.

2.Коккедэ Я. Теория кварков /Пер. с англ. — М., 1971.

3.Физика микромира (маленькая энциклопедия).— М., 1990.

4.Физическая энциклопедия. — М., 1990.

5.Физический энциклопедический словарь. — М., 1984.

Контрольные задания по теме 2.1.

№ 1. Дайте определения материи: а) с точки зрения философии; б) с точки зрения

физики. Укажите сходства и отличия в этих понятиях.

№ 2. Изобразите в виде схемы системность физической материи.

№ 3. Свяжите между собой понятия «кварки», «физическая материя», «физическая

реальность».

№ 4.Выберите правильный ответ.

Квазистабильные частицы – это а) устойчивые частицы; б) малоустойчивые,

распадающиеся за счет электромагнитных и слабых взаимодействий; в) крайне

неустойчивые.

№ 5. Изобразите в виде схемы иерархическую организацию материи: а) в космосе; б)

в микромире.

№ 6. Изобразите современную классификацию элементарных частиц таблицей.

№ 7. Какому понятию соответствует следующее определение: «Частицы в

промежуточных состояниях, готовые к рождению, но не рождающиеся; возникающие и

исчезающие в очень короткие промежутки времени».

№ 8. К какому типу элементарных частиц относятся каоны, лямбда и пр. подобные

частицы.

№ 9. Самостоятельно изучите вопрос «Квантовая хромодинамика: проблемы и

перспективы». Используйте дополнительную литературу:

1. Индурайн Ф. Квантовая хромодинамика: введение в теорию кварков и глюонов /

Пер. с англ. — М., 1986.

2. Коккеде Я. Теория кварков / Пер. с англ. — М., 1971.

3.Физческий энциклопедический словарь. — М., 1984.

4. Физическая энциклопедия. — М., 1990.