Панорама современного естествознания

Физика

Два основных представления о структуре материи были сформулированы примерно 2500 лет назад в античной натурфилософии: атомистическая концепция Демокрита и континуальная доктрина Аристотеля.

Согласно первому подходу считалось, что материя делима до определенного предела — до атомов, которые могут соединяться различными способами и порождают все многообразие объектов и явлений реального мира. Необходимым условием движения и соединения материальных атомов является пустое пространство. Таким образом, по Демокриту, мир образован двумя фундаментальными началами — атомами и пустотой, а материя обладает атомистической структурой.

В конкурирующей концепции Аристотель признавал бесконечную делимость материи, что выступало критерием ее непрерывности. В этой концепции также фигурирует представление о пространстве как вместилище. Но так как материя непрерывно заполняет его, то не остается места пустоте. Материя изначально является бесструктурной.

Эти представления о структуре материи просуществовали вплоть до начала XX в. За этот огромный промежуток времени в двух концепциях происходила конкретизация связи различных элементов материи. Но атомистическая концепция строения материи практически не претерпела каких-либо изменений: атомы по-прежнему рассматривались как плотные образования материи, как предел физического ее деления. Механическое движение атомов происходит в абсолютном пространстве (аналог Демокритовой пустоты) и абсолютном времени.

В рамках этой атомистической концепции строения материи была развита классическая механика Ньютона, которая достигла огромных успехов в описании природы. Более того, механика долгое время трактовалась как некая единая наука: все сводилось к механике, к построению механических моделей, к решению механических уравнений. Вселенная предстала как гигантский механизм.

Однако с самого начала была область, которая с трудом вписывалась в рамки механической картины мира. Речь идет об оптике. Непосредственное перенесение механических (например, акустических) моделей в оптику оказалось невозможным.

Развитие электродинамики Максвелла привело к поразительному открытию: свет оказался разновидностью электромагнитных волн. Соответственно совершенно иначе предстала проблема строения материи. Изменялась вся физическая картина мира.

Ход развития оптики, а затем и электродинамики привел к признанию существования электромагнитного поля как нового вида физической реальности, что обусловило поворот от идей атомизма к континуальной концепции строения материи. Эйнштейн считал, что понятие поля завоевало прочное положение в физике и сохранилось в качестве одного из основных физических понятий. Для современного физика электромагнитное поле “столь же реально, как и стул, на котором он сидит”.

С развитием электромагнитной картины мира достойное место заняла континуальная концепция строения материи. Но она выступила не как отрицание атомистической концепции вообще, а лишь как отрицание ее механической конкретной модели. Более того, целый ряд экспериментальных и теоретических исследований показал, что в природе существуют дискретные элементарные объекты в рамках электромагнитной картины мира. Атомизм был возрожден на более глубоком уровне строения материи — само электричество оказалось “атомистичным”, состоящим из электронов — мельчайших электрически заряженных частиц.

В начале XX столетия атомистическая концепция строения материи получила снова очень существенное развитие, которое привело к странным результатам, находящимся в поразитель-100

ном противоречии с исходными представлениями о материи, не содержащей в себе пустоты, — это и выступало критерием неделимости. Соответственно, например, твердое тело представлялось как плотное множество атомов, т. е. большая часть твердого тела представлялась заполненной материей.

Однако в 1911 г. Э. Резерфорд показал, что атом является не плотным “бильярдным шаром”, а некой “солнечной системой” в миниатюре. В центре находится ядро, состоящее из положительно заряженных протонов и электрически нейтральных нейтронов, а вокруг, как спутники, вращаются отрицательно заряженные электроны. Масса протона (и нейтрона) примерно в 1840 раз больше массы электрона. Главное в этой модели то, что масса атома сосредоточена в мельчайших частицах, которые занимают ничтожную часть объема атома. Получается, что атом в основном пустой.

На повестку дня встала новая проблема построения специальной механики атомного мира. Ситуация сложилась достаточно сложная. С одной стороны, была построена оригинальная планетарная модель атома. А с другой стороны, она противоречила господствующей теории электромагнитного поля. Так, в соответствии с законами электродинамики, вращающийся вокруг ядра электрон должен непрерывно излучать энергию и в конце концов упасть на ядро. Но в реальности такие процессы не наблюдались, и атомы были достаточно стабильными элементами в структуре материи.

Выход из этих затруднений был найден Нильсом Бором в виде синтеза планетарной модели атома и квантовой гипотезы. Он представил каждое изменение состояния атома как индивидуальный процесс, в ходе которого атом переходит из одного состояния в другое с излучением или поглощением квантов света — фотонов.

С фотонами в физику вошла дуалистичность материи. Свет можно рассматривать в одном случае как волновой процесс (длинные волны), а в другом — как поток фотонов (короткие волны). Что же касается реальной природы света, то она выступает в диалектическом единстве волны и частицы.

Следующий шаг в развитии представлений о структуре материи совершил Л. де Бройль, который показал, что не только световые волны обладают дискретной структурой, но и микрочастицам вещества присущ волновой характер. Он вывел простые соотношения, связывающие энергию Е и импульс частицы р = mv с ее волновыми характеристиками — частотой и длиной волны X: Е = hv; X =--, где h — постоянная Планка;

mv

m и v — соответственно масса и скорость частицы.

Представления де Бройля о волновых свойствах были применимы к электронам в атоме.

Встала проблема создания волновой механики квантовых объектов. В 1926 г. Шредингер вывел волновое дифференциальное уравнение, определяющее распространение волн, связанное с движением электронов в атоме.

Истинный смысл волновой функции был вскрыт М. Борном, который развил статистическую, вероятностную интерпретацию квантовой механики. Таким образом, на микроуровне не только проявилось корпускулярно-волновое единство, но и выявилось, что в структуре материи фундаментальную роль играют статистические закономерности.

Со второй половины XX в. в физике происходят глубокие и радикальные изменения. Если охарактеризовать эти изменения одним словом, то это будет слово “единство”. Прежде всего имеется в виду единство всех фундаментальных физических теорий.

Рассмотрим этот вопрос подробнее. Построение квантовой механики дало возможность понять сложный мир атомов. Но при этом выяснилось, что сами атомы не являются некими первокирпичиками в структуре материи, а представляют собой сложные динамические системы, составленные из различных элементарных частиц: электронов, протонов, нейтронов и др. Выяснилось, что элементарные частицы связаны различными типами взаимодействий — гравитационным, электромагнитным, слабым и сильным.

Гравитационное взаимодействие играет определяющую роль в космологических процессах, формируя мегаструктуру материи, а в микромире оно ничтожно мало по сравнению с другими взаимодействиями.

Рассмотрим взаимодействия, играющие определяющую роль в микромире. В первую очередь следует назвать электромагнитное взаимодействие. Оно осуществляется между электрически заряженными объектами, между электрическими зарядами и электромагнитными полями, существующими в атоме.

Следующий тип взаимодействия — так называемое слабое взаимодействие — объясняет процесс радиоактивного 0-распада, когда ядра атомов испускают 0-лучи (электроны).

И последнее фундаментальное взаимодействие — сильное — отвечает за связь частиц в ядре атома и поэтому часто называется ядерным.

Для объяснения различных фундаментальных взаимодействий важную роль сыграли соображения о единообразии механизмов взаимодействия элементарных частиц. Образцом в данном случае послужила квантовая электродинамика, в рамках которой было выяснено, что взаимодействие электрических зарядов осуществляется с помощью обмена квантами электромагнитного поля — фотонами.

По этому образцу постарались развить и теорию других типов взаимодействий, что потребовало введения в теорию микромира новых обменных элементарных частиц. Например, японский ученый Хидэки Юкава (1907-1981 гг.) выдвинул идею о том, что взаимодействие протонов и нейтронов в атомных ядрах обусловлено специальными частицами — квантами ядерного поля, которые были названы мезонами. В дальнейшем такие частицы были открыты и получили название л-мезонов.

Следующим этапом развития теории сильных взаимодействий было создание так называемой квантовой хромодинамики. После этого встал вопрос о построении единой теории всех видов физических взаимодействий элементарных частиц.

Первые успехи были получены в области создания единой теории электромагнитных и слабых (их называют электро-слабыми) взаимодействий. В 1979 г. С. Вайнберг, Ш. Глэшоу и А. Салам были удостоены Нобелевской премии за создание такой единой теории.

А лауреатами Нобелевской премии 1984 г. стали Карло Руббиа (р. 1934 г.) и Симон ван дер Мер (р. 1925 г.) за экспериментальное обнаружение новых элементарных частиц W± и Z°-6o3ohob, существование которых следовало из теории Вайнберга-Глэшоу-Салама.

В свою очередь, создание единой теории электрослабых взаимодействий, наряду с развитием квантовой хромодинамики, дает реальные перспективы построения единой теории всех форм взаимодействия элементарных частиц (программа Великого синтеза).

В самое последнее время появились новые, весьма перспективные идеи, которые открывают возможность объединения слабых, электромагнитных и сильных взаимодействий с гравитационными, т. е. объединения всех известных взаимодействий.

Решение этой задачи ознаменовало бы свершение грандиозной научной революции, которую даже трудно измерить масштабами всех предшествующих научных революций. Иначе говоря, мы сейчас имеем очень продуктивную исследовательскую программу, в рамках которой могут быть построены разные теории, и какая из них окажется правильной и даст возможность дальнейшего развития знания определится только самим ходом этого развития. Что же касается направления этого развития, то оно ориентированно и ведет к Великому объединению.

 
Посмотреть оригинал
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ ОРИГИНАЛ   След >