Становление физической картины мира от Галилея до Эйнштейна

Прежде всего, проанализируем само понятие элементарного объекта и обсудим различныекритерии элементарности. Подобный анализ особенно актуален в настоящее время, когда число частиц, называемых элементарными, достигло несколько сот. Далеекратко остановимся на характеристике основных экспериментальных и теоретических данных о структуре микрочастиц.

V.Проблема Элементарного.

В V в. до н. э. Анаксагор, по – видимому, первым высказал мысль о бесконечной делимости материи. Он представлял мир как совокупностьбесконечного числа частиц – «гомеомерий» (подобочастных), каждая из которых в свою очередь состоит из неисчерпаемоогромного количества более мелких «гомеометрий» и т. д. без конца. При этом каждая из этих частиц содержит в себе свойства Вселенной, она «бесконечновелика» и, подобно целому, заключает в себе все существующее и сущее не просто бесконечно, но бесконечно бесконечно.

Иная точка зрения сформулирована, в учении Демокрита, считавшего, что мир состоит избесконечного числа вечных, абсолютно неделимых, изначально простых частиц – атомов вещества и амеров – атомов пространства. Неисчерпаемое богатство свойствокружающего мира в такой картине реализуется благодаря бесконечному количеству различающихся по своим свойствам атомов (пирамидальных, круглых, гладких,крючковатых и т. д.), которые в силу присущей им твёрдости и непроницаемости определяют предел физической делимостивещества. Между атомами может быть лишь пустота.

Атом Демокрита – это не точка, а протяжённое тело, которое нельзя механическиразделить на компоненты, но внутри которого мысленно можно всё же выделить различающиеся между собой части: верх, низ, правое, левое, середину и т.д. Этиминимальные пространственные части, или амеры, представляют собой «истинное неделимое», лишённое каких бы то ни было частей, не имеющие ни верха, ни низа,ни правой, ни левой стороны. Из амеров (квантов пространства, если говорить сегодняшним языком) состоит пустота, из различного числа амеров слагаютсябольшие и малые атомы вещества. С современной точки зрения именно амеры («бесчастные»), они протяжённые атомыследовало бы рассматривать в качестве наипростейших элементов мира. Учение Демокрита было вершиной натурфилософских представлений о материальномпревосходстве мира.

Острая критическая ситуация возникла на рубеже XIX и XX веков, когда выяснилось, что по крайней мере часть массы электрона связана с егоэлектромагнитным полем, а в теоретических работах А. Пуанкаре и А. Эйнштейна было установлено взаимно однозначное соответствие между массой и энергией.Значительная часть учёных, не различавших до этого понятий массы, вещества и материи, восприняли эти результаты как доказательство исчезновения материи, как«растворение» её в электромагнитном поле и энергии. Отсюда делался вывод о крахе материалистической картины мира и экспериментальном доказательствеидеальной первоосновы мира.

• Какой объект можно назвать «самым элементарным».

На протяжении всей истории развития науки независимо от того, принималась ли вкачестве элементарного некая материальная субстанция или исходными элементами бытия считались некие чувственные «сущности» и «первичные идеи», - во всехслучаях элементарное всегда понималось как то основное, неизменное и первичное, «из чего состоят все вещи, из чего как первого они возникают и во что как впоследние они, погибая, превращаются»; при этом элементарное представляет собой «предельные части, на которые делимы тела, в то время как сами эти части уженеделимы на другие, отличающиеся от них по виду… Но если они и делятся, то получаются одного с ними вида части».

В течение длительного времени за наинизший известный уровень организации материипринимались атомы химических элементов, хотя уже открытие Д. И. Менделеевым периодического закона наталкивала на мысль, что в природе должно быть что – тоещё более элементарное, свойствами которого и объясняется этот закон. Первая элементарная частица была открыта Дж. Томсоном лишь в самом конце XIX века. Вначале нашего века опыты Э. Резерфордаобнаружили сложную структуру атома, а вскоре было установлено, что и ядро атома в свою очередь имеет сложное внутренние строение. В начале 30 – х годов былиуже 5 частиц, входящих в состав атома и его ядра или принимающих участие во внутри атомных взаимодействиях: фотон, электрон – позитронная пара, протон инейтрон. К настоящему времени число таких частиц достигло уже несколько сот и продолжает быстро возрастать. Оказалось, что свойства этих субъядерных частицне проще, а, наоборот, сложнее, чем у атома и его ядра. Некоторые частицы – это ультракороткоживущие, почти эфемерные(5) образования со временем жизни, в течение которого частица успевает пролететь лишь расстояние, равное радиусу ядра;другие частицы оказались неожиданно очень тяжёлыми, даже тяжелее некоторых атомов. Для описания частиц потребовались совершенно новые понятия: спин(6), гиперзаряд, барионное и лептонное числа и т.д. Эксперимент показал, чтосубъядерный уровень необычайно бога и разнообразен.

Помимо того, что все открытые частицы участвуют в субъядерных взаимодействиях, ониобладают ещё одним общим свойством. Попытки выделить среди них какие – то «более элементарные» объекты, из которых можно было бы построить все остальные,окончились неудачей. Оказалось, что каждая такая частица состоит сразу из всех других. С точки зрения критерия относительности простоты эти частицы в равнойстепени элементарны. В целом совокупность субъядерных частиц, образно говоря, напоминает некую многомерную сферу, где нет ни первого, ни последнего элементаи где каждый элемент связан со всеми остальными.

Правда, недавние исследования внесли важную поправку в эту картину. Выяснилось, чтосреди субъядерных частиц имеются такие, которые следует рассматривать как возбуждённые состояния других частиц. Так, семейство J/y - частиц представляет собой спектр («лестницу») возбуждённыхсостояний, в котором высшие состояния переходят в низшие, с меньшим массами, путём распадов. Другим аналогичным примером является семейство e - частиц, члены которого также связаны между собойцепочками последовательных распадов.

Если исключить возбуждённые частицы – состояния, которые естественно считатьболее сложными объектами, чем соответствующие им основные невозбужденные частицы – состояния, то даже в тех случаях, когда происходит распад частицы,нельзя говорить о том, что конечные частицы являются более элементарными, чем распавшаяся, а тем более утверждать, что конечные частицы входили в состависходной. Это было бы верно, если бы энергия связи (дефект масс) была значительно меньше масс участвующих в реакции частиц, а частицы – компоненты нетеряли бы своей индивидуальности внутри образуемого ими целого, подобно тому, как это имеет место в атоме, в атомном ядре и во всех макроскопическихобъектах.

К группе элементарных относят в настоящее время все частицы, которые нельзя рассматривать как возбуждённые состояния других частиц любые возможные распадыкоторых, как реальные, так и виртуальные происходят с дефектом масс.

В тоже время трудно возразить Н. И. Степанову, когда он отмечает, что «многочисленные известные сегоднямикрочастицы не потому являются элементарными, что не допускают «деления» ни по какому признаку, что они «наиболее просты» а потому, что в рамках современныхпредставлений все они, несмотря на различие свойств, могут рассматриваться как принадлежащие к одному качественно –специфическому уровню, определяющему предметную область физики элементарных частиц». Специфическою особенностью этого уровня по сравнению со всеми вышестоящими как раз и является большой дефект масс, уничтожающий индивидуальность объединяющихся частиц.

В литературе иногда обсуждаются другие критерии установления «степени элементарности», которые, по мнению их авторов, являются более универсальные.Например, Б. Я. Пахомов предлагает считать более элементарной ту частицу, «с которой связано меньшее число качественно различных форм движения», и болеесложной ту, «которая включает в себя большее число форм движения». Развивая эту идею, П. М. Румлянский приходит к выводу о том, что «более элементарными приэтом будут частицы нейтрина и фотон, способные вступать только одно взаимодействие … Нейтрино способен вступать в слабое, тогда как фотон– в электромагнитное взаимодействие. Более сложным… считается электрон, способный к вступлению как в слабое так и в электромагнитное. Ещё более сложные… p-мезоны … ». однако подобный подход трубно провести последовательно, так как, согласно современнымпредставлениям, при высоких энергиях частицы должны участвовать во всех типах взаимодействия – электромагнитном, сильном(7) и слабом(8),различие которых при этом становится уже не столь существенным, как при низких энергиях; если же не принимать во внимание всей области энергии то пришлось бы,например, признать электрически нейтральную частицу p - мезон более элементарной чем p⁺ и p^- -мезоны, хотя эти частицы являются зарядовыми состояниями одного и того же изомультиплета(9).

Иногда за критерий относительной элементарности предлагается брать число законовсохранения, которым подчиняется тот или иной объект. Так, по мнению А. А. Бутакова, более сложной элементарной частицей является та, которая подчиняетсябольшему числу законов сохранения, поскольку более высокие формы движения связаны с большим количеством таких законов. Поскольку каждый закон сохранениясоответствует вполне определённой симметрии, то предполагаемый критерий означает, что объект тем элементарнее, чем меньшей симметрией он обладает. Вдействительности дело состоит как раз на оборот: опыт науки показывает, что переход к более глубоким материальным структурам до сих пор всегдасопровождался открытием новых типов симметрии, которые «портятся» на уровне более высокоорганизованных форм движения и в лучшем случае становятся лишьгрубоприближёнными. В ядерной физике больше симметрий, чем в электродинамике.

Проблема элементарности особенно осложнилось после того, как было установлено, чтоэлементарные частицы хотя и не делятся на простейшие в обычном геометрическом смысле и поэтому действительно должны рассматриваться как элементарные, но в тоже время обладают пространственной протяжённостью и сложной внутренней структурой. Элементарность и структурность оказались неразрывно слитыми в одноми том же объекте. Можно сказать, что каждый отдельный фрагмент структуры элементарной частицы несёт информацию о частице в целом, а информация, скрытаяв локальных деталях структуры, в свою очередь определяется свойствами объекта как целого.

• Систематика элементарных частиц. Суперэлементарные частицы.

Основная трудность, которая возникает при определении понятие элементарной частицысвязано с тем, что в настоящее время таких частиц оказывается очень много – значительно больше, чем атомов химических элементов. Недавно были открытычастицы в 10 раз более тяжёлые, чем протон, и приблизительно с такой же массой, как у ядра бора.

Отчаявшись выявить какую – либо иерархию в разрастающемся множестве равноэлементарныхобъектов, некоторые физики выдвинули идею бутстрапа («шнуровки», или «ядерной демократии»), согласно которой каждая элементарная частица состоит извсех других частиц (точнее, структура каждой элементарной частицы определяется взаимодействиями всех других частиц). Однако эта идея не устраняет чувства удовлетворённости из – за слишкомбольшого числа «наипростейших сущностей» последовательная формулировка идеи бутстрапа, напоминающая чем – токонцепцию Демокрита приводит к выводу о бесконечном числе элементарных объектов.

Структура микрообъектов в теории бутстрапа принимает относительный смысл – что - то вроде особой системы координат, которуюможно выбрать различным образом. Определение элементов структуры становится весьма неоднозначным. Так как одну и туже частицу можно различными способами«составить» из других частиц. Более того, остаётся неясным, можно ли вообще на этом пути сформулировать точную замкнутую систему уравнений, определяющуюразличные свойства, в том числе и структуру элементарных частиц. Теоретиками анализировались лишь очень грубые модели бутстрапа, учитывающие взаимосвязьвсего двух – трёх сортов частиц, и, хотя в ряде случаев были получены обнадёживающие качественные результаты, попытки их уточнения сразу женаталкиваются на огромные трудности. Идею бутстрапа нельзя считать удовлетворительным решением проблемы «наипростейших элементов».

Значительно более плодотворным оказался путь объединения частиц в замкнутые группы(мультиплеты), члены каждой из которых могут трактоваться как различные состояния одной и той же частицы. Руководящим принципом при этом служитвыявление симметрий в свойствах различных частиц. Такой «групповой подход», использующий хорошо разработанный математический аппарат теории групп, являетсядальнейшим развитием формализма зарядовых (изотопических) мультиплетов.

Большое значение имело открытие так называемой унитарной симметрии, позволившееобъединить изотопические мультиплеты «обычных» и странных частиц в единые октеты и декаплеты. Учёт спинов дал возможность построить ещё более сложныесемейства частиц: унитарные мультиплеты мезонов объединились в семейство, состоящее из 35 частиц («35 - плет»), а октет и декаплет барионов – в семейство из 56элементов («56 - плет»).

Дальнейшее разработка систематики частиц связана с идеей кварков. Выяснилось, чтоотдельные унитарные мультиплеты не являются совершенно изолированными друг от друга, а связаны строгими правилами симметрии. И самым поразительным было то,что эти правила предсказывали существование частиц с дробными электрическими зарядами – кварков. Вот эти – то частицы на современном уровне развитиянауки действительно можно считать «самыми элементарными», потому что из них могут быть построены всё остальное взаимодействующие частицы – иногда «простымсложением», как атомные ядра из протонов и нейтронов, а иногда рассматривая их как возбуждённые состояния уже построенных частиц, - и в то же время самикварки нельзя построить из других элементарных частиц. В этом смысле кварки существенно отличаются от всех других частиц, среди которых, как ужеотмечалось, невозможно выделить какие – либо более элементарные «строительные элементы». Кварки можно рассматривать как следующий, более глубокий,«суперэлементарный» уровень организации материи и с точки зрения величины дефекта масс, то есть плотности из упаковки внутри протонов, мезонов и других«менее элементарных» объектов.

С позиции теории кварков структурный уровень элементарных частиц – это областьобъектов, состоящих из кварков и антикварков и характеризуемых большим дефектом масс в отношении любых их распадов и виртуальных диссоциаций. Вместе с тем,хотя кварк и является «самой простейшей » известной сегодня частицей, он обладает очень сложными свойствами. От всех других известных нам частиц кваркотличается не только дробным электрическим зарядом, но и дробным барионным числом. Среди других элементарных частиц он выглядит неким кентавром: по своимсвойствам он одновременно и мезон, и барион.

Первоначально считалось, что кварк имеет три состояния: два из них различаются лишь величинойэлектрического заряда, а в третьем состоянии кварк проявляется как странная частица. Однако после открытия семейств «шармированных» (очарованных) частиц ктрём состояниям кварка пришлось добавить четвёртое – «шармом». На самом большом мире ускорителе протонов в Батавии, близ Чикаго, была обнаружена новаяудивительная частица - e-мезон. Его масса значительно превосходит массунуклона, а свойства таковы, что его приходится рассматривать как слипшиеся кварк и антикварк. При этом приходится допустить, что кварк и антикваркобладают ещё одним, пятым по счёту состоянием. Для квантового числа, характеризующего это состояние, ещё нет даже общепринятого названия (чаще всегоего называют «прелестью кварка» или соответствующим английским термином «бьюти»). Пять квантовых степеней свободы кварка принято называть его «ароматом»(некоторые авторы предпочитают говорить о пяти «степенях вкуса кварка»).

Но и эти не исчерпывается перечень свойств кварка. Анализ экспериментальных данныхпривёл к выводу, что каждый из пяти «ароматов» («вкусов») кварка имеет три «цвета», то есть каждое из пяти состояний кварка расщеплено ещё на тринезависимых состояния, характеризуемых величиной специфического квантового числа – «цвета». «Цвет» у кварка изменяется при испускании или поглощении имглюона – кванта промежуточного поля, «склеивающего» кварки и антикварки в мезоны и барионы. (Можно сказать, что глюонное поле – это «поле цвета», егокванты переносят «цвет». Термин «глюоны» происходит от английского слова glue – клей).

В настоящее время идея суперэлементарных частиц – кварков буквально пронизываютфизику энергий. С их помощью объясняется так много экспериментальных данных, что физику просто невозможно обойти без этих удивительных частиц, так же как,например, химику – без атомов и молекул. По мнению большинства физиков, если кварки не существуют в природе как реальные объекты, то это само по себеявлялось бы поразительной загадкой.

И вместе с тем кварки никогда не наблюдались в «чистом виде», хотя, с тех пор какони были введены в теорию, прошло почти два десятилетия. Все многочисленные попытки обнаружить кварки или глюоны в свободном состоянии неизменнозаканчиваются неудачей. Строго говоря, глюоны и кварки остаются пока хотя вероятными, но всё же гипотетическими объектами.

В том, что кварки и глюоны – это физические объекты, а не просто удобный феноменологический способ описания на привычном для нас корпускулярном языкекаких – то ещё непонятных аспектов структуры элементарных частиц, убеждают косвенные опыты. Прежде всего это эксперименты по «зондированию» протонов внейтрон с помощью очень быстрых электронов и нейтрино, когда налетающая частица рассеивается (отскакивает), сталкиваясь с одним из находящихся внутри частицы –мишени кварков.

С учётом кварков список сильно взаимодействующих суперэлементарных частиц сведётся к трём частицам: кварку, антикварку и связывающему их глюону. Кним следует добавить ещё приблизительно десяток «наипростейших частиц» других типов, структура которых пока ещё не проявляется в эксперименте: квантэлектромагнитного поля – фотон, уверенно предсказываемый теоретиками гравитон и семейство лептонов.

Заключение.

За прошедшие года положение в теории элементарных частиц существенно изменилось.Были открыты слабые нейтральные токи, приводящие к таким эффектам, как рассеяние мюонного нейтрино на электронах. Открыты, начиная с ^J/y-мезона, целая группа элементарных частиц со временемжизни, в тысячу раз превышающим время жизни резонансов. Фактически уже сейчас нужно эти частицы включить в таблицу относительно стабильных элементарных частиц.

Значительны успехи в теории элементарных частиц. Единая теория слабых и электромагнитныхвзаимодействий получила солидное экспериментальное подтверждение, хотя по-прежнему не может считаться с несомненностью достоверной. Кварковая модельстроения адронов получает всё новые и новые экспериментальные подтверждения. После многих лет застоя большой прогресс достигнут втеории сильныхвзаимодействий, которые теперь рассматриваются как межкварковые взаимодействия.

Очень вероятно, что подлинно элементарными частицами, неделимыми уже дальше, являютсялептоны и кварки. Всё огромное множество адронов построено из кварков. Модель четырёх цветных кварков и чётырёх лептонов позволяет в общих чертах понятьструктуру материи. Учёные вплотную подошли к решению новой проблемы, проблемы структуры элементарных частиц.

При бомбардировке протонами высокой энергии неподвижной мишени обнаружены сверхтяжелые нейтральные мезоны, названные «ипсилонами» с массой порядка 9,4ГэВ. Найдено три модификации этих мезонов с близкими массами. Чтобы включить ипсилоны в рамки кварковой модели, надо предположить, что существуют кваркиболее массивные, чем с-кварк. Для сохранения кварк-лептонной симметрии требуется введение двух новых кварков, соответствующие паре t-лептон, u_t-нейтрино. Эти кварки уже получили наименование: топ(вершина по-английски) и боттом (дно).

Итак, с увеличением энергии сталкивающихся частиц обнаруживается рождение новых всёболее и более тяжёлых частиц. Это усложняет и без того непростую картину мира элементарных частиц. Появляются новые проблемы, хотя множество старых проблемостаётся нерешёнными.

Вероятно, основной нерешённой проблемой следует считать проблему кварков: могут ли онибыть свободными или же пленение их внутри адронов является абсолютным. Если же кварки принципиально не могут быть выделены и обнаружены в свободномсостоянии, то как убедиться, что они с несомненностью существуют?

Далее остаётся недоказанным экспериментально существование промежуточных векторныхбозонов W⁺ , W^- и W⁰, столь необходимых для уверенности в справедливости единой теории слабых иэлектромагнитных взаимодействий.

Несомненно, что выяснение строения элементарных частиц будет представлять собой столь жезначительный шаг, как и открытие строения атома и ядра.

Список литературы:

1. Барашенков В. С. Существуют ли границы науки: количественная и качественная неисчерпаемость материального мира. – М.: Мысль, 1982. – 208с. –(Философия и естествознание).

2. Большая Советская Энциклопедия Гл. ред. А. М. Прохоров. Изд. 3-е. М., «Советская энциклопедия », 1974г. Т.8, Т.10, Т.17, Т.23, Т.30.

3. Мякишев Г. Я. Элементарные частицы 3-е изд., испр. и доп.- М.: Наука, 1979. – 176с.

4. Пахомов Б. Я. Становление современной физической картины мира. – М.: Мысль, 1985. – 270с. - (Философия и естествознание).