Библиотека

Теология

Конфессии

Иностранные языки

Другие проекты







Комментарии (7)

Грушевицкая Т., Садохин А. Концепции современного естествознания

ОГЛАВЛЕНИЕ

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   КСЕ   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 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.
.

Комментарии (7)
Обратно в раздел Наука












 

  • Тур в кению
  • Организуем туры для тех, кто устал от пакетных предложений! Обсудим ваш тур
  • wildtrek.ru




Наверх

sitemap:
Все права на книги принадлежат их авторам. Если Вы автор той или иной книги и не желаете, чтобы книга была опубликована на этом сайте, сообщите нам.