Материя, движение и взаимодействие

Эволюция представлений о материи и движении. В истории развития представлений о сущности и видах материи можно выделить три периода. В античной и средневековой натурфилософии, а также в рамках механической картины мира понятия «материя» и «вещество» отождествлялись. Начиная с ХIХ века в естествознании начинают различать два вида материи – вещество(т.е. все то, что обладает массой покоя) и поле. Наконец, в конце ХХ века в физических представлениях о материи появилась ее третья разновидность – т.н. физический вакуум. Отметим, что строение и свойства физического вакуума изучены еще недостаточно, его рассматривают как некую гипотетическую тонкую среду нашего вещественного мира. В то же время считается установленным, что по плотности энергии физический вакуум превосходит «обычные» формы материи.

Понятие материи как некоего субстрата вещественного мира, равно как и основы двух основных концепций строения материи (континуальной и корпускулярной) были сформированы еще в античные времена. К этим же временам относятся и попытки познать первооснову мира – т.е. то, из чего состоят все тела и предметы. В поисках природного первоэлемента (своего рода «кирпичика» мироздания) древнегреческие философы вольно или невольно обращались к мифологии, в которой утверждалось существование четырех стихий (греч. stoicheion – первооснова): земли, воды, воздуха и огня (вдумчивый читатель увидит соответствие этих четырех стихий четырем известным агрегатным состояниям вещества).

Корпускулярная концепция (концепция дискретности или концепция атомизма), впервые высказанная Левкиппом, наибольшее развитие получила в трудах Демокрита. Атомы Демокрита (слово «атом», означающее в переводе с греческого «неделимый», придумал сам Демокрит) – это предельно малые невидимые для человека частицы материи, которые невозможно разделить на меньшие части. Они неразрушимы, неизменны, непроницаемы и находятся в вечном движении. Согласно концепции Демокрита, существуют только атомы и пустота, т.е. пространство, в котором движутся атомы, а все наблюдаемые изменения, включая образование не только отдельных тел, но и бесчисленных миров, есть следствие перегруппировки атомов.

Следует отметить, что понятия материи у Демокрита еще не было, его атомы – это не частицы материи, а единицы бытия. В трудах Платона материя (как нечто, обладающее способностью принимать облик какого-либо элемента) лишь подразумевается, сам же термин «материя» для обозначения вещественной основы мира первым ввел Аристотель, он же первым начал рассматривать материю как основную категорию изучения природы. В трудах Аристотеля впервые получила развитие и континуальная концепция строения материи и описания природы в целом (концепция непрерывности).

Первоматерии Аристотеля присущи две пары противоположных свойств (тепло и холод, влажность и сухость), парные комбинации которых образуют землю, воду, воздух и огонь. Отделенное от Земли Небо у Аристотеля имеет в своей основе пятый элемент – эфир, из которого состоят все небесные тела. Согласно учению Аристотеля, материя непрерывно распределена в пространстве («природа не терпит пустоты »), в соответствии с этим реальные тела можно дробить непрерывно (до бесконечности).

Понятие континуум Аристотель ввел, пытаясь найти решение парадокса бесконечности, на основе этого понятия ему удалось создать стройное учение о движении. Аристотель определяет движение как переход от потенции к энергии, т.е. от возможности к действительности, т.о. атрибутом любого движения должна быть направленность. Различные виды движения (возникновение и уничтожение, рост и убыль, качественные изменения) он свел к перемещению и попытался построить иерархию перемещений.

Непрерывными у Аристотеля являются не только предметы, но и движения, более того, непрерывность является условием возможности самого процесса движения. Все формы движения он разделил на совершенные, к которым относил круговые движения, характеризующиеся постоянством и бесконечностью, и несовершенные (конечные движения). Последние, в свою очередь, делятся на естественные (падение тел на Землю, парение) и насильственные (совершаемые под воздействием других тел).

Освобождение от влияния учения Аристотеля и формирование научных представлений о строении материи относится к XVII веку. Согласно воззрениям Ньютона объекты Вселенной дискретны и состоят из атомов – пассивных твердых частиц материи, обладающих постоянной формой и массой. Возрождение идей античного атомизма в XVII в. в немалой степени обязано трудам французского мыслителя П. Гассенди, а конкретное приложение этих идей осуществил английский ученый Р. Бойль, с которого начинается формирование химии как самостоятельной науки. Бойль изложил основы корпускулярной теории с позиций химии, его корпускула – это предел деления любого вещества, при котором еще сохраняются и проявляются его химические свойства. Бойлю принадлежит первое научное толкование понятия «химический элемент» (1661 г.), этим толкованием он внес свой наиболее весомый вклад в химию.

Гассенди первым предположил, что Бог создал определенное количество атомов, отличающихся друг от друга формой, величиной и весом, и что достаточно нескольких десятков атомов для образования огромного множества веществ. Он ввел термин молекула, полагая, что молекулы – это крупные соединения атомов, доступные ощущениям.

В XVIII в. химиками было экспериментально установлено, что многие вещества в процессе соответствующих реакций способны разделяться на более простые компоненты, а те вещества, которые с помощью химических реакций такому разделению не поддавались, и были названы химическими элементами. В 1808 г. английский физик и химик Дж. Дальтон сформулировал основополагающие идеи о том, что каждому химическому элементу соответствует свой вполне определенный атом, что все атомы одного вида (элемента) неразличимы между собой, и что наблюдаемые в природе сложные вещества образуются при объединении различных атомов в соответствующих пропорциях. В 1869 г. выдающийся российский химик Д.И. Менделеев установил принцип построения периодической системы химических элементов, основанный «на их атомном весе и химическом сходстве».

Дальнейшее развитие атомистической концепции строения вещества еще долгое время было связано с успехами химической науки, а затем – с молекулярно-кинетической теорией газов. Однако, возникшее еще в античные времена представление об атомах как о неделимых мельчайших частичках вещества и в ХIХ в. не вызывало сомнений не только у химиков, но и у физиков. Лишь в конце этого столетия в связи с открытием законов спектроскопии, радиоактивности, рентгеновских и катодных лучей вопрос о том, что же такое атом, начал волновать ученых.

Радикальные изменения в XVI - XVII вв. произошли и в представлениях о движении. Галилеем, заложившим основы классической механики, был сформулирован принцип относительности, установлены закон инерции, закономерности свободного падения и движения тел по наклонной плоскости, принципы сложения движений. Используя экспериментальный метод, Галилей (опровергнув учение Аристотеля) установил, что скорость свободно падающего тела не зависит от его массы, и что ее величина растет пропорционально квадрату времени падения. Суть закона инерции Галилея заключается в следующем: тело покоится или движется, не изменяя скорости и направления движения, если на него не производится какого-либо внешнего воздействия (по Аристотелю, тело движется только при наличии внешнего действия, а когда это действие прекращается, тело останавливается).

В рамках МКМ поступательное движение тела рассматривается как перемещение его центра тяжести в трехмерном пространстве, в качестве параметров, характеризующих движение, используются координаты, время, скорость и ускорение. Для теоретического описания движения, которое строится на базе использования принципов относительности и инерции, используется понятие материальной точки, а главной механической характеристикой тела, рассматриваемой как мера его инерции, является масса.

Изменение представлений о структуре материи связано в первую очередь с обнаружением нового вида материи – электромагнитного поля. Несмотря на существенные отличия от вещественной формы материи, поле, как вещество, наделено реальными физическими свойствами, такими, как энергия, импульс, скорость распространения. Вывод Максвелла о возможности существования самостоятельного (не связанного с наличием электрических зарядов) электромагнитного поля в виде электромагнитных волн, распространяющихся в свободном пространстве со скоростью, равной скорости света, является одним из наиболее весомых вкладов в развитие естествознания. Использование уравнений Максвелла и по сей день обеспечивают наиболее общий подход к решению любых электродинамических задач.

Становление электромагнитной (электродинамической) картины мира на рубеже XIX–XX вв. характеризуется переходом от атомистических представлений в описании строения материи к континуальным. В качестве основных понятий, раскрывающих континуальную природу материи, в этой картине мира выступают поле и излучение. В отличие от дискретного вещества поле как особый вид материи не обладает массой покоя и характеризуется непрерывностью. В то же время в качестве исходной формы материи признаются элементарные частицы (протон, нейтрон, электрон и др.), из которых состоят атомы и, соответственно, все дискретные тела. С другой стороны, излучение, характеризующееся частотой (или длиной волны), рассматривается как поток квантов (фотонов) – дискретных порций, обладающих энергией, величина которой пропорциональна частоте излучения.

В электродинамической картине мира утверждается относительность и взаимосвязь пространства, времени и движения материальной системы. Движение рассматривается как процесс распространения электромагнитных волн, пределом скорости распространения волн (а также скорости движения дискретных частиц и тел) является скорость света в вакууме. Исследование строения материи в рамках электродинамической картины мира происходило на уровне микромира и вылилось, по существу, в исследование элементарных частиц.

Современные представления о строении материи. Элементарные частицы. Как уже отмечалось, весь мир можно условно подразделить на три структурных уровня – мегамир, макромир и микромир. Мегамир включает в себя космические системы, Вселенную и характеризуется практически неограниченными масштабами. К макромиру относятся тела (которые в этом случае называются макроскопическими) размером от 10^-8 до 10⁵ м. Микромир иногда делят на два подуровня: атомно-молекулярный (области порядка10^-10 - 10^{-9 м) и квантовый (область порядка 10-17 м). Подобное деление мира на уровни весьма условно, но принципиальным является то, что процессы, происходящие в микромире, нельзя анализировать так же, как макропроцессы в некотором уменьшенном масштабе, поскольку явления микромира подчиняются другим закономерностям.}

В классической физике (связанной в основном с описанием макромира) вещество и поле противопоставляются друг другу: вещество – дискретно, а поле – непрерывно. Напротив, в микромире полевые и корпускулярные свойства материи объединяются: поле проявляет корпускулярные свойства и, наоборот, частица может проявлять волновые свойства. Между макромиром и микромиром существует еще одно различие, заключающееся в том, что макромир характеризуется существенными величинами масс тел и относительно малыми скоростями их движения, для микромира же характерны малые массы, но высокие скорости.

Атомы очень долгое время считались элементарной основой материальных тел, однако в ХХ в. выяснилось, что не только атомы не элементарны и подвержены делению, но и атомные ядра делимы. Частицы, которые считались элементарными, как оказалось. «не элементарны», и могут претерпевать взаимные превращения, в результате которых некоторые из них исчезают, а другие появляются. Элементарными (субъядерными) стали называть такие частицы, которые не удается расщепить на составные части. Эти частицы подразделяются на стабильные и нестабильные, нестабильные частицы распадаются на более стабильные, однако отсюда не следует, что первые состоят из вторых. Всем элементарным частицам присущи следующие основные черты: частицы, пока существуют, являются неизменными; частицы одного сорта абсолютно одинаковы, неразличимы; частицы могут рождаться и исчезать.

Согласно современным представлениям атом, являющийся мельчайшей частицей химического элемента, – это материальная система со сложной структурой. Одному и тому же химическому элементу могут соответствовать разновидности атомов – изотопы – искусственно синтезированные либо содержащиеся в природных объектах. Атомы одного элемента способны превращаться в атомы другого элемента: самопроизвольно (естественная радиоактивность), либо искусственным путем (посредством управляемых, специальным образом организованных ядерных реакций).

Элементарные частицы в настоящее время разделяют на следующие четыре класса:

1. Фотоны (кванты электромагнитного поля) – частицы с нулевой массой покоя.

2. Лептоны (от греч. leptos - легкий) – к этому классу элементарных частиц относятся электроны и нейтрино.

3. Мезоны (от греч. mesos - средний) – нестабильные частицы, участвующие в сильном взаимодействии.

4. Барионы (от греч. barys - тяжелый) – элементарные частицы, к которым относятся протоны, нейтроны, гипероны и другие, участвующие в фундаментальных взаимодействиях всех четырех видов.

Барионы и мезоны являются сильновзаимодействующими частицами, по этому свойству они объединяются в группу с названием «адроны».

В начале второй половины XX века появилась гипотеза о существовании кварков – частиц, из которых состоят барионы и мезоны. Кварки обладают весьма необычным, нехарактерным для других частиц свойством – дробным электрическим зарядом. По-видимому, кварки не могут существовать в несвязанном, свободном виде. Число обнаруженных кварков различных видов, отличающихся друг от друга величиной и знаком электрического заряда и некоторыми другими признаками, достигло к настоящему времени нескольких десятков.

Соотношение понятий «взаимодействие» и «движение». Взаимодействие отдельных частей, движение и энергия представляют собой важнейшие атрибуты материи, без которых ее существование невозможно. Взаимодействие обусловливает соединение различных материальных элементов в системы, предопределяя системную организацию материи. Все свойства материи являются производными от взаимодействий, являются результатом структурных связей и взаимодействия между элементами материи.

Взаимодействие представляет собой протекающий во времени и пространстве процесс воздействия одних материальных объектов на другие путем обмена материей, энергией и движением, т.е. любое взаимодействие проявляется посредством определенного движения (изменения). Говоря о движении, обычно имеют в виду не только и не столько внутренние изменения материи, сколько внешнее перемещение тел в пространстве, где взаимодействия на первый взгляд не видно. Однако более пристальное рассмотрение позволяет сделать вывод о том, что и при перемещении тел в пространстве существует их взаимодействие с окружающей средой, в результате чего могут изменяться свойства движущихся тел. Не существует такого движения, которое не сопровождается взаимодействием элементов материи.

Основными формами существования материи являются вещество и поле, а взаимодействие и движение являются способами ее существования. Для всякого материального объекта существовать означает взаимодействовать, т.е. определенным образом проявлять себя по отношению к другим материальным объектам (элементам вещества или поля).

Формы движения материи можно классифицировать в соответствии с формами ее организации: движение в неживой природе, движение в живой Природе и социальное движение. В рамках физики ученые занимаются исследованием процессов, происходящих в неживой природе и являющихся основой более сложных процессов, протекающих в материальных объектах, соответствующих более высоким уровням организации материи.

На протяжении долгого времени физики понимали движение лишь как простое механическое движение – пространственное перемещение. В на-стоящее время движение этой простейшей формы понимается только как частный случай движения, изучаемого с физических позиций. Движение как проявление свойств материи неразрывно связано с так называемыми фундаментальными физическими взаимодействиями: гравитационное, электромагнитное, сильное и слабое взаимодействие.

Общая характеристика фундаментальных физических взаимодействий. Каждое из фундаментальных физических взаимодействий в своей основе содержит изначально присущие материи особые свойства, природа и сущность которых до настоящего времени не вполне понятны. Человек сталкивается с проявлениями самых различных сил, связанных с взаимодействием различных материальных объектов (тел или полей). Действие одних сил происходит при непосредственном контакте тел (соприкосновении), другие силы действуют без такого контакта (на расстоянии), например, электромагнитные силы и силы гравитации. При всем многообразии действующих в природе сил соответствующие им взаимодействия можно свести к четырем фундаментальным. Ранжируя по степени интенсивности, их можно расположить в следующей последовательности: гравитационное, слабое, электромагнитное, сильное.

Гравитационное взаимодействие является наименее интенсивным и распространяется на материальные объекты любого вида; данный вид взаимодействия имеет решающее значение, когда рассматриваются объекты, обладающие значительными массами.

Слабое взаимодействие, имеющее радиус действия менее 10^-17 м, обусловливает процессы превращения одних элементарных частиц в другие, а также взаимодействие нейтрино с веществом. Типичный пример слабого взаимодействия – бета-распад нейтрона (в атомном ядре нейтрон стабилен, но «в одиночестве» распадается за 15 минут). Переносчиками слабого взаимодействия являются векторные бозоны, масса которых достаточно велика (в сто раз превышает массу протона).

Электромагнитное взаимодействие, так же, как и гравитационное, относится к дальнодействующим (радиус их действия не ограничен). Оно определяет взаимодействие между заряженными частицами (например, между электронами и ядрами атомов), проявляется в химических связях, силах упругости, трения. Именно электромагнитные силы отвечают за стабильность атомов, определяют структуру молекул и ход химических реакций.

Сильное взаимодействие (как и слабое)является короткодействующим, радиус его действия около 10^-15 м. Данное взаимодействие, обусловленное ядернымисилами, обеспечивает соединение кварков в адроны и нуклонов в атомные ядра, благодаря нему ядра атомов являются весьма стабильными, устойчивыми к разрушению. Величина ядерных сил гораздо больше, чем электромагнитных, поэтому взаимодействие данного вида и было названо сильным.

Перечисленные фундаментальные взаимодействия являются причинами и источниками преобразований материальных любых объектов, природных процессов и явлений. Фундаментальные взаимодействия имеют как общие черты, так и отличия друг от друга. Общим для всех взаимодействий является то, что передача взаимодействия осуществляется не мгновенно, а с некоторой конечной скоростью (не превышающей скорость света). Таким образом, в данном случае выполняется принцип близкодействия. Кроме этого, по современным представлениям взаимодействие любого вида должно иметь своего физического агента, переносчика (транслятора) взаимодействия, при помощи которого оно происходит. В соответствии с этой концепцией взаимодействие между материальными объектами осуществляется посредством того или иного физического поля, непрерывно распределенного в пространстве, через среду, их разделяющую.

С появлением в начале XX века квантовой механики представление о физическом поле существенно расширилось и углубилось. Согласно квантовой концепции поля любое поле является не непрерывным, а имеет дискретную структуру. Следствием корпускулярно-волнового дуализма является то, что каждому физическому полю соответствуют определенные частицы – корпускулы. Например, электромагнитному полю соответствуют фотоны, это означает, что электромагнитное взаимодействие в квантовой теории поля является результатом обмена частиц фотонами (квантами электромагнитного поля), являющимися переносчиками данного взаимодействия. Точно так же и другие физические взаимодействия возникают и передаются в результате обмена материальных объектов квантами соответствующих полей.

Гравитационное взаимодействие. Гравитационное взаимодействие проявляет себя тем интенсивнее, чем ближе расположены взаимодействующие тела и чем больше массы взаимодействующих тел. В микромире гравитационное взаимодействие теряется на фоне более интенсивных взаимодействий, поэтому при описании взаимодействия элементарных частиц гравитационное взаимодействие не учитывается.

Особенностью гравитационного взаимодействия является его универсальность: любая материальная частица является источником гравитационного воздействия и сама подвержена действию силы гравитационного притяжения. Другая особенность гравитации заключается в том, что она, хотя и убывает с расстоянием, распространяется в пространстве сколь угодно далеко и сказывается на чрезвычайно удаленных от источника гравитации телах. В космических масштабах гравитационное взаимодействие выполняет важнейшую функцию – именно благодаря неограниченному радиусу действия гравитация не позволяет Вселенной распадаться на отдельные части, удерживая небесные тела на своих орбитах. Физики считают, что скорость распространения гравитационных волн равна скорости света в вакууме, но гравитационные волны пока не зарегистрированы измерительными приборами и их скорость в эксперименте до настоящего времени не измерена.

В классической физике гравитационное взаимодействие описывается законом всемирного тяготения Ньютона, а в общем случае – релятивистской теорией гравитации (общей теорией относительности Эйнштейна), которая в диапазоне слабых гравитационных полей и при медленном движении тел переходит в теорию всемирного тяготения Ньютона. В рамках полевых представлений гравитационная масса, согласно Эйнштейну, эквивалентна инертной массе вещества. Создаваемому этой гравитационной массой полю тяготения должен соответствовать квант гравитации – гипотетическая частица, названная гравитоном. Гравитон представляет собой нейтральную частицу снулевой массой покоя и спином, равным 2h (удвоенной величине постоянной Планка). Силы тяготения являются результатом и мерой непрерывного обмена (взаимодействия) между телами и гравитонами или гравитационными волнами. Экспериментально гравитоны пока не обнаружены, нет до настоящего времени и последовательной стройной квантовой теории гравитации.

Движение тела должно вызывать возмущение его же гравитационного поля, распространяющегося со скоростью света в виде гравитационной волны. Поскольку гравитационная сила ничтожна, то гравитационная волна имеет незначительную амплитуду. По оценкам физиков, даже такие грандиозные космические явления, как взрыв сверхновой звезды либо коллапс массивной звезды, создают гравитационные волны, характеристики которых лежат вне пределов чувствительности современных регистрирующих гравитацию приборов.

В общей теории относительности Эйнштейна существует и другая интерпретация гравитации – как результат и мера проявления кривизны пространственно-временного континуума. Тем самым в данном случае гравитация сводится к метрическим особенностям пространства-времени: поле тяготения создает искривление пространства, тем большее, чем больше гравитационная масса. Какая из этих двух теорий, какая интерпретация гравитации ближе к истине, должны показать дальнейшие исследования.

Сила гравитации, действующая между телами, всегда представляет собой силу притяжения, которая стремится сблизить эти тела. Для гравитационной силы не существует противоположной по направлению эквивалентной силы отталкивания (антигравитации), гравитационного отталкивания никогда не наблюдалось ни в специальных экспериментах, ни в природных явлениях.

Электромагнитное взаимодействие. На стадии становления электромагнетизма электрические и магнитные явления рассматривались и изучались как независимые (не связанные между собой). Только в середине XIX века Максвелл объединил учение об электрических и магнитных явлениях в единую теорию электромагнитного поля – электродинамику. Доказав, что оба компонента (электричество и магнетизм) этого взаимодействия есть проявления одного и того же феномена, Максвелл стал первым ученым, показано, что за внешним различием природных сил может скрываться их глубинная общность. Электродинамика Максвелла является законченной, цельной и стройной классической теорией электромагнетизма, сохраняющей большое теоретическое и практическое значение до настоящего времени.

Электромагнитное взаимодействие, так же как и гравитационное, обладает универсальным характером. Оно проявляется на всех уровнях материи: в микромире, макромире и мегамире, но в отличие от гравитации, которая всегда проявляется в виде сил притяжения, электромагнитное взаимодействие может проявляться и как притяжение (между разноименными электрическими зарядами), и как отталкивание (между одинаковыми по знаку электрическими зарядами). Как и электрические заряды, разноименные магнитные полюса притягиваются, а одноименные отталкиваются. Однако в отличие от электрических зарядов магнитные полюса существуют только парами, а не по отдельности. Отдельного изолированного магнитного полюса (магнитного «заряда» или монополя) в природе не обнаружено.

Благодаря электромагнитным связям возникают и существуют атомы, молекулы и составленные из них макроскопические тела. Электромагнитное взаимодействие определяет структуру атомов и молекул – положительно заряженные ядра атомов и отрицательно заряженные электроны. Электромагнитное взаимодействие отвечает за большинство физических состояний, явлений и процессов (кроме ядерных). Трение, упругость, поверхностное натяжение, агрегатные состояние вещества и переход из одного состояния в другое, оптические явления, ионизация, многие реакции с элементарными частицами – все это и многое другое непосредственно связано с электромагнитным взаимодействием. Химические реакции также являются проявлением электромагнитных взаимодействий, результатом перераспределения связей между атомами в молекулах, результатом перестройки электронных оболочек атомов, а также числа и состава атомов в молекулах.

Современная физика создала более совершенную, чем классическая электродинамика, теорию электромагнетизма – квантовую электродинамику, в которой учтены и квантово-полевые аспекты электромагнитных явлений. Эта теория начинается с постулирования существования электрического заряда, поскольку природа электромагнитного заряда неизвестна (так же как, впрочем, неизвестна природа массы и причина ее существования). Электрический заряд проявляется в двух разновидностях: заряд, присущий электрону назван отрицательным, а заряд, присущий протону и позитрону, назван положительным. Взаимодействие электрических зарядов обеспечивается обменом виртуальными фотонами.

Слабое взаимодействие. Взаимодействие, называемое слабым, существует только в микромире – между элементарными частицами. Как уже отмечалось, примером слабого взаимодействия является процесс распада свободного нейтрона на протон, электрон и электронное антинейтрино. Вылетающий (рождающийся) из нейтрона электрон обеспечивает сохранение суммарного электрического заряда, а антинейтрино позволяет сохранить суммарный механический импульс системы

Слабое взаимодействие значительно интенсивнее гравитационного взаимодействия, но гораздо слабее не только сильного, но и электромагнитного взаимодействия. Об интенсивности взаимодействия можно судить по интенсивности процессов, которые данное взаимодействие вызывает. Для экспериментов с элементарными частицами характерна энергия частиц порядка 1 ГэВ. При такой энергии элементарных частиц процесс, обусловленный сильным взаимодействием, протекает за время порядка 10 ^-24 с, электромагнитный процесс происходит за время порядка 10^-21 с, а процесс, обусловленный слабым взаимодействием, примерно 10^-10 с.

Еще более слабым (в прямом смысле этого слова, т.е. еще менее интенсивным) является гравитационное взаимодействие, сила которого при энергии порядка 1 ГэВ в 10³³ раз меньше, чем у слабого взаимодействия. В повседневной жизни проявление гравитационного взаимодействия гораздо заметнее проявления слабого взаимодействия, поскольку гравитационное взаимодействие (как и электромагнитное) имеет бесконечно большой радиус действия: так, любое тело на Земле испытывает гравитационное притяжение со стороны всех атомов, входящих в состав Земли. Слабое взаимодействие имеет настолько малый радиус действия, что он до настоящего времени не измерен. По имеющимся оценкам величина этого радиуса примерно в тысячу раз меньше радиуса сильного взаимодействия.

Вместе с тем слабое взаимодействие, несмотря на ничтожную величину и коротко действие, играет в природе чрезвычайно важную роль. Например, если бы исчезло слабое взаимодействие, то погасло бы Солнце (поскольку стала бы невозможной ядерная реакция превращения протона в нейтрон, позитрон и нейтрино, в результате которой четыре протона превращаются в ядро атома гелия). Описанный процесс является источником энергии Солнца и большинства звезд, подобных нашему светилу.

Сильное взаимодействие. Корректное теоретическое объяснение природы сильного взаимодействия связано с появлением в 1960-х годах кварковой модели микрообъектов, в которой нейтроны и протоны рассматриваются как составные образования – системы, построенные из кварков.

Теория сильных взаимодействий является типичной полевой теорией и находится на стадии формирования, другое ее название – квантовая хромодинамика (от греч. chroma - цвет, краска). Исходным положением этой квантовой теории является постулат о существовании в структуре кварков условных зарядов трех типов, названных для определенности цветовыми (красный, синий, зеленый), выражающих присущую материи способность к объединению кварков в сильном взаимодействии. Каждый из кварков содержит некоторую комбинацию таких зарядов, причем их взаимной полной компенсации не происходит – в итоге кварк обладает зарядом преобладающего или результирующего цвета, т.е. сохраняет способность к сильному взаимодействию с другими кварками. Однако, когда три кварка или кварк и антикварк объединяются в адрон, суммарная комбинация цветовых зарядов в нем такова, что адрон в целом обладает цветовой нейтральностью – цветовой заряд равен нулю. Цветовые заряды создают вокруг себя поля сильных взаимодействий с присущими им квантами, называемых бозонами. Обмен виртуальными цветовыми бозонами между кварками и (или) антикварками служит материальной основой сильного взаимодействия.

Цветовые заряды взаимодействуют за счет бозонных частиц, названных глюонами, служащими переносчиками взаимодействия. Эти частицы не имеют массы, чем схожи с фотоном и гравитоном, однако, в отличие от фотонов и гравитонов имеют ограниченный радиус действия. До открытия кварков и цветового взаимодействия (взаимодействия, названного цветовым) фундаментальным считали ядерное взаимодействие, объединяющее протоны и нейтроны в ядра атомов. С открытием кваркового уровня вещества под сильным взаимодействием стали понимать цветовые взаимодействия между кварками, объединяющимися в адроны. Ядерные силы перестали считаться фундаментальными, поскольку они определенным образом выражаются через силы, связанными с цветом. Необходимо признать, что выявление этой связи является в значительной мере трудной задачей, поскольку барионы (протоны и нейтроны), составляющие атомные ядра, в целом нейтральны в цветовом отношении. Здесь можно провести аналогию с атомами, которые в целом электрически нейтральны, но на молекулярном уровне проявляются химические силы, являющиеся как бы отголосками электрических атомных сил. Отметим, что сильное взаимодействие при любых обстоятельствах сохраняет бесцветность частиц,

В рамках сильного взаимодействия предполагается, что при сближении барионов на расстояние меньшее, чем 10^-13см, они теряют свои индивидуальные особенности, глюонный обмен между кварками, удерживающий их в адронах, приобретает коллективный характер, связывая кварки всех барионов (расположенных в этой чрезвычайно малой области) в единую систему – в атомное ядро. На современном этапе развития науки у физиков нет сомнений, что ядерные силы есть проявления цветовых сил.

Существование сильного взаимодействия физики предположили, изучая структуру атомного ядра, т.к. какая-то сила должна удерживать положительно заряженные протоны в ядре, не позволяя им разлетаться под действием сил кулоновского отталкивания. Гравитация не может этого обеспечить, поскольку силы притяжения слишком малы, и необходимо какое-то иное взаимодействие, причем более сильное, чем электромагнитное. Впоследствии физики обнаружили это взаимодействие, и оно получило название сильного. Было установлено, что, хотя по своей величине сильное взаимодействие существенно превосходит все остальные фундаментальные взаимодействия, за пределами атомного ядра оно никак не проявляется.

Сильное взаимодействие ощущается на расстоянии, определяемом размерами ядра, т.е. примерно 10^-15м. Основная функция сильного взаимодействия в природе – это создание прочной связи между нуклонами (протонами и нейронами) в ядрах атомов. Сталкиваясь, ядра или нуклоны, обладающие высокими энергиями, вызывают развитие разнообразных ядерных процессов (ядерных реакций), в том числе реакции термоядерного синтеза на Солнце, являющейся основным источником энергии на нашей планете. Экспериментально установлено, что сильное взаимодействие испытывают не все элементарные частицы. Так, ему подвержены протоны и нейтроны, а также другие тяжелые частицы, однако электроны, нейтрино и фотоны не подчиняются сильному взаимодействию.

Таким образом, в фундаментальных физических взаимодействиях четко прослеживается различие сил дальнодействующих и близкодействующих. С одной стороны, взаимодействия характеризуются неограниченным радиусом действия (гравитация, электромагнетизм), а с другой – чрезвычайно ограниченным радиусом (сильное и слабое взаимодействие). Все физические процессы протекают в границах этих двух крайностей и подтверждают единство предельно малого и предельно большого – микромира и мегамира, элементарной частицы и Вселенной. Рассмотренные фундаментальные взаимодействия четырех типов лежат в основе всех других известных форм движения материи, в том числе возникших на высших ступенях развития материи. Любые движения материи, даже в самых сложных формах, при их разложении на компоненты обнаруживаются как простые или сложные модификации фундаментальных взаимодействий материи.

Теории большого объединения и суперобъединения. Итак, в природе действуют четыре фундаментальные силы, и все физические явления происходят в результате взаимодействий между физическими объектами, обусловленных одной или несколькими из этих сил.

В классической механике Ньютона любая сила – это всего лишь сила притяжения или отталкивания, вызывающая изменение характера движения физического тела. В современных квантовых теориях, однако, понятие силы (трактуемое как мера взаимодействия между элементарными частицами) интерпретируется иначе: сила является результатом обмена частицами - носителями взаимодействия между двумя взаимодействующими частицами. В рамках такого подхода электромагнитное взаимодействие между, например, двумя электронами обусловлено обменом фотоном между ними, и аналогичным образом обмен другими частицами-посредника ми приводит к реализации взаимодействийтрех остальных видов. Более того, характер взаимодействия обусловлен физическими свойствами частиц-носителей этого взаимодействия. В частности, закон всемирного тяготения Ньютона и закон Кулона имеют одинаковую математическую структуру именно потому, что в обоих случаях переносчиками взаимодействия являются частицы, не имеющие массы покоя. Слабые взаимодействия проявляются лишь на исключительно малых расстояниях (по сути, лишь внутри атомного ядра), поскольку их носители (калибровочные бозоны) являются очень тяжелыми частицами. Сильные взаимодействия также проявляются лишь на микроскопических расстояниях, но по другой причине: они – в так называемом пленении кварков внутри адронов и фермионов.

Мечта физиков-теоретиков – установить универсальность всех фундаментальных сил, объединить все физические взаимодействия в одной теории. Термин «теория большого объединения» в настоящее время используется в отношении теории, в рамках которой физики пытаются объединить все четыре взаимодействия, рассматривая их в качестве различных проявлений некоторой единой глобальной силы. Если бы удалось построить такую всеобъемлющую теорию, картина устройства мира упростилась бы до предела: вся материя состояла бы только из кварков и лептонов, и между этими частицами действовали бы силы единой (неизвестной пока) природы. Такой теории до сих пор не существует. Путь от четырех взаимодействий к одному справедливо называют объединением. Всетеории объединения исходят из того,что при достаточно высоких энергиях взаимодействия между частицами (когда их скорость близка к скорости света) грань между взаимодействиями различных видов стирается, и все силы действуют одинаково. При этом теории предсказывают, что происходит это не одновременно для всех четырех взаимодействий, а поэтапно, по мере роста величины энергии взаимодействия.

Величины энергии частиц на ранней стадии Большого взрыва (в рамках модели расширяющейся Вселенной) были чрезвычайно высоки. Объединение взаимодействий происходит при величинах энергии далеко за пределами величин, достижимых в условиях земных лабораторий – они существовали во Вселенной в первые 10^-35 с ее жизни. Соответствующие этому мгновению величины энергии являются той границей, когда электрослабое взаимодействие объединяется с сильным, и существуют всего две фундаментальные силы: сильно-электрослабого взаимодействия и гравитационного взаимодействия. Самый нижний энергетический порог, при котором в земных лабораторных условиях может произойти первое объединение взаимодействий, - первое слияние сил разных типов, крайне высок, однако находится в пределах возможностей современных ускорителей. Величины энергии частиц в первые 10^-10 с жизни Вселенной было достаточно для обеспечения объединения слабого ядерного взаимодействия и электромагнитного взаимодействия в единое электрослабое взаимодействие. Только начиная с этого момента и с соответствующего значения энергии окончательно разделились все четыре известных нам взаимодействия. До этого момента существовали всего три фундаментальные силы: сильного, электрослабого и гравитационного взаимодействий.

Теории, описывающие процесс такого объединения, называются теориями большого объединения. Проверить их на экспериментальных установках невозможно, но на их основе удается хорошо прогнозировать течение многих процессов, протекающих при более низких уровнях энергии, а это служит их косвенным подтверждением. Однако на уровне теорий большого объединения возможности в плане проверки универсальных теорий исчерпываются. Далее начинается область теорий суперобъединения или всеобщих теорий. Непротиворечивая теория суперобъединения позволила бы физикам-теоретикам объединить гравитацию с единым сильно-электрослабым взаимодействием, и устройство Вселенной получило бы простейшее из возможных объяснений.

Сегодня физики считают, что они смогут создать эту теорию на основе нового подхода к объединению фундаментальных взаимодействий – теории суперструн. Эта новая теория описывает протяженные в пространстве одномерные объекты (струны) - отрезки с характерным размером 10^{-33 см (планковская длина). В этой теории частица рассматривается как струна – колебательная система с распределенными параметрами. При низких величинах энергии эта струна ведет себя как частица, а при высоких значениях энергии – собственно как струна, и для описания ее движения нужно вводить параметры, характеризующие ее колебания}

Теория суперструн должна объединить все фундаментальные взаимодействия при сверхвысоких энергиях. 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. Каждой из известных частиц ставится в соответствие определенное возбужденное состояние струны. Такие возбужденные состояния струн можно сравнить с набором звуков, вызываемых, например, колебаниями скрипичной струны Введение понятия струны исключает точечные представления из структуры микромира, и, по сути, эта теория сводит физику к геометрии пространства с очень сложной структурой.

Согласно теории суперструн фундаментальным объектом современной физики является квантованное суперструнное поле, возбуждениями которого являются суперструны, взаимодействующие друг с другом и с вакуумом. Теория суперструн приводит к некоторым неожиданным и нетривиальным следствиям. В частности, как следует из расчетов, среди порожденных струнами элементарных частиц должны быть гипотетические частицы – тахионы, движущиеся со скоростью, превышающей скорость света. Другое следствие этой теории – концепция «теневого» («темного») мира. В рамках этой концепции объясняется тот открытый астрономами факт, что галактики содержат гигантскую скрытую массу невидимого вещества (так называемой темной материи), в десятки раз превосходящую наблюдаемую (регистрируемую) массу самих галактик.

Поиск по сайту: