Материя и движение. Современные взгляды на природу вещества и поля

Предметом физики является изучение простей­ших и в то же время наиболее общих форм мате­рии - механической, молекулярно-тепловой, электромагнитной, атомной и внутриядерной. При этом под материей понимается объективная реальность, су­ществующая независимо от чело­веческого сознания и отображае­мая им. По опре­делению В.И. Ленина: « Материя есть философ­ская ка­тегория для обозначения объек­тивной ре­альности, которая дана че­ловеку в ощущениях его, которая копируется, фотографи­руется, ото­бражается нашими ощущениями, существуя не­зависимо от них.» Вся история физики и других естественных наук доказывает материальность мира, объективность и позна­ваемость законов его развития. «От живого созерцания к абстрактному мышлению и от него к практике - таков диалек­тический путь познания истины, позна­ния объек­тивной реальности, то есть материи.» (В.И.Ленин.) Рубеж 19 - 20 века известен в разви­тии познания материи как « кризис в естество­знании». До этого времени атом считался по­с­ледней неделимой субстанцией - «кирпичиком», из которого со­ставляются все материальные объ­екты. Открытие в 1895 - 1896 го­дах радиоактив­ного, рентгеновского излуче­ния, катодных лучей дали возможность утвер­ждать, что атом это сложная структура, состоя­щая из еще более мел­ких частиц. Идеалисты всех мастей сразу же на­чали кричать о том, что раз исчез последний «кирпи­чик» мироздания - атом, то исчезла мате­рия. Отпор этим мировоззрениям был дан В.И.Лениным в книге «Материализм и эмпири­окритицизм». Он говорил: «Сущность ве­щей» или «субстанция» то же относительны, они вы­ражают толь­ко углубление познания объектов, и если вчера это углубление не шло дальше атома, сегодня дальше электрона и эфира, то диалек­ти­ческий материализм настаивает на временном, относительном характере всех вех познания при­роды прогрессирующей наукой че­ловечества. Электрон также неисчерпаем, как и атом...» На­учные открытия 20 века подтвердили и подтвер­ждают гени­альные выводы В.И.Ленина. Совре­менные взгляды на строение и свойства материи сводятся к следующим поло­жениям. Материя, материальные объекты существуют в двух фор­мах - вещество и поле. Понятие вещества связано с наличием (сущест­вованием) оп­ределенных час­тиц: молекул, атомов; долгоживущих элементар­ных частиц); быстроживущих элементарных частиц (около 200). Долгоживущие элементар­ные частицы, их в настоящее время насчитыва­ется 35.

В последнюю четверть века широкое распро­странение полу­чила кварковая теория строения вещества. Сущность ее состоит в том, что всякая элементарная частица, имеющая определенные свойства ( заряд, массу, спин) может быть пред­ставлена в виде 2-х, 3-х , 4-х и т.д. «еще более элементарных частиц» — получивших название кварки. Например, существует 3-х кварковая мо­дель элементарных ча­стиц. Кварки принято в теоретической физике обозначать буква­ми р, η, λ, которые обладают определенными свойствами.

Странность - это особое квантовое число, которое харак­теризует сильные и электро­магнитные взаимодействия при рождении пары странных частиц. Оно может быть равно+!,-1,+2,-2, 0

Барионный заряд - это особое квантовое число, присущее только барионам.

Оно может принимать значения: +1 для бариона, -1 для анти-бариона, для я- и к- мезонов оно от­сутствует (равно 0). Из этих 3-х кварков можно составить 10 комбинаций:

ррр - ррη – pηη - ηηη

ррλ.- рηλ - ηηλ

рλλ - ηλλ

λλλ

Первые 9 комбинаций представляли 9 известных элементар­ных частиц класса Λ, ∑, Ξ , комбина­ция λλλ была неизвестна - это новая частица - она была открыта позже и получила назва­ние омега минус частица (Ω^-).

Все эти положения о кварках теоретического плана, обнару­жить реально отдельно сущест­вующие кварки пока не удается. Совокупность этих образований и составляет вещество в раз­личных его проявлениях. Веществу присущи различные свойства (цвет, запах, вес и т.д.), кото­рые могут определенным образом воздейст­во­вать на чувствительные рецепторы организма че­ловека и распознаваться по этим свойствам.

Поле - это особый вид материи, посредством которого осуществляется связь и взаимодей­ствие между вещественными образованиями.

Поля бывают: электрическое, магнитное, элек­тромагнитное, гравитационное, ядерное. В по­следнее время появилось название биополе, од­нако сущность и свойства биополя еще не рас­крыты, хотя нельзя отрицать его существова­ние. Обнаружить поля наши­ми органами чувств не­посредственно невозможно. Основным неотъем­лемым свойством материи является движение. Различные формы существования и движения материи взаи­мозависимы и взаимосвя­заны. Про­следим эту связь на примере развития взглядов на природу света.

Оптика или учение о свете зародилось еще в глу­бокой древ­ности и первоначально возникло как попытка ответить на воп­рос, почему человек ви­дит. В качестве основного свойства света в древ­ней Греции было отмечено его прямолиней­ное распрост­ранение. Теоретическое обоснова­ние природы света возникло еще в конце 17 века. Одна из теорий получила название корпускуляр­ной, другая волновой. Творцом и защитником корпускулярной те­ории был Исаак Ньютон, он считал свет потоком частиц - кор­пускул. Глав­ным аргументом в пользу корпускулярной тео­рии он приводил прямолинейность распро­стра­нения света. Сущность корпускул он не раскрыл. Этой теорией он объяснил законы пре­ломления и отражения света.

Однако эта теория не могла объяснить явления интерферен­ции, дифракции и поляризации света. Голландский ученый Хрис­тиан Гюйгенс пред­ставлял свет в виде волнового процесса, распро­страняющегося в упругой вещественной среде. Этой теории при­держивались такие известные ученые того времени, как Юнг, Френель, Ломо­носов. В 1865 году английский физик Максвелл предложил электро­магнитную теорию света, со­гласно которой свет - это распрост­раняющееся в пространстве электромагнитное поле. Некото­рые явления, такие как, тепловое излучение и фотоэф­фект не могли быть объяснены ни с точки зрения классических представлений Ньютона и Гюй­генса, ни с точки зрения электро­магнитной тео­рии Максвелла.

В 1900 году Макс Планк создал квантовую тео­рию, по которой световой поток обладает преры­вистой структурой, излучается в виде квантов, фотонов с энергией Е = hv = hc/v, h = 6,625x10³⁴ Дж с. Кванты движутся прямоли­нейно со скоро­стью света, поглоща­ется свет только квантами. Закон Планка при всей его неожидан­ности для физики того времени был открыт в итоге разви­тия элек­тромагнитной теории света, термодина­мики, статистической фи­зики. Новая фи­зика(квантовая) рождалась на фундаменте класси­ческой физики, однако классическая фи­зика оказалась непригод­ной в мире атомов. Квантовая теория была подтвер­ждена в 1905 году А.. Энштейном, объяснившим фотоэффект. По Энштейну – свет излучается и поглощается в виде отдельных порций энергии - квантов элек­тромагнитного излучения, hv = А_ВЬ1Х+ mυ²/ 2 - уравнение Эйнштейна для фотоэффекта. Та­ким образом, опыт подтвер­ждает правильность квантовой теории света, в то же время остается справедливой и электро­магнитная теория света. Свет одновременно обладает свойства­ми непре­рывных электромаг­нитных волн и свойствами дискрет­ных фотонов. Если « перемещаться» по шкале электромагнит­ных волн от длинных волн к более коротким, то волновые свой­ства элек­тромагнитного излучения постепенно уступают место все более отчетливо проявляющимся кван­товым свойствам. Фо­тон, как всякая материаль­ная частица обладает энергией, мас­сой, количе­ством движения р = m_Фс, энергией Е_Ф = m_Фс² и скорос­тью; однако его нельзя рассматривать вне связи с электромаг­нитной волной Е_Ф = hc/ λ_Ф. Эта взаимосвязь привела французского физика Луи де Бройля в 1924 году к заключению, что всякая движущаяся частица обла­дает волновыми свойствами, связана с какой-то волной. Длину волны движущейся частицы можно определить из соотношения для фотона: m_Фс² = hc/λ_Ф;

λ_Ф = h/( m_Фс)

Для движущейся частицы λ_Ч=h / (m_Чυ_Ч), если скорость частицы мала, то волновые свойства проявляются очень слабо. Однако, если разогнать частицу до скоростей, близких к скорости света, то частица приобретает свойства волны. Одним из примеров волно­вых свойств частицы является использование волновых свойств движущихся электронов в электронном микроскопе. Теория Луи де Бройля легла в основу квантовой меха­ники, объясняющей поведение элементарных частиц атома. С точки зрения науки, пытаю­щейся ограничиться механичес­кими представле­ниями, такая двойственность непонятна. Для многих физиков эта двойственность послужила поводом для от­хода от материалистического воз­зрения к попыткам противопос­тавить свет и ма­терию, отказаться от принципа причинности и т.д. Отказ от механических представлений клас­сической физики ни в коем случае ни есть отказ от материалистического миро­воззрения. Об этом писал В.И.Ленин в «Материализме и эмпи­риок­ритицизме». Синтез волновых и корпуску­лярных свойств может быть дан лишь на основе диалек­тического материализма, утверждающего, что в каждом явлении природы проявляются противо­положности и что вместе с тем сущест­вует их диалектическое единство. При­мером такого единства и борьбы противоположностей может служить взаимодействие двух элементар­ных час­тиц: электрона и позитрона, в результате кото­рого возникает новый вид материи: два кванта электромагнитного поля, е^- + е⁺ → 2hv . Это яв­ление называется аннигиляцией.