KSE_Zhulanov_A_L

знание не об объекте наблюдения самом по себе, а знание о системе: прибор + объект. Получаемое знание по-прежнему является объективно истинным, и это нужно особо подчеркнуть, чтобы предупредить всякие сомнения в познаваемости микромира. Просто познавательная ситуация здесь сложнее, чем в классической физике. Это явление получило название «относительности к средствам измерения». В физике микромира в принципе невозможно устранить взаимодействие прибора и микрообъекта, невозможно абстрагироваться от него. Оно получило название «неконтролируемого взаимодействия».

Принцип дополнительности Бора утверждает, что для получения информации о микрообъекте необходимо использовать два класса экспериментальных установок: один для определения координат, другой – импульсов (скоростей), либо один для определения энергии, другой – моментов времени. (В этом принципе нет ничего необычного: мы часто пользуемся дополнительными характеристиками при оценке людей и вещей).

Какова модель атома в квантовой механике? Наглядной модели здесь иметь нельзя. Люди как существа макроскопические привыкли к наглядным пространственным представлениям. Но в микромире мы вынуждены понимать (мыслить) микрообъекты на математическом языке, без наглядных моделей, ибо эти объекты не являются механическими. (Для сравнения: мы можем наглядно представить расстояние в один метр, километр и т. д., но не можем наглядно представить расстояние в миллиард световых лет, хотя мы и мыслим его).

Итак, атом есть материальный объект, имеющий ядро и электронную оболочку. Однако электрон не есть геометрическая точка определенной массы, движущаяся по определенной геометрической линии-траектории. Наука может говорить только о вероятности нахождения электрона в определенной области пространства, причем сам он характеризуется плотностью распределения вероятности в некоторой микроскопической области (он как бы «размазан» в этой области, если использовать термин из обыденного языка).

Квантовомеханическое описание физических объектов коренным образом отличается от описания средствами классической физики. Правда, и в классической физике использовались вероятностные методы (молекулярно-кинетическая теория,

91

статистическая физика), но там исследовались множества микрообъектов (атомов и молекул), и соответствующие формулы указывали на распределение этих множеств на подмножества (например, распределение молекул газа по скоростям). В квантовой физике появился принципиально новый элемент: вероятностное описание индивидуального микрообъекта, чего не было раньше. И здесь, как и в случае с теорией относительности, перед физиками встал вопрос: какая теория атома – классическая или квантовая - истинна? Этот вопрос был осознан Бором еще за десять лет до создания квантовой механики, на дальних подступах к ней. Он ввел принцип соответствия, который требовал, чтобы результаты новой теории при описании некоторых явлений не противоречили результатам классической науки, если только она была применима для описания этих явлений. Этот методологический принцип сыграл положительную роль при создании квантовой механики. Действительно, если в некоторых формулах квантовой механики принять постоянную Планка стремящейся к нулю, получатся результаты классической физики. Другими словами, как и в случае с классической механикой, которая является частным случаем релятивистской механики, классическая физика является частным случаем более общей – квантовой физики.

Парадигма неклассического естествознания. Теория относительности и квантовая механика определили новый стиль научного мышления, который, сохранив ряд принципов предыдущего этапа – классического естествознания, приобрел несколько новых.

Сохранились идея законосообразности природы как главный мировоззренческий принцип, идея объективности научного знания как основной теоретико-познавательный принцип. По-прежнему сохраняют значение математика как мощный метод теоретического познания и эксперимент как ведущий метод эмпирического познания. Возросла роль мысленных экспериментов, возможности которых многократно усилились в связи с применением с середины 20 в. быстродействующих вычислительных машин.

Однако наука приобрела принципиально новые черты. Прежде всего, произошел отказ от механистического метода мышления и связанного с ним редукционизма. Его место заняла идея структурных уровней материального мира. Физический мир предстал как единство микро-, макро- и мегамира с присущими им закономерностями. Идея обратимости механических процессов заменена идеей

92

необратимости, которая проникла во все отрасли естествознания: от статистической механики до биологии. Обратимость процессов – это свойство систем типа «идеальной тепловой машины». Реальные процессы, происходящие в материальных системах, необратимы.

Изменилась форма детерминизма, на смену однозначному (лапласовскому) пришел статистический детерминизм (который учеными Запада первоначально трактовался как индетерминизм). Спор о том, какие законы - динамические или статистические – полнее, глубже описывают мир, решился в пользу статистических. Оказалось, что динамические законы науки – это истины, отражающие мир как бы в первом приближении, при достаточно сильных огрублениях, то есть допущениях, вносимых ученым в изучаемый процесс с целью его упрощения. Статистические законы дают более детальное представление о поведении объекта познания, хотя и они также опираются на определенные предпосылки. Без тех или иных огрублений, идеализаций, допущений познание законов природы было бы вообще невозможно.

Коренным отличием методологии неклассической науки стало введение наблюдателя в описание физического процесса (принцип относительности к средствам наблюдения). Взаимодействие экспериментальной установки и объекта наблюдения вносит возмущение в его поведение, и это возмущение неустранимо. В классической науке им пренебрегали ввиду ничтожности этого возмущения по сравнению с количественными характеристиками измеряемого объекта. В неклассической науке оно учитывается, так как его величина сравнима с величиной параметров измеряемого процесса. Эта особенность научного метода проявляется не только в физике микромира, но и в других отраслях науки, причем не только в естествознании (например, в психологии, социологии и др.).

Еще один важнейший принцип неклассической науки – принцип дополнительности Бора. Двойственный характер микрообъектов, проявляющийся в корпускулярно-волновом дуализме, делает необходимым применение двух классов экспериментальных установок и, как следствие этого, двух дополнительных классов понятий. Применение этого принципа позволяет получать более полную, многостороннюю картину сложных явлений природы.

Таким образом, развитие физики в начале 20 в. породило новую – квантово-полевую – картину мира, в рамках которой

93

произошла перестройка естествознания (химии, астрономии, некоторых разделов биологии).

2.4. СТРУКТУРНЫЕ УРОВНИ ОРГАНИЗАЦИИ МАТЕРИИ

Если в рамках механистического подхода природа представлялась гигантской машиной, то современное естествознание дает картину мира чрезвычайно сложную (многоуровневую и многокомпонентную), что ставит проблему выделения его структурных уровней. Структурирование мира можно производить по различным основаниям. В философии классификация видов материи строится на основе выделения основных форм движения материи (физическая, химическая, биологическая, социальная). С точки зрения физики, в природе целесообразно выделить три структурных уровня материи: микро-, макро- и мегамир. Основанием для этого служат два основных признака материальных объектов: размер и масса. Каждый уровень материи, в свою очередь, представляет собой многообразие объектов, различающихся по свойствам и присущим им закономерностям. Однако объекты каждого уровня, несмотря на их качественные различия, обладают рядом общих физических свойств.

Объекты микромира – это элементарные частицы, атомы и молекулы. Макромир включает гигантское разнообразие предметов и процессов: неорганическую природу Земли, биосферу, человеческое общество и созданную им материальную культуру. Его параметры находятся в пределах от верхней границы микромира до величин порядка 107 м по размерам и 1020 кг по массе (характеристики планеты Земля). Мегамирпредставлен планетными и звездными системами, галактиками, метагалактиками, Вселенной. Параметры объектов Мегамира многократно превосходят параметры объектов макромира. Однако резких границ между этими мирами нет: молекулы принадлежат к микромиру, но макромолекулы (белки, нуклеиновые кислоты) могут рассматриваться как объекты макромира; планеты и их спутники также занимают пограничное положение, но уже между макро- и мегамиром.

Современные представления о микромире. Классификация элементарных частиц. Открытие электрона (Томсон, 1897 г.), протона (Резерфорд, 1919 г.) и нейтрона (Чедвик, 1932 г.) позволило свести все химические элементы к трем «элементарным» частицам. Казалось, подтвердилась идея греческих натурфилософов, в

94

частности, Эмпедокла, полагавших, что мир (космос) можно объяснить на основе небольшого числа начал (архэ), каковыми древние считали элементы земли, воды, воздуха и огня. В современной физике роль этих начал отводилась двум нуклонам (ядерным частицам) – протону и нейтрону - и электрону. Однако как теоретические прогнозы, так и развитие экспериментальной техники (особенно создание ускорителей элементарных частиц) поставили под сомнение эту идею. Семейство элементарных частиц стало быстро увеличиваться, их общее число достигло четырех сотен, причем остается не ясным, все ли частицы уже открыты и если нет, то по каким свойствам их можно обнаруживать? Ситуация напоминает положение, сложившееся в химии середины 19 в., когда стали известны около шестидесяти химических элементов, и перед химиками встала аналогичная задача. Ее решил Д.И. Менделеев, открывший периодический закон и давший на его основе классификацию химических элементов. В построенной им таблице (тогда имевшей вид, отличный от современного) пустыми оказались три позиции, которые были заполнены гипотетическими элементами, однако вскоре обнаруженными в опытах. Впоследствии в таблицу были включены еще полсотни элементов, и этот процесс продолжается. Урок химии взят на вооружение физиками, также решающими проблему классификации элементарных частиц. Но какие свойства частиц положить в основание классификации: массу, заряд, спин (вращательный момент, выражаемый целым или полуцелым числом, помноженным на постоянную Планка), тип взаимодействия, в котором частицы участвуют, и т. д.? Какая классификация окажется эвристичной, то есть перспективной для обнаружения неизвестных частиц?

Наиболее значимыми являются два вида классификации: по типу взаимодействия, в котором участвуют частицы, и по величине массы частицы.

В современной физике известны четыре типа взаимодействий, называемых фундаментальными: сильное, электромагнитное, слабое и гравитационное. Они осуществляются посредством обмена частицами: глюонами, фотонами, промежуточными бозонами и гравитонами соответственно (экспериментально установленными являются фотоны и бозоны, две другие частицы пока гипотетические). Эту группу частиц с целым спином называют бозонами (по имени индийского физика Ш. Бозе). Для

95

количественной характеристики взаимодействий ввели безразмерную величину – константу взаимодействия. Константа сильного взаимодействия принята за 1, электромагнитного – 1/137, слабого – по разным оценкам, 1/105 или 1/1010 , гравитационного – 6/1039 . Все известные в природе силы сводятся, в конечном счете, к одному из названных взаимодействий или их совокупности. Например, трение, упругость тел, давление газа – все это проявления электромагнитного взаимодействия.

Класс частиц, участвующих в сильных взаимодействиях, получил название адронов (греч. adros – крупный, сильный). Он состоит из двух групп частиц, различающихся по массе: барионов и мезонов. Адроны, имеющие электрический заряд, участвуют также в электромагнитных и слабых взаимодействиях. Сильное взаимодействие связывает протоны и нейтроны в ядре и тем самым обеспечивает стабильность ядер атомов. Ядерные силы не зависят от заряда нуклонов и являются короткодействующими: (0,1-1)*10 13 см. Если расстояния между нуклонами будут больше верхнего предела, эти силы не действуют, а если меньше нижнего предела, то притяжение сменяется отталкиванием. Переносчиком сильного взаимодействия является глюон.

Электромагнитное взаимодействие ответственно за стабильность атомов, молекул, кристаллов. Это взаимодействие электрически заряженных частиц, между которыми действуют кулоновские силы. Теория электромагнитного взаимодействия, иначе называемая электродинамикой, рассматривалась ранее. Его квантом является фотон.

Слабое взаимодействие имеет место при распаде элементарных частиц, при -распаде ядер (в ядерных реакциях с образованием электронов), во взаимодействиях нейтрино с веществом, в термоядерных реакциях в звездах. Оно является еще более короткодействующим, чем сильное взаимодействие. Квантом этого взаимодействия является промежуточный бозон.

Гравитационное взаимодействие, открытое наукой в 17 в., – это взаимное притяжение любых материальных объектов, выражаемое законом всемирного тяготения. Это самое слабое взаимодействие в природе, и для тел с малой массой (типа элементарных частиц) сила тяготения практически равна нулю. Например, сила гравитационного притяжения двух электронов меньше силы их электрического отталкивания в 1042 раз. Однако для

96

тел с массами порядка массы Земли или Солнца сила притяжения достигает огромных величин и обеспечивает стабильность планетных и звездных систем, включая галактики. Радиус действия гравитационных сил, также как и электромагнитных, не ограничен (бесконечен). Квант гравитационного поля – гравитон.

По массе частицы делятся на четыре класса: барионы (baros – тяжелый), мезоны (mesos – средний), лептоны (leptos – легкий) и частицы с нулевой массой покоя.

Барионы делятся на нуклоны (ядерные частицы) и гипероны. Нуклоны - протон и нейтрон – имеют массу покоя: 1836 и 1839 электронных масс соответственно. Нейтрон в свободном состоянии не стабилен, его время жизни – около 15 мин. При распаде из него образуются протон, электрон и электронное нейтрино (так называемый -распад). Гипероны – частицы с массой более 2000 электронных масс. Все барионы, за исключением протона, нестабильны.

Мезоны являются нестабильными частицами (время жизни не более 10 8 сек.) с нулевым спином. Существует несколько их видов:-мезоны, К-мезоны и др.

Лептоны – частицы с массой покоя менее 200 электронных масс. К ним относятся электрон, мюон, электронное нейтрино, мюонное нейтрино, таонное нейтрино и тяжелый тау-лептон (с массой 3487 электронных масс), то есть 6 типов частиц. Из них стабильными являются электрон и нейтрино. Лептоны участвуют в слабом и, если имеют заряд, электромагнитном взаимодействиях.

Четвертый класс частиц (с нулевой массой покоя) образуют частицы - переносчики фундаментальных взаимодействий: гравитон, промежуточный бозон, фотон, глюон. Это кванты физических полей.

Спин барионов и лептонов равен 1/2 . Частицы с полуцелым спином называются фермионами (по имени итальянского физика Э. Ферми) и именно они служат строительным материалом, из которого состоит вещество.

Для каждой частицы существует античастица, обладающая той же массой покоя, временем жизни и спином. Другие характеристики частиц (например, электрический заряд, магнитный момент) противоположны по знаку, но равны по модулю. Истинно нейтральными являются три типа частиц: фотон и два мезона. Свойства таких частиц и их античастиц тождественны.

97

С ростом количества обнаруженных частиц и открытием большого разнообразия их свойств возник вопрос об их элементарности: все ли частицы можно считать элементарными, то есть не имеющими в своем составе других частиц? Эксперименты на ускорителях частиц показали, что при бомбардировке протонов электронами последние рассеиваются таким образом, как будто в протоне имеются три части – три точечных заряда. Подтвердилась выдвинутая в 1964 г. Гелл-Манном и Цвейгом гипотеза кварков – частиц с дробным электрическим зарядом. Согласно этой гипотезе, теперь уже ставшей признанной физической теорией, существуют шесть типов кварков, различающихся по «аромату»: u–кварк, d-кварк, странный кварк, очарованный кварк, b-кварк, t-кварк. Каждый тип кварка может быть трех «цветов»: красного, зеленого и синего. Кварк может иметь положительный или отрицательный заряд, численно равный одной трети или двум третям заряда электрона. По современным представлениям, в свободном состоянии кварки существовать не могут, поскольку силы связи между ними в составе элементарных частиц, обусловленные действием глюонов, быстро растут по мере их удаления друг от друга, не позволяя элементарной частице распадаться. Протон состоит из двух u-кварков и одного d- кварка, нейтрон – из одного u–кварка и двух d-кварков, мезоны – из кварка и антикварка (т.е. нуклоны состоят из трех кварков, а мезоны – из двух).

В связи с обнаружением у некоторых типов элементарных частиц внутренней структуры возникла необходимость в выделении особой группы истинно элементарных частиц. Они называются фундаментальными частицами. В эту группу включают 6 типов лептонов и 6 типов кварков, т.е. 12 типов частиц.

Перед физиками стоит задача создания теории фундаментальных взаимодействий, которая смогла бы с единых позиций объяснить явления микромира, то есть мира элементарных частиц и полей. Над проблемой создания «единой теории поля», «единой теории материи» работали Эйнштейн, Гейзенберг, Паули и др. К настоящему времени создана единая теория электромагнитных и слабых взаимодействий, на очереди – теория «Великого объединения», включающая также сильное взаимодействие, в отдаленной перспективе – «Сверхвеликое объединение», которое должно включить и гравитационное взаимодействие.

98

Макромир. Макромир в силу его чрезвычайного многообразия, с одной стороны, и значимости для человека, с другой, является объектом изучения не одной сотни наук, как естественных, так и социально-гуманитарных, как фундаментальных, так и прикладных. Это целые комплексы научных дисциплин (например, геологических, географических, биологических, социальных и др.), дающие огромный массив знаний о макромире. Но с физической точки зрения, все объекты макромира представляют собой различные вещества, имеющие однотипное строение и находящиеся в различных агрегатных состояниях. Эта характеристика в равной мере относится к планете, географическому ландшафту, растительному или животному организму, объекту материальной культуры.

Строение вещества описывает молекулярно-кинетическая теория, которая объясняет его свойства в различных агрегатных состояниях: твердом, жидком и газообразном. Основу теории составляют следующие принципы:

-вещество состоит из атомов и молекул;

-они находятся в хаотическом (тепловом) движении;

-между атомами и молекулами действуют электромагнитные силы взаимного притяжения и отталкивания.

Молекула – это наименьшая частица вещества, состоящая из атомов и обладающая всеми его химическими свойствами. Физические свойства вещества определяются не столько химическими свойствами молекул и атомов, сколько его агрегатным состоянием. Агрегатные состояния называются фазами, а переходы вещества из одного состояния в другое – фазовыми переходами.

Газовая фаза вещества характеризуется тем, что расстояния между атомами и молекулами больше их размеров, вследствие чего силы взаимодействия между ними либо отсутствуют, либо ничтожно малы, и возникают только в моменты их соударения между собой или со стенками сосуда. Скорость движения молекул, их кинетическая энергия зависит от температуры газа, поэтому абсолютная температура газа (т.е. по шкале Кельвина) является мерой средней кинетической энергии молекул газа. В физику было введено понятие идеального газа, который является идеализированной моделью реального газа при следующих допущениях: молекулы газа - это геометрические точки (безразмерные объекты), обладающие массой молекулы, взаимодействия молекул сводятся только к их соударениям со стенками сосуда, никаких других взаимодействий

99

между ними нет. Эта модель позволила сформулировать ряд газовых законов, имеющих простую математическую форму. При малых давлениях все газы являются практически идеальными, и для них выполняется основное уравнение состояния идеального газа – уравнение Менделеева-Клапейрона. Оно справедливо и для атмосферных газов. При высоких давлениях, например, при расчетах компрессоров и других газовых машин, необходимо вводить в

уравнение поправки, учитывающие силы взаимодействия молекул (притяжения и отталкивания). Уравнение состояния для реальных газов предложил Ван-дер-Ваальс.

Твердая фаза вещества проявляется в свойстве тел сохранять свою пространственную форму и объем при отсутствии внешних сил. Эта особенность твердого вещества объясняется тем, что силы взаимного притяжения и отталкивания атомов (или молекул) вещества уравновешиваются, вследствие чего они совершают хаотические колебания около положений равновесия.

Различают два вида твердого вещества: аморфное и кристаллическое. В аморфном веществе атомы и молекулы расположены хаотично, поэтому оно обладает свойством изотропности физических свойств: механические, тепловые, оптические, электрические и др. свойства вещества одинаковы по всем направлениям.

Вкристаллическом веществе атомы и молекулы расположены в определенном порядке, образующем кристаллическую решетку, имеющую форму многогранника (тетраэдр, куб и др.). Благодаря упорядоченной пространственной структуре кристаллические вещества анизотропны, т.е. их физические свойства различны по разным направлениям. Анизотрпия наблюдается у монокристаллов, т.е. твердых тел с единой кристаллической решеткой по всему объему. Однако макроскопические твердые тела состоят, как правило, из мелких кристаллов, расположенных хаотично, поэтому их физические свойства также изотропны (например, металлы).

Существуют следующие типы кристаллов: металлические, ионные, атомные, молекулярные.

Вметаллическом типе кристалла в узлах кристаллической решетки находятся положительные ионы атомов металла, а валентные электроны, оторванные от атомов, образуют электронный газ, наличие которого делает металлы электропроводными. Связь ионов в кристалле обусловлена взаимодействием положительно

100