Показана физическая недостаточность и противоречивость принятых в настоящее время определений материи. На основе введения континуальности в понитие материи даны новые определения материи, веществу, полю. Новые определения отражают генетическую связь между этими категориями. Для придания новым определениям физической достаточности использованы понятия энергии и информации. В качестве онтологической основы мира рассматривается непрерывная субстанция - материя, которая, вследствие своей непрерывности, непосредственно не наблюдаема и непосредственно никак себя не проявляет. Вещество и поле представляют собой составные сущности, в которых материя является лишь одной из составляющих.
1.Материя.
В философии материя определяется как субстанция (основа) всех вещей и явлений в мире...несотворима и неуничтожима, всегда стабильна в своей сущности .
Обратим внимание на тот факт, что в формулировке говорится о материи как об основе всех вещей и явлений, а не как о самих вещах и явлениях. В то же время, очень часто категории материи и вещества разграничиваются не четко и даже отождествляются, что является неправильным. По этому поводу можно привести множество примеров.
Всем хорошо известно такое определение материи : "Материя - это философская категория для обозначения объективной реальности, которая дана человеку в ощущениях его, которая копируется, фотографируется, отображается нашими ощущениями, существуя независимо от нас ".
Фразу "дана человеку в ощущениях его, которая копируется, фотографируется, отображается нашими ощущениями " правильнее относить к веществу, а не к материи. В этой формулировке не видно того, что должно лежать в основе всех вещей. К признакам материи в этой формулировке можно отнести разве что независимость существования. Как видим, такая формулировка вступает в противоречие с философским определением материи.
В философском определении прослеживается физическая недостаточность определения материи. Во второй формулировке налицо явное внутреннее противоречие и та же физическая недостаточность определения материи. Очевидно это послужило поводом для последующей расшифровки этих определений. Так, в вслед за приведенным выше определением следует еще одно определение материи. "Материя - это бесконечное множество всех существующих в мире объектов и систем, субстрат любых свойств, связей, отношений и форм движения. Материя включает в себя не только все непосредственно наблюдаемые объекты и тела природы, но все те, которые в принципе могут быть познаны в будущем на основе совершенствования средств наблюдения и эксперимента ".
Попытка дать физическое определение материи снова привела к противоречиям. В "бесконечном множестве всех существующих в мире объектов и систем" опять узнается вещество. А фраза: "включает в себя не только все непосредственно наблюдаемые объекты и тела природы, но все те, которые в принципе могут быть познаны в будущем на основе совершенствования средств наблюдения и эксперимента" вновь подводит к упомянутым в предыдущей формулировке "ощущениям". И в этой формулировке опять мы узнаем вещество, а не то, что должно лежать в его основе.
Такое обилие разных и противоречивых формулировок материи говорит о том, что непротиворечивой, адекватной формулировки ее до сих пор не найдено ни в философии ни в физике. На наш взгляд такое положение дел вносит большую путанницу в понимание материи и вещества, не позволяет найти решение фундаментальных физических проблем и не позволяет ответить на вопрос: "что является онтологической основой мира?" Попытки положить в основу мироздания вещественную частицу ни к чему не привели. Такой "первокирпичик" до сих пор не найден. Весь путь развития физики показал, что никакая вещественная частица не может претендовать на фундаментальность и выступать в качестве основы мироздания. Свойства и характеристики вещества проистекают от его главного признака - дискретности. Дискретное вещество принципиально не может выступать в качестве фундаментальной основы мира. Поскольку материи отводится роль основы всех вещей и явлений, то необходимо найти для нее такое физическое определение, чтобы оно отражало генетическую связь материи и вещества. При этом необходимо учитывать, что время вне материи не существует.
Из вышеизложенного видно, что попытки перейти от обобщенного философского понимания материи к более глубокому и конкретному физическому ее пониманию оказались неудачными и привели к подмене понятий и к отождествлению материи и вещества.
На то, что материя должна обладать особенными качествами, вкорне отличными от признаков, присущих веществу, указывали многие мыслители. Известно утверждение И.Канта: "Дайте мне материю, и я покажу вам как из нее должен образоваться мир ". Очевидно, не нашлось никого, кто дал бы ему материю, поскольку до сих пор нет непротиворечивого понимания как образовался мир. Очевидно также, что Кант не считал окружающий его вещественный мир материей, поскольку хотел показать как из материи должен образоваться этот мир.
Способность материи быть основой вещей и явлений требует, чтобы она обладала совершенно уникальным качеством. Это качество должно придавать ей фундаментальность и быть таким, чего напрочь лишено вещество. Основной признак вещества - его дискретность. Поэтому, единственное качество, каким не обладает вещество и каким, соответственно, должна обладать материя, - есть непрерывность. Здесь стоит опереться на континуализм Аристотеля, который считал, что материя сплошь непрерывна и отрицал существование пустоты .
После таких уточнений, мы даем следующее определение материи:
"Материя - это непрерывная субстанция, основа бытия, обладающая свойством времени, информационно-энергетического возбуждения и дискретного воплощения."
Материя существует в виде непрерывной субстанции, сплошной среды, в которой отсутствует какая бы то ни было дискретность и отсутствуют какие бы то ни было меры. Отсюда следует, что материя не может быть дана в ощущениях. Она бесструктурна. Ощущать можно вещественные, дискретные объекты, имеющие меры. Никакие средства наблюдения не могут "наблюдать" материю, поскольку она непрерывна, бесструктурна и не имеет никаких мер. Материя ненаблюдаема в принципе. Наблюдаемы вторичные производные материи - поле и вещество. Лишь они даются в ощущениях. В этой формулировке отражена генетическая связь материи и вещества и подчеркивается первичность и фундаментальность материи.
На современном уровне знаний, в развитие континуализма Аристотеля, необходимо признать в качестве физических сущностей и подлинный континуум и дискретные объекты. Между ними явно просматривается взаимосвязь и имеют место взаимопереходы. В чем состоит взаимосвязь таких противоречивых сущностей? По каким законам происходят переходы непрерывного в дискретное и дискретного в непрерывное? Большинство проблем физики остались нерешенными из-за отсутствия ответов на эти вопросы. По тем же причинам не было четкого разграничения между материей и веществом, а физика, именуя себя материалистической наукой, на самом деле ничего кроме вещества и полей не изучала. Физика изучала не первичное - материю, а ее вторичные проявления - поле и вещество. Таким образом, основа всего сущего - материя, оказалась вне поля зрения этой науки. Здесь стоит вспомнить утверждение Ильи Пригожина о том, что "наука сегодня не является... материалистической" . С учетом разграничения понятий вещества, поля и материи, авторы полностью согласны с таким утверждением.
Перед современной наукой встает задача раскрыть связь между непрерывным и дискретным как конкретными физическими сущностями и раскрыть механизм их взаимопереходов, если таковые имеют место.
В современной физике считается, что роль фундаментальной материальной основы мира выполняет физический вакуум. Физический вакуум - непрерывная среда, в которой нет ни частиц вещества ни поля. Вакуум физический является физическим объектом и не есть лишенное всяких свойств "ничто". Физический вакуум непосредственно не наблюдается, но проявление его свойств наблюдается в экспериментах. В результате поляризации вакуума электрическое поле заряженной частицы отличается от кулоновского. Это приводит к лембовскому сдвигу энергетических уровней и к появлению аномального магнитного момента у частиц. Физический вакуум в условиях информационно-энергетического возбуждения порождает вещественные частицы - электрон и позитрон. Вакуум есть физический объект, обладающий свойством непрерывности. Непрерывный вакуум порождает дискретное вещество. Вещество своим происхождением обязано физическому вакууму. Чтобы понять суть этой среды, надо оторваться от стереотипного, догматического понимания "состоять из". Мы привыкли, что наша атмосфера - это газ, состоящий из молекул. Долгое время в науке господствовало понятие "эфир". И сейчас можно встретить сторонников концепции светоносного эфира или существования "менделеевского эфира", состоящего из химических элементов легче водорода. Менделеев хотел решить вопрос на вещественном, дискретном уровне организации материи, а решение было "этажом" ниже на вакуумном, континуальном уровне. Причем материя на этом нижнем этаже обладает свойством непрерывности. Но Менделеев не знал о существовании этого "вакуумного этажа". Осознание системной организации вещественного мира во Вселенной и материального единства мира, является величайшим достижением человеческой мысли. Однако существующая система структурных уровней организации мира пока выглядит лишь "эскизным наброском". Она не завершена снизу и сверху, системно непоследовательна, концептуально недоосмыслена. Она не ориентирована на генетическую взаимосвязь уровней и на естественое саморазвитие. Незавершенность снизу предполагает выяснение величайшей тайны природы - механизма происхождения дискретного вещества из континуального вакуума . Незавершенность сверху требует раскрытия еще одной тайны - связи физики микромира и физики Вселенной.
Основополагающим элементом изучения подавляющего количества естественных наук является материя. В этой статье мы рассмотрим материи, формы её движения и свойства.
Что такое материя?
На протяжении многих веков понятие материи менялось и совершенствовалось. Так, древнегреческий философ Платон видел её как субстрат вещей, который противостоит их идее. Аристотель же говорил, что это нечто вечное, что не может быть ни сотворено, ни уничтожено. Позже философы Демокрит и Левкипп дали определение материи как некой основополагающей субстанции, из которой состоят все тела в нашем мире и во Вселенной.
Современное понятие материи дал В. И. Ленин, согласно которому она является самостоятельной и независимой объективной категорией, выражаемой человеческим восприятием, ощущениями, она также может быть скопирована и сфотографирована.
Атрибуты материи
Главными характеристиками материи являются три признака:
- Пространство.
- Время.
- Движение.
Первые два отличаются метрологическими свойствами, то есть их можно количественно измерить специальными приборами. Пространство измеряется в метрах и его производных величинах, а время в часах, минутах, секундах, а также в сутках, месяцах, годах и т. д. У времени есть также другое, не менее важное свойство - необратимость. Нельзя вернуться на какую-либо исходную временную точку, вектор времени всегда имеет одностороннюю направленность и движется от прошлого к будущему. В отличие от времени, пространство - более сложное понятие и имеет трёхмерное измерение (высота, длина, ширина). Таким образом, все виды материи могут передвигаться в пространстве за определённый промежуток времени.
Формы движения материи
Всё, что нас окружает, передвигается в пространстве и взаимодействует друг с другом. Движение происходит непрерывно и является главным свойством, которым обладают все виды материи. Между тем этот процесс может протекать не только при взаимодействии нескольких объектов, но и внутри самого вещества, обуславливая его видоизменения. Различают следующие формы движения материи:
- Механическая - это перемещение предметов в пространстве (падение яблока с ветки, бег зайца).
- Физическая - возникает, когда тело изменяет свои характеристики (например, агрегатное состояние). Примеры: тает снег, испаряется вода и т. д.
- Химическая - видоизменение химического состава вещества (коррозия металла, окисление глюкозы)
- Биологическая - имеет место в живых организмах и характеризует вегетативный рост, обмен веществ, размножение и др.
- Социальная форма - процессы социального взаимодействия: общение, проведение собраний, выборов и т. д.
- Геологическая - характеризует движения материи в земной коре и недрах планеты: ядре, мантии.
Все вышеназванные формы материи взаимосвязаны, взаимодополняют и взаимозаменяют друг друга. Они не могут существовать самостоятельно и не являются самодостаточными.
Свойства материи
Древняя и современная наука приписывали материи множество свойств. Самое распространённое и очевидное - это движение, однако имеются и другие универсальные свойства:
- Она несотворима и неуничтожима. Это свойство означает, что любое тело или вещество какое-то время существует, развивается, перестаёт существовать как исходный объект, однако материя не прекращает своего существования, а просто превращается в другие формы.
- Она вечна и бесконечна в пространстве.
- Постоянное движение, преобразование, видоизменение.
- Предопределённость, зависимость от порождающих факторов и причин. Данное свойство является своего рода объяснением происхождения материи как следствия определённых явлений.
Основные виды материи
Современные ученые выделяют три фундаментальных вида материи:
- Вещество, обладающее определённой массой в состоянии покоя, представляет собой наиболее распространённый вид. Оно может состоять из частиц, молекул, атомов, а также их соединений, которые образуют физическое тело.
- Физическое поле - это особая материальная субстанция, которая призвана обеспечивать взаимодействие объектов (веществ).
- Физический вакуум - является материальной средой с наименьшим уровнем энергии.
Вещество
Вещество - вид материи, главным свойством которого является дискретность, то есть прерывистость, ограниченность. В его структуру входят мельчайшие частицы в виде протонов, электронов и нейтронов, из которых состоит атом. Атомы соединяются в молекулы, формируя вещество, которое, в свою очередь, образует физическое тело или текучую субстанцию.
Любое вещество обладает рядом индивидуальных характеристик, отличающих его от других: масса, плотность, температура кипения и плавления, структура кристаллической решётки. При определённых условиях разные вещества можно соединять и смешивать. В природе они встречаются в трёх агрегатных состояниях: твёрдом, жидком и газообразном. При этом конкретное агрегатное состояние лишь соответствует условиям содержания вещества и интенсивности молекулярного взаимодействия, но не является его индивидуальной характеристикой. Так, вода при разных температурах может принимать и жидкую, и твёрдую, и газообразную форму.
Физическое поле
Виды физической материи включают и такую компоненту, как физическое поле. Оно представляет собой некую систему, в которой материальные тела взаимодействуют. Поле является не самостоятельным объектом, а, скорее, носителем специфичных свойств образовавших его частиц. Таким образом, импульс, высвобожденный от одной частицы, но не поглощённый другой, является принадлежностью поля.
Физические поля - это реальные неосязаемые формы материи, обладающие свойством непрерывности. Их можно классифицировать по различным критериям:
- В зависимости от полеобразующего заряда выделяют: электрическое, магнитное и гравитационное поля.
- По характеру движения зарядов: динамическое поле, статистическое (содержит неподвижные относительно друг друга заряженные частицы).
- По физической природе: макро- и микрополя (создаются движением отдельных заряженных частиц).
- В зависимости от среды существования: внешнее (которое окружает заряженные частицы), внутреннее (поле внутри вещества), истинное (суммарное значение внешнего и внутреннего полей).
Физический вакуум
В XX веке в физике как компромисс между материалистами и идеалистами для объяснения некоторых явлений появился термин "физический вакуум". Первые приписывали ему материальные свойства, а вторые утверждали, что вакуум - это не что иное, как пустота. Современная физика опровергла суждения идеалистов и доказала, что вакуум - это материальная среда, также получившая название квантового поля. Число частиц в нём приравнивается к нулю, что, однако, не препятствует кратковременному возникновению частиц в промежуточных фазах. В квантовой теории уровень энергии физического вакуума условно принимается за минимальный, то есть равный нулю. Однако экспериментально доказано, что энергетическое поле может принимать как отрицательные, так и положительные заряды. Существует гипотеза, что Вселенная возникла именно в условиях возбуждённого физического вакуума.
До сих пор не до конца изучена структура физического вакуума, хотя и известны многие его свойства. Согласно дырочной теории Дирака, квантовое поле состоит из движущихся квантов с одинаковыми зарядами, неясным остаётся состав самих квантов, скопления которых перемещаются в виде волновых потоков.
К наиболее важным фундаментальным концепциям физического описания природы относятся пространство, время, движение и материя .
В современной физической картине мира окончательно утверждаются представления об относительности пространства и времени, зависимость их от материи . Пространство и время перестают быть независимыми друг от друга и, согласно теории относительности, сливаются в едином четырехмерном пространственно-временном континууме.
Меняется представление о движении , которое становится лишь частным случаем физического взаимодействия. Известно четыре вида фундаментальных физических взаимодействий: гравитационное, электромагнитное, сильное и слабое. Они описываются на основе принципа близкодействия, взаимодействия, передаются соответствующими полями от точки к точке, скорость передачи взаимодействия всегда конечна и не может превышать скорости света в вакууме (300 000 км/с).
1. Корпускулярно – волновой дуализм материи. Квантово-полевая картина мира. Материя – это философская категория для обозначения объективной реальности, которая отображается нашими ощущениями, существуя независимо от них – это философское определение материи.
В классическом естествознании различают два вида материи: вещество и поле. По современным представлениям признано существование еще одного вида материи – физический вакуум.
В классической механике Ньютона в качестве вещественных образований выступает материальная частица малых размеров – корпускула, часто называемая материальной точкой и физическое тело, как единая система корпускул, каким-то образом связанных между собой. Конкретные формы этих вещественных образований по классическим представлениям – песчинка, камень, вода и т.п.
В девятнадцатом веке с появлением представлений об электромагнитном поле началось новая эра в естествознании.
Датский физик Эрстед (1777 – 1851) и французский физик Ампер (1775 – 1836) показали на опыте, что проводник с электрическим током порождает эффект отклонения магнитной стрелки. Эрстед предположил, что вокруг проводника с током существует магнитное поле, которое является вихревым. Ампер заметил, что магнитные явления происходят тогда, когда по электрической цепи течет ток. Появилась новая наука – электродинамика.
Английский физик Фарадей (1791 – 1867) открыл явление электромагнитной индукции – возникновение тока в проводнике вблизи движущегося магнита.
Основываясь на открытиях Фарадея в области электромагнетизма, английский математик и физик Максвелл (1831 – 1879) вводит понятие электромагнитного поля.
Согласно теории Максвелла, каждая заряженная частичка окружена полем – невидимым ореолом, оказывающим воздействие на другие заряженные частицы, находящиеся поблизости, т.е. поле одной заряженной частицы действует на другие заряженные частицы с некоторой силой.
Теория электромагнитного поля ввела новое представление, что электромагнитное поле реальность, материальный носитель взаимодействия. Мир постепенно стал представляться электродинамической системой, построенной из электрически заряженных частиц, взаимодействующих посредством электрического поля.
2. Квантовая механика. На исходе третьего десятилетия ХХ века классическая физика пришла к затруднениям в описании явлений микромира. Появилась необходимость разработки новых методов исследования. Возникает новая механика – квантовая теория, устанавливающая способ описания и законы движения микрочастиц.
В 1901 г. немецкий физик Макс Планк (1858 – 1947) при исследовании теплового излучения пришел к выводу, что в процессах излучения энергия излучается или поглощается не непрерывно, а лишь малыми порциями – квантами, причем энергия каждого кванта пропорциональна частоте испускаемого излучения: Е= hy, где y – частота света, h – постоянная Планка.
В 1905 г. Эйнштейн применил гипотезу Планка к свету и пришел к выводу, что следует признать корпускулярную структуру света.
Квантовая теория вещества и излучения получила подтверждение в экспериментах (фотоэффект), обнаруживших, что при облучении твердых тел светом, из них выбиваются электроны. Фотон ударяется об атом и выбивает из него электрон.
Эйнштейн объяснил этот так называемый фотоэффект на основе квантовой теории, доказав, что энергия, необходимая для освобождеия электрона зависит от частоты света. (светового кванта), поглощаемого веществом.
Было доказано, что свет в опытах по дифракции и интерференции проявляет волновые свойства, а в экспериментах по фотоэффекту - корпускулярные, т.е. может вести себя и как частица и как волна, значит обладает дуализмом.
Представления Эйнштейна о квантах света привели к идее о «волнах материи», это послужило основой развития теории корпускулярно-волнового дуализма материи.
В 1924 г. французский физик Луи де Бройль (1892- 1987) пришел к выводу, что сочетание волновых и корпускулярных свойств является фундаментальным свойством материи. Волновые свойства присущи всем видам материи (электронам, протонам, атомам, молекулам, даже макроскопическим телам).
В 1927 г. американскими учеными Дэвисом и Джермером и независимо от них П.С. Тартаковским были обнаружены волновые свойства электронов в экспериментах по дифракции электронов на кристаллических структурах. Позже были обнаружены волновые свойства и у других микрочастиц (нейтронов, атомов, молекул). На основе системы формул волновой механики были предсказаны и открыты новые элементарные частицы.
Современная физика признала корпускулярно-волновой дуализм материи. Любой материальный объект проявляется и как частица и как волна в зависимости от условий наблюдения.
С развитием теории физического вакуума, определение материи дополняется. Современное определение материи: материя – это вещество, поле и физический вакуум.
Теория физического вакуума находится на стадии разработки, природа вакуума до конца не исследована, но известно, что ни одна материальная частица не может существовать без присутствия вакуума, это среда, в которой она существует и из которой появляется. Вакуум и вещество неразделимы.
3. Принципы современной физики. В 1925 г. швейцарский физик В. Паули (1900-1958) обосновал принцип: в любой квантовой системе (атом) 2 или более электронов не могут находиться в одном и том же квантовом состоянии (на одном энергетическом уровне или на одной орбите). Принцип Паули определяет закономерности заполнения электронных оболочек атомов, периодичность их химических свойств, валентность, реакционную способность. Это фундаментальный закон природы.
В 1924 г. Н. Бор сформулировал принцип дополнительности : ни одна теория не может описать объект столь исчерпывающим образом, чтобы исключить возможность альтернативных подходов. Примером служит решение ситуации корпускулярно-волнового дуализма материи. «Понятия частицы и волны дополняют друг друга и в то же время противоречат друг другу, они являются дополняющими картинами происходящего».
В 1927 г. немецкий физик В. Гейзенберг сформулировал знаменитый принцип неопределенностей. Смысл, которого в том, что невозможно одновременно осуществить измерение и координаты и скорости (импульса) частицы . Никогда нельзя одновременно знать где находится частица и как быстро и в каком направлении она движется.
Соотношение неопределенностей выражает невозможность наблюдать микромир, не нарушая его. Пример: если в эксперименте нужно установить координату частицы с известной скоростью, ее необходимо осветить, т.е. направить пучок фотонов, однако фотоны сталкиваясь с частицами передадут им часть энергии и частица начнет двигаться с новой скоростью и в новом направлении. Наблюдатель-экспериментатор вмешиваясь в систему, внедряясь в нее со своими приборами, нарушает текущий порядок событий.
Основная идея квантовой механики состоит в том, что, в микромире определяющим является представление о вероятности событий. Предсказания в квантовой механике имеют вероятностный характер, невозможно точно предсказать результат эксперимента, можно рассчитать только вероятность различных исходов опыта.
С позиций физики, на микроуровне господствуют статистические закономерности , на макроуровне динамические законы . Философское осмысление принципа неопределенностей показывает, что случайность и неопределенность фундаментальное свойство природы и присуще и микромиру и макромиру – миру деятельности человека.
4. Элементарные частицы и силы в природе. Сегодня выделяют 4 уровня организации микромира: молекулярный, атомный, протонный (нуклонный) и кварковый.
Элементарными называют такие частицы, которые на современном уровне развития науки нельзя считать соединением других, более простых.
Различают реальные частицы – их можно фиксировать с помощью приборов и виртуальные – возможные, о существовании которых можно судить лишь опосредованно.
Аристотель считал вещество непрерывным, то есть любой кусок вещества можно дробить до бесконечности. Демокрит считал, что материя имеет зернистую структуру, и что все в мире состоит из различных атомов, которые абсолютно неделимы.
Крушение существовавших до конца 19 века представлений об абсолютной неделимости атома началось с открытия в 1897 г. английским физиком Дж. Томсоном простейшей элементарной частицы материи – электрона , которые вылетали из атома. В 1911 г. английский физик Эрнст Резерфорд доказал, что атомы вещества обладают внутренней структурой: они состоят из положительно заряженного ядра и вращающихся вокруг него электронов.
Сначала предполагали, что ядро атома состоит из положительно заряженных частиц, которые назвали протонами . В 1932 г. Джеймс Чэдвиг обнаружил, что в ядре есть еще другие частицы – нейтроны , масса которых равна массе протона, но которые не заряжены.
В 1928 г. физиком–теоретиком П. Дираком была предложена волновая теория электрона, основанная на его корпускулярно-волновой природе. Согласно корпускулярно-волновой теории, частицы могут вести себя подобно волне. Одна из посылок этой теории заключалась в том, что должна существовать элементарная частица, обладающая такими же свойствами, как электрон , но с положительным зарядом. Такая частица была обнаружена и была названа позитроном . Из теории Дирака также следовало, что позитрон и электрон, взаимодействуя между собой (реакция аннигиляции ), образуют пару фотонов , т.е. квантов электро-магнитного излучения. Позитрон и электрон двигаются по одной орбитали. Сталкиваясь, они превращаются в кванты излучения.
В 60-х годах ХХ века протоны и нейтроны считались элементарными частицами. Но оказалось, что протоны и нейтроны состоят из еще более мелких частиц. В 1964 г. американские ученые М. Гелл-Манн и Д. Цвейг независимо друг от друга выдвинули сходную гипотезу существования «субчастиц». Гелл-Манн назвал их кварками . Название взял из стихотворной строки (Джойс «Поминки по Финегану»).
Известно несколько разновидностей кварков; предполагают, что существует шесть ароматов, которым отвечают: верхний (u ), нижний (d ), странный, очарованный, прекрасный, t - кв … Кварк каждого аромата может иметь один из трех цветов – красный, желтый и синий, хотя это всего лишь обозначение.
Кварки отличаются друг от друга по величине заряда и по квантовым характеристикам. Например, нейтрон и протон составляются каждый из трех кварков: протон – из uud , с зарядом +2/3 +2/3 -1/3 = 1;
нейтрон – из udd , с зарядом +2/3 -1/3 -1/3 = 0.
Каждый кварк по закону симметрии имеет антикварк.
Квантовой характеристикой является спин: S = 0; S= 1; S = 2; S = ½.. Спин очень важная квантовая характеристика элементарной частицы, не менее важная, чем заряд или масса.
В 2008 г. в Европе совместными усилиями физиков многих стран построен андронный колайдер, в результате действий которого, возможно получение сведений об «исходных кирпичиках», из которых построено вещество в природе.
5. Фундаментальные физические взаимодействия. В первой половине ХХ века физика изучала материю в двух ее проявлениях – вещество и поле. Причем кванты полей и частицы вещества подчиняются разным квантовым статистикам и ведут себя различным образом.
Частицы вещества являются ферми -частицами (фермионами ). Все фермионы имеют полуцелое значение спина – ½. Для частиц с полуцелым значением спина справедлив принцип Паули, согласно которому, две тождественные частицы с полуцелым спином не могут находиться в одном и том же квантовом состоянии.
Все кванты полей являются бозе-частицами (бозонами). Это частицы с целым значением спина. Системы тождественных бозе-частиц подчиняются статистике Бозе – Эйнштейна. Принцип Паули для них не справедлив: в одном состоянии может находиться любое число частиц. Бозе- и ферми- частицы рассматриваются как частицы, имеющие различную природу.
По современным представлениям, взаимодействие любого типа без посредника не протекает, оно должно иметь своего физического агента. Притяжение или отталкивание частиц передается через среду, их разделяющую, такой средой является вакуум. Скорость передачи взаимодействия ограничена фундаментальным пределом – скоростью света.
В квантовой механике предполагается, что все силы или взаимодействия между частицами вещества переносятся частицами с целочисленным спином, равным 0, 1, 2 (бозе-частицами, бозонами). Это происходит следующим образом, частица вещества (фермион), например электрон или кварк испускает другую частицу, которая является переносчиком взаимодействия, например, фотон. В результате отдачи скорость частицы вещества (фермиона) меняется. Частица переносчик (бозон) налетает на другую частицу вещества (фермион) и поглощается ею. Это соударение меняет скорость второй частицы.
Частицы-переносчики (бозоны), которыми обмениваются частицы вещества (фермионы) называются виртуальными, потому что в отличие от реальных их нельзя непосредственно зарегистрировать при помощи детектора частиц, так как они существуют очень короткое время.
Итак, вокруг частицы вещества (фермиона) создается поле, порождающее частицы – бозоны. Две реальные частицы оказавшись в радиусе действия однотипных зарядов начинают стабильно обмениваться виртуальными бозонами: одна частица испускает бозон и тут же поглощает идентичный бозон, испущенный другой частицей-партнером и наоборот.
Частицы переносчики можно классифицировать на 4 типа в зависимости от величины переносимого взаимодействия и от того с какими частицами они взаимодействовали. Таким образом, в природе существуют четыре вида взаимодействия.
Гравитационная сила.
Это самое слабое из всех взаимодействий. В макромире оно проявляет себя тем сильнее, чем больше массы взаимодействующих тел, а в микромире оно теряется на фоне более могучих сил.
В квантово-механическом подходе к гравитационному полю, считается, что гравитационная сила, действующая между двумя частицами материи переносится частицей со спином 2 , которая называется гравитоном . Гравитон не обладает собственной массой и переносимая им сила является дальнодействующей.
Электромагнитные силы .
Действуют между электрически заряженными частицами. Благодаря электромагнитным силам возникают атомы, молекулы и макроскопические тела. Все химические реакции представляют собой электромагнитные взаимодействия.
Согласно квантовой электродинамике, заряд создает поле, квантом которого служит безмассовый бозон со спином равным 1 - фотон. Переносчиком электромагнитного взаимодействия является фотон.
Электормагнитные силы гораздо сильнее гравитационных. Эти силы могут проявляться и как притяжение и как отталкивание, в отличие от гравитационных, которые проявляются только как притяжение.
Слабое взаимодействие .
Это третье фундаментальное взаимодействие существует только в микромире. Оно отвечает за радиоактивность и существует между всеми частицами вещества со спином ½, но в нем не участвуют частицы-бозоны со спином 0, 1, 2 – фотоны и гравитоны.
Радиоактивный распад вызывается превращением внутри нейтрона кварка аромата d в кварк аромата u, (протон превращается в нейтрон, позитрон в нейтрино), меняется заряд частиц. Испускаемое нейтрино обладает огромной проницающей способностью – оно проходит через железную плиту толщиной миллиард километров. За счет слабого взаимодействия светит Солнце.
Сильное взаимодействие.
Сильные взаимодействия представляют собой взаимное притяжение составных частей ядра атома. Они удерживают кварки внутри протона и нейтрона, а протоны и нейтроны внутри ядра. Без сильных взаимодействий не существовали бы атомные ядра, а звезды и Солнце не могли бы генерировать теплоту и свет за счет ядерной энергии.
Сильное взаимодействие проявляется в ядерных силах. Они были открыты Э. Резерфордом в 1911 г. одновременно с открытием атомного ядра. Согласно гипотезе Юкавы, сильные взаимодействия состоят в испускании промежуточной частицы – пи-мезона – переносчика ядерных сил, а также другие мезоны, найденные позже (масса мезонов в 6 раз меньше массы нуклонов). Нуклоны (протоны и нейтроны) окружены облаками мезонов. Нуклоны могут приходить в возбужденные состояния – барионные резонансы, и обмениваться при этом иными частицами (мезонами).
Мечтой современных физиков является построить теорию большого объединения , которая объединяла бы все четыре взаимодействия.
Сегодня физики считают, что они могут создать эту теорию на основе теории суперструн. Эта теория должна объединить все фундаментальные взаимодействия при сверхвысоких энергиях.
Вопросы:
Как были доказаны корпускулярные и волновые свойства вещества?
Что изучает квантовая механика и почему она так называется?
Что такое вакуум и что значит «возбужденный вакуум»?
Что такое принцип дополнительности?
Что такое принцип неопределенности?
Охарактеризовать принцип симметрии.
Как связаны принципы симметрии и законы сохранения физических величин?
Каково значение принципа суперпозиции в квантовой механике?
В чем специфика отношения прибор-объект в квантовой механике?
Дать определение материи по современным представлениям.
Чем вещество отличается от поля?
Из чего состоят протоны и нейтроны?
Какие фундаментальные взаимодействия в настоящее время объединены?
Литература:
Дубнищева Т.Я. КСЕ. 2003. – С. 238-261. С. 265-309.
Горелов А.А. КСЕ. – 2004. – С. 79-94
Игнатова В.А. Естествознание. 2002. – С.110-125..
Гейзенберг В. Шаги за горизонт. – М. – 1987.
Ландау Л.Д. и др. Курс общей физики. – М: Наука, 1969. – С.195-214.
Вайнберг С. Мечты об окончательной теории. М. – 1995.
Линднер Г. Картины современной физики. – М. – 1977.
СОВРЕМЕННАЯ ХИМИЧЕСКАЯ КАРТИНА МИРА