Тема 4. Строение материи и физика элементарных частиц.

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.

1. 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.

2. 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.

3. 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.

4. 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:

1. Как были доказаны корпускулярные и волновые свойства вещества?

2. Что изучает квантовая механика и почему она так называется?

3. Что такое вакуум и что значит «возбужденный вакуум»?

4. Что такое принцип дополнительности?

5. Что такое принцип неопределенности?

6. Охарактеризовать принцип симметрии.

7. Как связаны принципы симметрии и законы сохранения физических величин?

8. Каково значение принципа суперпозиции в квантовой механике?

9. В чем специфика отношения прибор-объект в квантовой механике?

10. Дать определение материи по современным представлениям.

11. Чем вещество отличается от поля?

12. Из чего состоят протоны и нейтроны?

13. 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