Владимир Соломатин - Система гуманитарного и социально-экономического знания
Тема 4
Структурные уровни организации материи
Согласно современным научным взглядам на природу, все природные объекты представляют собой упорядоченные, структурированные, иерархически организованные системы. В естественных науках изучаются системы неживой и живой природы.
В неживой природе исследуются элементарные частицы, атомы, молекулы, поля, физический вакуум, макроскопические тела, планеты и их системы, звезды и их системы (галактики), Метагалактика.
В живой – системы доклеточного уровня (нуклеиновые кислоты и белки), клетки, многоклеточные организмы, надорганизменные структуры (виды, популяции, биоценозы) и биосфера.
Помимо такого подразделения, выделяются три уровня строения материи:
• микромир: мир предельно малых, непосредственно не наблюдаемых микрообъектов в пространственных масштабах, не превышающих 10-8 м, временных от бесконечности до 10-24 сек;
• макромир: мир макрообъектов (размеры от 10-8 до 107 м);
• мегамир: мир наиболее крупных объектов (планеты, звезды и т. д.), размеры от 107 м и более.
Приведем некоторые параметры для сравнения:
• электрон: r ≈ 10-18 м, m ≈ 10-30 кг
• Земля: d ≈ 107 м, m ≈ 6.10 24 кг
• Солнце: d ≈ 1,4.109 м, m ≈ 2.1030кг
• Солнечная система: d ≈ 6.1016 м, m ≈ mc
• Наблюдаемая Вселенная: r ≈ 1026 м, m ≈ 1050 кг
Микромир. Квантовая теория позволила проникнуть в глубины микромира. В качестве первой элементарной частицы был открыт электрон, а затем в первые десятилетия XX века – фотон, протон, позитрон и нейтрон. Число частиц, именуемых элементарными, достигло в настоящее время почти 400, хотя дать строгое определение понятию «элементарная частица» весьма затруднительно. В качестве первого приближения «под элементарной частицей можно понимать такую микрочастицу, внутреннюю структуру которой нельзя представить в виде объединения других свободных частиц»[83].
Элементарные частицы можно разделить на два класса: фермионы (в честь Энрико Ферми) и бозоны (в честь Шатьендраната Бозе). Фермионы составляют вещество, бозоны (фотон, гравитон, глюоны, векторные бозоны) переносят взаимодействие. Фермионы, в свою очередь, делятся на лептоны (греч. leptos – «легкий») и адроны (греч. adros – «сильный»). К лептонам относятся электрон, электронное нейтрино, мюон, мюонное нейтрино, таон и таонное нейтрино. Все они обладают слабым взаимодействием. К адронам принадлежат два класса частиц: мезоны (пи-мезоны – пионы, ка-мезоны – каоны, эта-мезоны) и барионы (нуклоны – протон, нейтрон и гипероны – лямбда, сигма, кси, омега). Мезоны относятся к нестабильным частицам, барионы составляют класс тяжелых частиц.
Все элементарные частицы обладают целым спектром различных характеристик.
• Электрическим зарядом (все известные частицы имеют либо положительный, либо отрицательный, либо нулевой заряды). Каждой частице, кроме фотона и мезонов, соответствуют античастицы с противоположным зарядом. У частицы и античастицы одинаковы массы покоя, спин и время жизни; при их взаимодействии происходит аннигиляция (уничтожение) каждой из них, при этом выделяется энергия. В 60-х годах XX века была высказана гипотеза о существовании кварков – частиц с дробным электрическим зарядом, хотя экспериментального подтверждения данная гипотеза еще не получила.
• Массой покоя, причем масса покоя частицы определяется по отношению к массе покоя электрона. Однако существуют элементарные частицы – фотоны, не имеющие такой массы.
• Временем жизни: с этих позиций все частицы делятся на стабильные и нестабильные. К стабильным частицам относятся фотон, разновидности нейтрино, электрон и протон. Все прочие частицы – нестабильны, время их жизни около 10-10 – 10-24 с, после чего они распадаются. Элементарные частицы со временем жизни 10-22 – 10-23 с называются резонансами. Резонансные состояния вычислены только теоретически и не зафиксированы в реальных экспериментах.
• Спином – собственным моментом количества движения микрочастицы, а также иными характеристиками: изотопическим спином, странностью, лептонным и барионным зарядами, четностью и т. д.
Между элементарными частицами может происходить четыре типа взаимодействия: сильное, электромагнитное, слабое и гравитационное. Отметим, что все названные типы взаимодействия относятся к фундаментальным взаимодействиям в природе вообще. В квантовой теории установлено, что любому полю соответствуют частицы, осуществляющие взаимодействия. Эти взаимодействия переносятся четырьмя типами бозонов.
Сильное взаимодействие происходит на уровне атомных ядер и обеспечивает связь нуклонов в ядре. Оно действует на расстоянии порядка 10-15 м, а время протекания составляет – 10-23 с. Глюоны переносят сильные ядерные взаимодействия.
Электромагнитное взаимодействие реализуется между заряженными частицами. Носителем такого взаимодействия является фотон, квант электромагнитного поля. При электромагнитном взаимодействии электроны и атомные ядра соединяются в атомы, а атомы – в молекулы. Радиус взаимодействия не ограничен, время протекания 10-20 с.
Слабое взаимодействие связано, главным образом, с распадом элементарных частиц, а также с взаимодействием нейтрино с веществом. Взаимодействие простирается на расстояние порядка 10-18 м, а время протекания – 10-10 с. Векторные бозоны осуществляют перенос слабых взаимодействий.
Гравитационное взаимодействие в микромире может не учитываться, хотя в космических масштабах оно имеет решающее значение, радиус его не ограничен. Силу тяготения между телами, имеющими массу, переносит гравитон.
Некоторые частицы участвуют во всех типах взаимодействий (протон), другие – только в некоторых (электрон, мюон). Взаимодействия элементарных частиц происходят посредством соответствующих физических полей, квантами которых они являются. Состояние, в котором отсутствуют кванты поля, называется вакуумом.
Физика элементарных частиц пока еще не дает полного понимания микромира на единой основе, но такую задачу ставят перед собой исследователи, стремящиеся объединить все четыре типа взаимодействий в единой теории поля. Максвеллу удалось свести электрическое и магнитное взаимодействия в единое – электромагнитное. В настоящее время уже создана теория электрослабых взаимодействий, объединяющая слабое и электромагнитное взаимодействия (теория Вайнберга – Глэшоу – Салама, разработанная в 1967 году). Сегодня стоит задача включить в эту теорию и сильное взаимодействие, а затем – гравитационное.
В физике микромира было раскрыто и строение атомного ядра – центральной части атома, в которой сосредоточена практически вся его масса и весь положительный заряд. Ядро атома состоит из элементарных частиц – нуклонов (это протоны и нейтроны). Ядро в целом – устойчивая система, для ее разрушения требуется определенная энергия. Нуклоны в ядре удерживаются ядерными силами, которые являются короткодействующими. Механизм действия ядерных сил основан на том же принципе, что и электромагнитных – на обмене взаимодействующих объектов виртуальными частицами. Виртуальные частицы существенно отличаются от обычных частиц, называемых реальными. Их нельзя непосредственно наблюдать в эксперименте. Виртуальные частицы – это возможные, еще не возникшие частицы, которые для своей актуализации требуют определенных затрат энергии.
Отметим еще ряд моментов, характерных для физики микромира. Уже указывалось, что всем объектам микромира присущи и корпускулярные, и волновые свойства. В связи с этим возникает необходимость введения некоторых ограничений в применении к объектам микромира понятий классической механики. Так, в классической механике утверждается, что всякая частица движется по определенной траектории, отсюда в любой момент времени могут быть точно зафиксированы ее координата и импульс. Но поскольку микрочастица обладает волновыми свойствами, то нельзя говорить о ее движении по определенной траектории и об одновременных точных значениях ее координаты и импульса. Принцип неопределенности, сформулированный В. Гейзенбергом, гласит: объект микромира невозможно одновременно с любой наперед заданной точностью характеризовать и координатой, и импульсом. Причем невозможность одновременно точно определить координату и импульс связана не с несовершенством измерительных приборов, а со спецификой объектов микромира, вытекающей из их корпускулярно-волнового дуализма.
Еще одной отличительной особенностью квантовой теории является необходимость вероятностного подхода к описанию микрочастиц. Описание последних с помощью волновой функции имеет статистический, вероятностный характер: квадрат модуля волновой функции определяет вероятность нахождения частицы в данный момент времени в определенном ограниченном объеме.
