Микромир. Современные представления о строении материи

МИКРОМИР. СОВРЕМЕННЫЕ ПРЕДСТАВЛЕНИЯ О СТРОЕНИИ МАТЕРИИ

Весь наш мир мы условно делим на три уровня - мегамир, макромир и микромир. Мегамир - это космические системы и неограниченные масштабы. Макромир - это макроскопические тела размером от 10^-6 до 10⁷ см. Микромир сам делится на два подуровня: атомно-молекулярный (10^-8-10^-7 см) и квантовый (область, порядка 10^-15 см). Это деление мира на уровни весьма условно, и все же процессы микромира нельзя рассматривать так же, как макропроцессы в неком уменьшенном масштабе, поскольку явления микромира подчиняются другим закономерностям и изменяются на основе иных принципов. Еще с древнейших времен человек пытался познать первооснову мира, то, из чего состоит все. Ранее такой основой считались атомы. Затем выяснилось, что атомы и даже атомные ядра делимы. Элементарными (субъядерными) частицами называют такие частицы, которые не удается расщепить на составные части. Они подразделяются на стабильные и нестабильные. Всем элементарным частицам присущи такие основные черты:

1. частицы, пока существуют, неизменны.

2. частицы одного сорта абсолютно одинаковы, неразличимы;

3. частицы могут рождаться и исчезать.

Понятие элементарных частиц неразрывно связано с понятием поля - особой формы материи, которая наделена реальными физическими свойствами, такими как энергия. К наиболее известным относятся электромагнитное и гравитационное поля. В классической физике вещество и поле противопоставляются друг другу: вещество - дискретно, а поле - непрерывно. В микромире полевые и корпускулярные аспекты объединяются: поле проявляет корпускулярные свойства и наоборот, частица может проявлять волновые свойства. Макромир характеризуется, прежде всего, огромными массами и относительно малыми скоростями движения. В микромире малые массы, но высокие скорости.

Все известные нам поля, взаимодействия, вероятно, связаны с определенными частицами - их переносчиками. В гравитационных взаимодействиях участвуют все известные элементарные частицы, поскольку они обладают универсальным свойством - массой. Большинство частиц имеют заряд, с которым связано электромагнитное взаимодействие. В природе существуют два типа заряда: положительный и отрицательный. Именно электромагнитные силы ответственны за стабильность атомов, строение молекул и протекание химических реакций. Для объяснения устойчивости ядер были введены ядерные силы, обеспечивающие притяжение между нуклонами. Это короткодействующие силы в отличие от электромагнитных. Ядерные силы гораздо мощнее электромагнитных, отчего этот тип взаимодействия еще назван сильным. При изучении некоторых процессов распада, для объяснения процесса превращения нуклонов ввели еще один тип взаимодействия - слабое. Радиус сильного взаимодействия 10^-13, а слабого 10^-15 см. Слабое взаимодействие ответственно, прежде всего, за превращение одних элементарных частиц в другие. Типичный пример слабого взаимодействия или превращения - бета-распад нейтрона (в атомном ядре нейтрон стабилен, но «в одиночестве» распадается за 15 минут). Переносчиками слабого взаимодействия являются векторные бозоны, их масса велика (соответствует 100 протонам). Предполагается наличие пятого типа взаимодействия - спинового или торсионного, фиксирующего и передающего информацию посредством торсионного поля без затрат энергии. Если наличие торсионного поля подтвердится, то получат объяснение биоэнергетические, парапсихологические явления. Пока, однако, торсионное поле в большей степени - объект околонаучных спекуляций, а не серьезного научного поиска. Все встречающиеся в природе взаимодействия (поля) являются либо проявлением одного из указанных вида взаимодействия либо их комбинацией. Создание Теории фундаментального поля является одной из краеугольных проблем современной физики.

Первоначально считалось, что элементарные частицы ограничиваются наличием электрона, нуклонов (протона и нейтрона) и фотона. Однако, в 1930 году физик Вольфганг Паули открыл «на острие пера» нейтрино (реально эта частица отмечена лишь в 1956 г.), в 1932 г. - нашли позитрон, в 1936 г. - мюоны, в 1947 г. - мезоны, затем - гипероны. С 1950-х гг. началась новая эра в изучении микромира: были созданы ускорители заряженных частиц - циклотроны, фазотроны, синхрофазотроны и т.д. Это необычайно дорогие сооружения, иногда занимающие километры пространства. Сами исследования на ускорителях стоят безумных денег, поэтому сначала физики предсказывают процессы в теории и только потом проверяют их на практике. Теоретики при рассмотрении взаимодействия частиц и прогнозировании процессов исходят из законов сохранении энергии и импульса. На ускорителях получено очень большое число так называемых неустойчивых частиц (резонансов), с крайне малым временем жизни. Постепенно выяснилось, что частиц более 200, что требовало классификации.

Все элементарные частицы характеризуются такими параметрами, как масса покоя (фотон, движущийся со скоростью света, имеет массу покоя равную нулю, электрон - наилегчайший с ненулевой массой покоя, протоны и нейтроны в 2000, а Z-частица в 200000 раз тяжелее электрона), электрический заряд (он всегда кратен заряду электрона, равному -1, либо вовсе отсутствует), спин (момент импульса частицы, у бозонов спины целые - 0, 1, 2, а у фермионов полуцелые - например ?), и время жизни (стабильные - электрон, протон, фотон и нейтрино и нестабильные, с временем жизни от 15 минут до триллионных и более малых долей секунды).

Адроны. Этих частиц сотни, хотя стабильных среди них очень мало. Именно такое их количество привело ученых к мысли о том, что адроны в отличие от лептонов, не элементарны, а состоят из еще более дробных частиц. Адроны бывают двух разновидностей - нейтральные и электрически заряженные. Это нейтроны, протоны и множество короткоживущих частиц (резонансов). В 1947 г. в космических лучах обнаружены положительные и отрицательные п-мезоны, они в 280 раз тяжелее электрона. В 1949-1952 гг. открыты к-мезоны, гипероны (сверхтяжелые частицы) и барионные резонансы (барионы). Они получили название странных частиц, поскольку оказалось, что прямого отношения к образованию вещества эти частицы не имеют. Предполагается, что странные частицы существовали на самой ранней стадии эволюции Вселенной.

Лептоны. Спин у всех лептонов - ?, а вот заряд может быть различным, либо отсутствовать вовсе. Наиболее известным лептоном является электрон. В 1932 г. в составе космических лучей была открыта античастица - позитрон, имеющий такую же массу как электрон, но противоположный по знаку заряда. Античастицы отличаются от соответствующих им частиц только зарядом, а в остальных характеристиках идентичны. Античастицы-двойники есть у каждого лептона. Мюоны обладают либо положительным, либо отрицательным зарядом. По своим свойствам они похожи на электроны, но в 200 раз тяжелее. «Живут» мюоны лишь две миллионных доли секунды, распадаясь на электрон и два нейтрино. Кстати, обратите внимание на парадокс, характерный для микромира: при распаде «исчезает» значительная часть массы покоя. Известен сверхтяжелый тау-лептон (3500 масс электрона). Нейтрино - самая распространенная во Вселенной частица - уникальна, ибо подвержена действию только слабых сил, ее взаимодействие с веществом ничтожно, потому она легко проходит сквозь планету «не заметив» ее. Ежесекундно каждый квадратный сантиметр земной поверхности пронзают 300.000 нейтрино, летящих из космического пространства. Существует 3 разновидности нейтрино: электронное, мюонное и тау-нейтрино. Всего, таким образом, существует 12 разновидностей лептонов (6 лептонов и 6 антилептонов).

Глюоны (от англ. glue - клей) - образно говоря, это и есть «клей», не дающий миру распасться в небытие. Глюоны обеспечивают фундаментальные взаимодействия. Гравитационное взаимодействие, возможно, переносится гипотетическим гравитоном - безмассовой частицей со скоростью равной скорости света. Однако, гравитон до сих пор не найден и является исключительно детищем придумавших его теоретиков. В отличие от гравитации, квантовые свойства электромагнитного поля легко наблюдать, поскольку хорошо известны носители этого взаимодействия - фотоны. Сильное взаимодействие обеспечивают собственно глюоны. Переносчиками слабого взаимодействия являются векторные бозоны, их масса очень велика (примерно 100 протонов).

Кварки. Чайки метались над бурным морем и кричали резкими, неприятными голосами «Три кварка для мистера Марка!» - так описал сон своего героя Дж. Джойс в романе «Поминки по Финнегану». Сюрреалистическое слово из сна послужило в дальнейшем названием для мельчайших частиц. Сейчас известно, что адроны состоят из кварков и антикварков. На сегодняшний день кварки и антикварки считаются неделимыми, их по 6 типов, которые называются «ароматами» (flowers): u (up), d (down), с (charm), s (strangeness), t (top) и b (bottom). Самое необычное свойство кварков заключается в том, что они существуют только внутри адронов и не наблюдаются как самостоятельно существующие частицы.

«Электрон также неисчерпаем, как и атом, Природа бесконечна» - провозгласил в начале ХХ века философ, социолог, экономист и политик Владимир Ильич Ульянов (Ленин) (1870-1924), отстаивая материальность и познаваемость мира после открытия делимости атома и квантового состояния электрона. Эти слова в полной мере подтвердились новейшими достижениями физики. Электроны окружают атомное ядро, состоящее из протонов и нейтронов. Протоны и нейтроны «сделаны» из разных пар кварк-антикварк плюс одиночный кварк, «скрепленных» глюонами. Сегодня кварки и лептоны считаются «истинно элементарными» частицами. Из кварков состоят барионы (трехкварковые частицы - протон и нейтрон) и мезоны (состоящие из пары кварк-антикварк). Различия между кварками и лептонами соответствуют изменению типа симметрии.

Симметрия - ключ к пониманию фундаментальных взаимодействий. Они и существуют для того, чтобы поддерживать в природе набор абстрактных симметрий. Предмет считается симметричным, если он остается неизменным после какой-либо операции по его преобразованию. Симметричны некоторые неизменные при повороте геометрические фигуры (геометрическая симметрия), симметричны тела рыб, птиц (зеркальная симметрия) и т.д. Калибровочная симметрия - более абстрактное понятие из области физики. Система обладает такой симметрией, если ее природа остается неизменной при преобразовании отсчета уровня, масштаба или значения какой-либо физической величины.

Суперструны. При удалении заряженных частиц где-то на 10^-13 см силовые линии между ними искажаются. Оказалось, что сила взаимодействия между кварками с увеличением расстояния между ними не уменьшается, а возрастает. И при расположении кварков на расстоянии порядка метра, эти силы преобразуются в тонкую так называемую глюон-нить. Такие соображения легли в теорию суперструн - главное направление современной теоретической физики. В квантовой механике и в квантовой теории поля элементарные частицы считаются точечными. По теории суперструн элементарные частицы - это колебания одномерных объектов (струн), имеющих размеры 10^_33 см. Струны могут быть конечной длины или в виде колечек. Теория суперструн пока не привела к каким-либо физическим результатам, но это не помешало физикам-теоретикам, исследующим струны, нескромно назвать ее «Теорией Всего», хотя ее авторы претендуют на понимание только некоторых предельных случаев и говорят лишь о намеках на некую общую М-Теорию (Магическую, Мистическую). Если любые частички можно представить в виде неких нитей, то согласно дальнейшей разработке теории, пространство можно представить в виде пересекающихся суперструн, которые могут формировать новую метрику пространства.

Далеко не все еще ясно и открыто в физике элементарных частиц. Так, теоретическая физика не может ответить на целый ряд вопросов. Вот лишь некоторые из них: Как построить квантовую теорию гравитации? Почему существует только по шесть типов кварков и лептонов? Почему масса нейтрино очень мала?

Любопытную теорию строения материи отстаивает руководитель лаборатории «Наномир» А.Кушелев. Элемент тончайшей структуры материи представляет круговой вихрь, размер которого составляет 10^-35 м. Вакуум, по мнению Кушелева, это регулярная структура круговых вихрей (вихрал). Если предположить, что возмущение может вызвать локальный резонанс вихрала, а резонансный процесс преобразует вращательное движение вихрей в колебательное, то этот процесс может являться наблюдателю в виде элементарной частицы. При возникновении резонанса по одной пространственной степени свободы возникает фотон. Такое колебание затухает миллиарды лет, что может вызывать эффект «красного смещения» (см. лекцию Мегамир). Электрон - это резонансный процесс в двух степенях свободы, причем в первом приближении его можно обозначить кольцом с радиусом первой боровской орбиты в атоме водорода. Следствия этого предположения оказались далеко не тривиальными. Такая форма электрона приводит к восьмигранной форме атома, на внешней оболочке которого находится восемь электронов. Магнитная модель такой оболочки показывает, что оболочка может сохранять устойчивость за счет магнитных сил, которые действуют между кольцами-электронами. То, что поле атома действительно октаэдрично, можно прочитать в учебнике химии. Тридцатидвухэлектронная оболочка оказалась похожей на футбольный мяч, а по модели 18-электронной оболочки удалось построить новую геометрическую фигуру "18-гранник". Остается только удивляться проницательности эллина Демокрита, утверждавшего, что атомы имеют форму правильных многогранников,. Кварк в модели Кушелева имеет вид спирали, обвивающей кольцо. Кварки могут стыковаться в столбчатые структуры нуклонов и ядер. Принцип чередования кварков в столбчатом ядре может объяснить структуру таблицы Менделеева и плохую устойчивость тяжелых ядер.

Итак, вакуум - не абсолютная пустота. Еще в 1920г. Эйнштейн заметил: «Общая теория относительности наделяет пространство физическими свойствами, таким образом, в этом смысле эфир существует». Квантовая теория, согласно еще одной гипотезе, наделила пространство нулевыми колебаниями электромагнитного, гравитационного и других полей. В чем суть «нулевых колебаний»? Вакуум пронизан электромагнитными, гравитационными и иными полями. И ни в одном из них нет реальных квантов. Но по законам квантовой механики для всякого поля характерны колебания, которые, в свою очередь, невозможны без частиц. Таким образом, колебание поля в вакууме должно порождать виртуальные частицы. Более того, при определенных условиях (например, при воздействии полем высочайшей напряженности) эти частицы способны превращаться из виртуальных в реальные - вакуум способен порождать материю!

Проблемы вакуума и сверхсильных магнитных и гравитационных полей очень актуальны. Естественными источниками таких полей могут быть нейтронные звезды-магнетары с мощнейшим магнитным полем и черные дыры. Пока астрофизики ищут подтверждение этой гипотезы в далеком космосе, другие ученые не прочь попытать счастья в экспериментах на Земле. В печать просочились сведения об эксперименте «Филадельфия», поставленном в 1940-х гг. на одной из военно-морских баз США. На эсминец «Элдридж» с целью создания эффекта «невидимости» для радаров противника были, якобы, установлены агрегаты, генерирующие сверхсильное пульсирующее вращающееся магнитное поле. Эксперимент готовился при участии Эйнштейна. Его последствия оказались столь неожиданными, что до сих пор недоступны широкому кругу интересующихся.

В последнее время стали появляться «безумные» гипотезы, заключающиеся в том, что именно вакуум и составляет структурную основу мироздания, именно из него состоят все элементарные частицы. В таком случае все сущее - это «нечто по имени Ничто», грань между реальностью и виртуальностью становится зыбкой и стирается. По мнению современного американского физика Джона Уилера, материя - это геометрия пустоты (геометрия гиперпространства). Тогда Вселенная - не более, чем продукт применения определенного набора абстрактных математических формул и дифференциальных уравнений, «саморазвивающаяся программа» некоего «суперкомпьютера», породившая в итоге из пустоты, все многообразие материального мира. Неужели мы возвращаемся путем фундаментальной науки к знаменитому: «Вначале было Слово»?