Философия древнего мира

Современная наука о структуре материи

Начиная свой курс по общей физике, американский физик, лауреат Нобелевской премии Ричард Фейнман (1918 – 1988) сказал: «Если бы в результате какой–то мировой катастрофы все накопленные научные знания оказались бы уничтоженными, и к грядущим поколениям живых существ перешла бы только одна фраза, то, какое утверждение, составленное из наименьшего количества слов, принесло бы наибольшую информацию? Я считаю, что это – атомная гипотеза…».

Согласно атомистическому подходу Природа представляет собой систему уровней. Иерархию уровней различной организации, в которой элемент низшего уровня служит строительным материалом для последующего уровня.
Современная наука охватывает огромное множество явлений действительности. Она способна оценить события, происшедшие до 20 млрд. лет назад в радиусе до 10 – 12 млрд. световых лет. С другой стороны, ей известны процессы, протекающие с характерным временем до 10^–23 сек. и на расстоянии порядка 10^–15 см.
В исследовании общей структуры мира приняты следующие условные границы:
1. Мегамир (Метагалактика, сверхгалактики, звезды, космические тела – размеры 10⁶ – 10²⁸ см., временные масштабы до 10²⁰ сек.).
2. Макромир (физические тела человеческих масштабов – размеры 10^–2 – 10⁸ см., временные масштабы от 0.1 сек. до десятков лет)
3. Микромир (молекулы, атомы, элементарные частицы – размеры 10^–6 – 10^–17 см, время до величин порядка 10^–23 сек.).
Следует отметить, что законы Мегамира во многом согласуются с законами микромира. Собственно звезды – «элементарные» составляющие колоссальных космических образований – галактик и сверхгалактик. Согласно научным гипотезам относительно космических объектов, называемых квазарами, позволяет отождествить их в известном смысле с элементарными частицами, ибо они способны рождаться из звезды, испытавшей гравитационный коллапс, сверхсжатие. Уместно напомнить в этой связи известное выражение польского писателя-фантаста С. Лема о том, что “природа сама себя кусает за хвост”. По-видимому, разрешение загадок строения Вселенной следует искать на пути изучения микромира, мира элементарных частиц.
В настоящее время значительно углубились наши представления о структуре материи. В природе не существует абсолютно элементарных объектов, все физические объекты обладают множеством различных свойств и сложной внутренней структурой.
В начале века было известно лишь 2 элементарных частицы – электрон и протон. Сегодня число элементарных частиц и античастиц насчитывает более 300.
Общими характеристиками всех элементарных части является масса, время жизни, электрический заряд и собственный момент количества движения (он кратен величине 1/2h).
Современная наука доказала, что микромир сложен по своей структуре, по своим связям и взаимодействиям. Ученые пытаются упорядочить имеющуюся информацию и построить таблицу элементарных частиц, подобную таблице Менделеева для предсказания существования новых частиц и обнаружения новых связей и взаимодействий.
Среди фундаментальных достижений ядерной физики последней четверти ХХ века следует отметить следующие. В ноябре 1974 года физик Тинг открыл новую частицу – Ψ-частицу на Стэнфордском ускорителе заряженных частиц. А в июне 1975 года отечественные ученые совместно с учеными Европейского центра ядерных исследований открыли частицу – h-мезон. Любопытно, что для обозначения элементарных частиц, физики исчерпали до конца греческий алфавит, от альфа до омеги. Теперь в ходу латинский алфавит.
У многих частиц существуют “двойники” – античастицы с той же массой, с тем же временем жизни, спином, другими основными параметрами, но отличающиеся знаками зарядов, например, электрических зарядов.
Существование античастиц впервые было предсказано в 1928 году английским физиком – теоретиком П. Дираком. Характерной особенностью поведения античастиц при их столкновении (взаимодействии) с частицами является то, что они взаимно аннигилируют (уничтожаются).
В 1964 г. американский физик Гелл-Манн и независимо от него швейцарский физик Цвейг выдвинули гипотезу, согласно которой все элементарные частицы построены из трех частиц, названных кварками.
Кварки – гипотетические микрочастицы, которые могут иметь дробный электрический заряд и спин, равный Ѕ. Этим частицам приписываются дробные электрические заряды, равные +2/3,–1/3,–2/3 соответственно для каждого из трех кварков. Эти кварки обозначаются буквами u – от английского слова “up” (верхний), d – “down” (нижний) и s – “strange” (cтранный) или боковой. С открытием новых частиц появился новый – c–кварк (от английского “сharm” (очарованный). Он отличается от остальных кварков тем, что квантовое число С у него равно 1. В 1976 г. при объяснении свойств – ипсилон частицы пришлось ввести пятый кварк – b (“beauty” – прелестный). В 1994 г. выяснилось, что в Природе существует шестой массивный по масштабам микромира кварк, обозначаемый буквой t (“truth” – истинный). Таким образом, система кварков включает уже кварки шести сортов–ароматов (“flavour”), каждый из которых существует в трех цветовых разновидностях. Понятие цвета кварка было введено по ряду соображений, в частности, чтобы устранить противоречия с принципом Паули. Каждый кварк может существовать в трех формах – желтой, синей и красной, сочетание этих цветов дает “нулевой” белый цвет. Цвет кварка, подобно знаку электрического заряда стал выражать различие в свойствах, определяющих взаимное притяжение и отталкивание кварков.
Окружающее нас вещество в конечном счете построено, по–видимому, из кварков и лептонов по следующей схеме: из кварков образуются барионы, из барионов – атомные ядра, из ядер и электронов – атомы, из атомов – молекулы, из молекул – живые организмы и т.д.
По мнению американского физика-теоретика Дайсона достаточно точную теорию ядерных сил и взаимопревращений частиц можно построить не ранее, чем через 100 лет. Образно говоря по современным представлениям, мы знаем ядерное поле, как знает анатомию художник, а должны знать, как знает ее врач. История науки имеет пример подлинно научной классификации – периодический закон Менделеева. Этот закон был открыт за полвека до того, как удалось обосновать его с помощью квантовой механики, т.е. на основе фундаментальной физики. Подобный успех, по–видимому, впервые выпал на долю Гелл-Манна.
Поучительна, кстати, история кварковой гипотезы. Гелл-Манн анализировал группу из 10 частиц, или декуплет. Экспериментально были известны 9 частиц. Предсказание относилось к десятой частице. Можно изобразить декуплет в форме треугольника.
Четыре частицы образуют основание треугольника или квартет, выше располагаются три частицы – триплет, еще выше две частицы – дуэт и на вершине треугольника находится одна частица – симплет. Частица в вершине треугольника была теоретически предсказана и открыта, за что Гелл-Манн удостоился звания “физика номер один ХХ века”. Имя открытой частицы – Ω^––гиперон.
После первых ошеломляющих успехов дело пошло гораздо медленнее. Поэтому пакистанский физик А. Салам в одной из книг поместил карикатуру на физиков, которые слагают перевернутую пирамиду с основанием – в виде одной частицы Ω^––гиперон. Однако физиков не смущают трудности. Важно, что кварковая модель давала простую и наглядную интерпретацию. Название частиц пришло в теоретическую физику случайно, из фантастического романа ирландского писателя Джеймса Джойса “Поминки по Финнегану”. Герою романа представляется, что он – король Марк из средневековой легенды. Он преследует своего племянника Тристана на корабле, над которым все время кружатся чайки, которые кричат “три кварка для мистера Марка”. Эта тема послужила Гелл-Манну основанием для того, чтобы дать имя новым гипотетическиим частицам. Слово “кварк” в переводе означает чепуху или бесы. Этот смысл и был воспринят Гелл-Манном.
Современная физика значительно приблизилась к исследованию структуры элементарных частиц. По иронии судьбы элементарными были названы частицы, имеющие сложнейшую структуру. Эти частицы способны к взаимопревращениям, в процессе которые возникают так называемые “виртуальные” частицы, составляющие “фонд обмена” внутри всех частиц. Согласно современным исследованиям элементарная частица, например нуклон, изображается в виде остова, керна, окруженного “шубой” из виртуальных пи-мезонов. В известном смысле можно сказать, что любая частица составлена из ряда других.
Сформировалось два подхода к построению теории элементарных частиц – “аристократический” и “демократический”. Согласно аристократическому подходу налицо определенная элита, избранные частицы, из которых составлены все остальные. Согласно демократическому подходу все частицы равноправны (гипотеза зашнуровки).
Наконец, к теории элементарных частиц предъявляют требования оригинальных вплоть до “сумасшедших” (crazy) идей. Так, оценивая результаты дискуссии по теории поля, данной Вернером Гейзенбергом для разъяснения структуры элементарных частиц, Нильс Бор сказал: “Мы все присутствующие согласны, что Ваша теория сумасшедшая. Вопрос, который нас разделяет, настолько ли она сумасшедшая, чтобы иметь шанс быть правильной.”
Очевидно, термин “сумасшедшая теория” не стоит понимать однозначно как стремление физиков к оригинальности мышления, во что бы то ни стало. Сложность, необычность открытых явлений требует нового подхода к их объяснению, требует новых идей для правильного его отражения. Следует ожидать, что следующий шаг в познании структурных уровней материи потребует качественно отличных теоретических концепций.
Построение теории элементарных частиц не станет последним словом науки в изучении структуры материи. Материя неисчерпаема и неисчерпаемость ее состоит в бесконечном многообразии ее форм и свойств как в целом, так в отдельных проявлениях.