Концепции современного естествознания

Второй постулат (правило квантования орбит электрона). Переход от стационарного состояния атома осуществляется путем поглощения или излучения кванта энергии по определенному правилу частоты. Все изменения (переходы) состояния атома (стационарное, нестационарное) связаны с поглощением или излучением электроном кванта энергии. Квантовым числом называется число, выражающее физические параметры частицы. Когда Н. Бор создавал свои постулаты, была известна лишь одна частица -- электрон. Поэтому Н. Бор назвал главным числом (другие квантовые числа тогда были неизвестны) положение электрона на орбите в атоме. В настоящее время для описания движения электрона в атоме используется несколько квантовых чисел, поскольку уже известны другие физические параметры электрона, кроме его положения на орбите вокруг атома.

Модель Н. Бора производила странное впечатление: атом живет как бы по двум законам: в одних состояниях -- по обычным законам, в других -- по необычным законам. Кроме того, получалось, что электрон как бы наделен «полной информацией» и «свободой воли». Он, во-первых, «знает», на какую орбиту ему переходить в соответствующий пространственно-временной момент. Во-вторых, он «знает» степень риска, переходя на верхнюю орбиту, и тем не менее не выскакивает за пространственные границы атома, опускаясь на нижнюю орбиту к центру атома, не падает на его центральную часть. Постулаты Н. Бора не имели надлежащего теоретического обоснования вплоть до появления в 1923 г. теории о «волнах материи».

Модель Н. Бора в буквальном смысле спас французский физик Луи де Бройль-младший (1892--1987), который вначале занимался литературой и искусством, но под влиянием своего старшего брата увлекся физикой. В 1923 г. В Сорбонне под руководством выдающегося французского физика П. Ланжевена (1872--1946) он защитил диссертацию, в которой развил удивительную гипотезу о существовании загадочных волн, названных впоследствии волнами материи.

Согласно этой гипотезе с каждым материальным объектом, имеющим импульс (произведение массы на его скорость движения), связана пропорционально волна определенной длины по следующей формуле: л = h/p или л = h/mv, где л -- длина волны, h -- постоянная Планка, p -- импульс, н -- скорость. Телу массой в 1 г и скоростью движения 1м/с соответствует дебройлевская волна - 6,68 · 10-27см.

Волны де Бройля связаны со всеми объектами, имеющими массу и импульс движения. Для объектов с большой массой обнаружить соответствующие им волны де Бройля технически сложно. Чтобы вычислить их значения, нужно разделить величину постоянной Планка на величину импульса этих объектов, например нашей планеты. Поэтому наблюдаемые объекты мира кажутся не дрожащими, постоянными и неизменными. Стационарное состояние атома в модели Н. Бора получило следующее объяснение.

Электрон как частица, имеющая соответствующую волну Луи де Бройля, движется на стационарной орбите таким образом, что на этой орбите уменьшается целое число длин волн де Бройля (конец волны одного оборота вокруг ядра точно совпадает с началом следующей волны). Когда же этого совпадения нет, то происходит несовпадение горбов и впадин волны, т. е. где-то горбы совпадают, а где-то горбы приходятся на впадины, что ведет к изменению энергии стационарного состояния, испусканию или поглощению кванта энергии.

К 1927 г. было экспериментально доказано, что электрон, наряду со свойствами частицы, обладает еще и волновыми свойствами. Кроме этого, было обнаружено еще одно квантовое число электрона, а именно внутреннее вращение электрона вокруг своей оси. Этот параметр называется спином (S), в переводе с английского означает вращающийся волчок. Для определения вращающегося момента точки, например, на поверхности сферы, нужно знать массу (т) точки, расстояние ее до центра вращения и угловую скорость вращения данной точки. Спин частиц измеряется в постоянной Планка (h) и может быть представлен целым числом или полуцелым от 0 до 9/2 (0 -- пионы, 9/2 -- некоторые резонансы).

Спин фотона (Y) = 1, спин протона, нейтрона, электрона = 1/2. Спином обладают не только электроны, но все другие частицы, за исключением мезонов. Спин (S) -- имеет не только энергетическую величину, но и направление, т. е. его проекция в трехмерном пространстве может иметь разные направления. Например, нейтрон и антинейтрон имеют одинаковую массу, оба не имеют заряда, но различаются лишь противоположными направлениями своих спинов. Электрон кроме спина (S) имеет еще момент количества движения в результате вращения вокруг ядра атома (I), а также собственный магнитный момент (как движущаяся электрически заряженная частица он создает собственное магнитное поле).

Полный момент количества движения электрона в атоме (J) определяется по формуле:

J = I + S,

где S -- спин электрона, I -- орбитальный момент электрона, вращение вокруг ядра.

Для описания движения электрона в атоме нужно четыре квантовых числа. Но каждый электрон в атоме не имеет одинакового значения этих чисел, согласно принципу Паули. Принципом Паули называют принцип запрета или правило заполнения энергетических уровней электроном в атоме. Число орбит электрона в атоме определяется по формуле 2л2, где n -- номер орбиты. Все частицы с полуцелым спином подчиняются принципу Паули.

5.3 Квантовая механика

Поиск математического представления законов движения частиц в атоме связан с деятельностью физиков Э. Шредингера и В. Гейзенберга.

Уравнение Э. Шредингера (1887--1961). Он изначально верил, что электрон -- это волна, а не частица. Цель его была найти волновое уравнение, определяющее движение волны-электрона в атоме. Это уравнение он обозначил греческой буквой ш -- пси, поэтому волновое уравнение Э. Шредингера называют общим названием пси- функцией. Электрон-волну можно представить в виде волнового пакета. Значение электрон-волны вычисляется по результатам многих измерений, из которых вычисляется среднее и квадратичное отклонения от средних значений. Пси- функция только в форме вероятностных значений говорит о физических параметрах электрона: координата, энергия, скорость, время и т. п. Если квадрат вероятностного значения пси-функции равен единице [(ш2(Дx * Дy * Дz * Дt)) =1], то можно говорить с большой вероятностью, что этот электрон находится в данном месте пространства вокруг ядра атома, где х, у, z, t -- пространственно- временные координаты.

Уравнение Э. Шредингера выражает в математической форме движение не только электрона атома, но и любого микрообъекта в микросистеме. Свои результаты Э. Шредингер опубликовал в январе 1926 г., его уравнения представляют нерелятивистский вариант квантовой механики (без учета эффектов релятивистской механики А. Эйнштейна). По сравнению с классической механикой вычисления уравнений Э. Шредингера, использующие операторы функций от функций, имеют сложный характер, но они точно выражают физический смысл процессов, происходящих в микромире.

Соотношение неопределенностей В. Гейзенберга (1901 -- 1976).

В. Гейзенберг учился в Геттингене у немецкого физика-биофизика Макса Борна (1882-- 1970). Он верил, что электрон -- это частица и считал, что Э. Шредингер заблуждается, говоря об электроне как о волне. Свои результаты он получил раньше Э. Шредингера, но опубликовал на полгода позже первого. В. Гейзенберг полагал, что в исследовании микромира нам доступны только наблюдаемые величины, а все остальное надо логически и математически выводить из наблюдаемых величин. К наблюдаемым величинам движения электрона в атоме относится частота, а также амплитуда его обращения по орбитам вокруг центральной части атома. В. Гейзенберг создал матричный метод выражения наблюдаемых величин движения электрона в атоме: матрица для частот и матрица для амплитуд. Для этой цели он сам построил математический аппарат, который был уже давно создан в математике. М. Борн скажет в связи с этим, что каким надо быть талантливым невеждой, чтобы самостоятельно создать математический аппарат, который должен быть известен людям, изучающим и физику. В алгебре квадратичных таблиц необычным было умножение: (A * В) не равно (В * А). Когда М. Борн и В. Гейзенберг обратились по этому поводу к великому немецкому математику Д. Гильберту (1862--1943), то получили странный ответ: всякий раз, когда я имел дело с этими квадратичными таблицами, они появлялись всегда как побочный продукт при решении волновых уравнений.

В. Гейзенберг рассматривал электрон как частицу, но как частицу, колеблющуюся, имеющую частоту и амплитуду колебания. Амплитуда (лат. amplitudo -- величина) -- наибольшее отклонение от нулевого значения величины, колеблющейся по определенному закону. О частотах и амплитудах электрона в атоме говорили цвета спектральных линий атома водорода:

частота -- об энергии квантов;

амплитуда -- о вероятности испускания (поглощения) квантов. Матричный метод позволял количественно описать переходы между состояниями атома. В матричном построении квантовой механики В. Гейзенберга занимает центральное место принцип «соотношения неопределенностей», имеющий следующий физический смысл: невозможно одновременно определить значение координаты и импульса частицы. Этот смысл выражается в формуле:

Дх* Др > ћ/2 ,

где Дх * Др -- неопределенность значений координаты x и неопределенность импульса p (т * v), ћ (h/2р) --постоянная Планка. Это означает, что координата x и импульс с не могут одновременно иметь значения, в точности равные x и р. Для энергии и времени частицы справедливо соотношение:

ДЕ·Дt ? ћ/2,

т. е. определение изменения энергии с точностью ДЕ, в данный момент должно занять интервал не меньший, чем ДЕ.

Принцип «соотношение неопределенностей» является своеобразным водоразделом между классической и квантовой механикой: чем больше масса частицы, тем меньше неопределенность ее координаты и скорости, и, следовательно, более точно можно определить траекторию движения этой частицы.

В. Гейзенберг опубликовал свой вариант квантовой нерелятивистской механики на полгода позднее Э. Шредингера. Анализ этих вариантов показал, что в них достигаются эквивалентные результаты.

Таким образом, к началу 30-х годов ХХ в. были сформулированы основные положения квантовой нерелятивистской механики, которая потом была дополнена релятивистской механикой, созданной П. Дираком к концу 30-х годов, и наступило время критического осмысления этого явления в физике: проблема объективности знаний в квантовой механике. Создание квантовой механики поставило остро вопрос о возможности создания объективных знаний об объектах микромира и границах его познания. А. Эйнштейн, Б. Подольский, Н. Розен выдвинули принцип, получивший название ЭПР (начальные буквы фамилий его авторов): если, не возмущая систему в микромире, можно достоверно предсказать числовое значение физической величины, то существует элемент физической реальности, соответствующий этой физической величине. Принцип ЭПР предполагает возможность измерения параметра микрообъекта без оказания на этот параметр воздействия прибора. Наблюдения показали, что атом представляет систему, в которой поведение и свойства ее элементов определяются свойствами системы в целом. Поэтому воздействие прибора измерения с одним из элементов системы частиц оказывает влияние на изменение величин других элементов этой системы. Взаимодействие прибора измерения с микрочастицами в микромире является, таким образом, неустранимым фактом, обусловленным самой дуалистической природой микромира. Эта проблема имеет философское содержание и остро дискутируется современными учеными и философами.

Обсуждение этой проблемы привело к четкой формулировке принципов квантовой механики.

Принцип дополнительности Н.Бора:

а) объекты микромира нельзя рассматривать по принципу «или-или» (либо частица, либо волна), так как микрообъекты микромира являются тем и другим одновременно;

б) описания объекта как волны или как частицы являются не противоречащими, взаимоисключающими, а взаимодополняющими.

Принцип швейцарского физика В. Паули (1900--1958) сформулирован в 1925 г.:

две (или более) частицы с полуцелым спином не могут быть тождественными по своим физическим параметрам в квантовой системе. Этот принцип распространяется только на частицы с полуцелым спином.

Принцип неопределенностей или соотношение «неопределенностей» немецкого физика В. Гейзенберга сформулирован в 1926 г.: в квантовой системе принципиально невозможно одновременно измерить место положения частицы и ее импульс.

Принцип соответствия. Он сформулирован Н. Бором в 1923 г.: новая общая теория, являющаяся развитием классической, не отвергает ее полностью, а включает в себя классическую теорию, указывая границы ее применения, т. е. в определенных случаях новая теория переходит в старую.

Таким образом, в квантовой механике была доказана корпускулярно-волновая природа объектов микромира: частицы суть волны и волны суть частицы. Обобщение этого утверждения было названо корпускулярно-волновым дуализмом (лат. duo-- два). Физическая интерпретация этого дуализма заключается в том, что интенсивность сопоставляемой частице волны в любой заданной точке в квантовой системе оказывается пропорциональной вероятности найти частицу в этой точке.

5.4 Современная квантовая теория

Кратко о событиях в физике, которые способствовали развитию квантовой теории как нового этапа развития квантовой механики.

Первой частицей, с которой началось создание квантовой механики, был электрон. Но уже к 1908 г. стали говорить о фотоне. На современном уровне фотон -- это кванты электромагнитного поля. Он не имеет массы покоя, нет системы отсчета, в которой он находится в покое, т. е. не движущегося фотона не существует. Он движется со скоростью света. Фотоны излучаются атомами, ядрами атомов, при распадах некоторых частиц, торможении и ускорении заряженных частиц, а также в процессах аннигиляции, т. е. взаимодействия частиц со своими античастицами. Фотоны различаются по свойственной им длине электронно-магнитной волны. В 1910-1912 гг. было обнаружено космическое излучение. Поднятый на высоту 4,5--5,2 км электроскоп на воздушном шаре разряжался с одинаковой скоростью днем и ночью. Сегодня известно, что космические лучи состоят в основном из потока протонов (90%), ядер гелия (7%) и ядер более тяжелых химических элементов. Они идут из глубин Вселенной и от Солнца, среди космических частиц имеются частицы с очень высокой энергией (до 1021 эВ). Физики утверждают, что человеческое тело ежесекундно «пронизывают» приблизительно 20 000 частиц, которые свободно проходят через магнитную сферу Земли и ее атмосферу.

Важным событием было открытие в 1932 г. позитрона (е+), античастицы электрона. Американский физик К. Д. Андерсон (р. 1905) на фотографии космических лучей обнаружил трек, след частицы, аналогичной электрону, но с положительным зарядом и спином, равным 1/2. К. А. Андерсон открыл позитрон случайно. Но до этого времени уже существовало теоретическое предсказание этой частицы. В 1928 г. П. Дирек создал релятивистское уравнение для электрона, которое учитывало принципы релятивистской механики. Описание физических явлений, происходящих в системе частиц (например, электрон-фотон с релятивистско-полевой точки зрения) осуществляется с помощью записи определенной функции (лагранжиан системы). Лагранжиан -- это функция, которая определяет форму уравнения движения частиц в системе полевого пространства. В уравнении П. Дирака получалось четыре решения: два решения с положительной энергией (+E, +1/2), (+Е, -1/2) и два других решения, которые давали нечто невразумительное: (-Е, + 1/2) и (-E, -1/2). В первых решениях речь шла о положительной энергии. В двух других -- об отрицательной энергии для античастицы электрона. Энергия в релятивистской механике пропорциональна массе (Е=тс2).Следовательно, отрицательной энергии соответствует отрицательная масса (-m). П. Дирак построил «теорию дырок». В этой теории состояние с отрицательной энергией и отрицательным зарядом трактовалось как дырочное состояние с положительной массой, энергией и зарядом. Эта теория утверждала, что в физическом мире частицам соответствуют античастицы.

Открытие позитрона вызвало оживленную дискуссию о возможном существовании антивещества и антимиров. Античастицы -- это двойники обычных частиц, из которых состоит наш мир. Они различаются только противоположным зарядом и направлением спина у частиц, не имеющих заряда типа нейтрона. Известен принцип зарядового сопряжения: замена частиц на античастицы не изменяет сильного и электромагнитного взаимодействия, но изменяет слабое взаимодействие. Это означает, что возможен мир с веществом из античастиц и соответствующими силами физического взаимодействия.

Большую роль в развитии квантовой теории сыграло открытие нейтрона и доказательство существования протона.

Нейтрон был открыт в 1932 г. в результате облучения альфа-частицами пластинки из бериллия. Это не имеющая заряда частица. По массе нейтрон больше массы протона приблизительно на 2,5 массы электрона.

Нейтрон является нестабильной частицей. Внутри ядра нейтрон распадается на протон, электрон и электронное антинейтрино: n -> p + е- +(антинейтрино). Распад нейтрона в ядре атома объясняется, как потом было установлено, физической природой бета-излучения (в-) как потока электронов с высокой энергией. В ядре атома нет электронов, но распад нейтронов в ядре приводит к возникновению электронов с энергией значительно более высокой, чем энергия электронов на орбите атома.

Вне ядра атома нейтрон также является нестабильным: распадается на протон, электрон и нейтрино, приблизительно за 12--16 мин. Отсутствие заряда нейтрона объясняет его легкую способность проникать в ядра атомов. На ядрах нейтрон может рассеиваться или захватываться ими. Различают быстрые и медленные (тепловые) нейтроны, энергия первых -- от 0,1 до 50 МэВ, вторых -- от 0,025 до 0,5 эВ. В природе есть естественные замедлители скорости движения нейтрона (графит, тяжелая вода). Медленные (тепловые) нейтроны захватываются ядрами и создают избыток нейтронов в ядре, что ведет к распаду ядра на две равные половины (осколки, фрагменты). Этот процесс называется ядерным делением. При этом высвобождаются нейтроны, которые при взаимодействии с осколками и фрагментами ядра вызывают цепную реакцию деления ядер как продуктов первичного распада. Если эти осколки или фрагменты не оказываются ядрами стабильных химических элементов, процесс ядерного деления высвобождает огромную энергию. Например, при делении 1 г урана-238 выделяется энергия 22 000 кВт/ч.

Эта способность нейтронов используется при производстве электроэнергии и тепла на атомных станциях. Первая атомная станция в мире была простроена в СССР в 1954 г., затем в Великобритании -- в 1956 г.

Нейтронное излучение губительно для всего живого. Попадая свободно в ткани организма, нейтроны вызывают разрушение ядер атомов химических элементов, из которых он состоит. Способность нейтронов проникать глубоко в ядра атомов химических элементов используется в создании новых методов «просвечивания» вещества. Нейтронография, как и рентгеноскопия, позволяет на основе «рассеивания» нейтронов в веществе увидеть расположение атомов кристаллов: длина дебройлевской волны нейтрона существенно меньше длины волны рентгеновского излучения.

К 30-м годам ХХ в. было доказано существование протона. В переводе с греческого означает первый. Существование его было подтверждено в результате проведения искусственной ядерной реакции превращения азота в кислород. Атомы азота облучались ядрами гелия, т. е. альфа-частицами. В результате получался кислород и протон.

Масса покоя протона -- 1,6726485 * 10-27кг. Это стабильная частица. В 50-х годах ХХ в. было доказано существование антипротона и антинейтрона.

5.5 Протонно-нейтронная модель атома

Эту модель предложили в 1932 г. советские физики Д. Иваненко, Е. Гапон и немецкий физик В. Гейзенберг. Согласно этой модели ядро атома состоит из протонов и нейтронов, за исключением ядра водорода, которое состоит из одного протона. В этой модели было непонятно, каким образом достигается физическое единство атома на уровне его ядра и электронных оболочек: в ядре на чрезвычайно малом расстоянии находятся одинаково заряженные протоны, которые должны взаимно отталкиваться друг от друга, но этого не наблюдается. Следовательно, этому процессу отталкивания должна препятствовать сила притяжения между протонами, поскольку протоны имеют массу, но масса их чрезвычайно мала. Предлагалось множество моделей физического единства атома, среди которых особенно привлекательной оказалась модель японского физика Юкава (1907--1961), которая была предложена им все в том же 1932 г. Но прежде чем рассматривать эту модель, раскроем физическую суть протонно-нейтронной модели атома.

Строение атома, искусственная и естественная радиация. Все материальные тела состоят из химических элементов. Химический элемент -- это простое вещество, состоящее из одного и того же вида атомов. Современной науке известно более ста химических элементов, некоторые химические элементы созданы самим человеком. Атом химического элемента можно представить как сферическую пульсирующую каплю концентрации энергии. Размеры атома -- приблизительно 10-8 см. Атом состоит из ядра размером в 10-13 см и вращающихся вокруг него электронов (или одного электрона в случае атома водорода). Между ядром атома и границей атома находится огромное пространство по масштабам в микромире. Ядра атомов состоят из положительно заряженных протонов и нейтральных нейтронов. Плотность в ядре атома огромна, приблизительно 150 * 10б т/см3.

Заряд ядра определяется количеством в нем протонов и обозначается символом Z Вся масса атома заключена в массе его ядра и определяется массой входящих в ядро протонов и нейтронов.

Например, 23892Ur -- указывает, что уран-238 имеет в ядре 92 протона и 146 нейтронов (238 - 92 = 146). Химические элементы с массовым числом А > 50 называются легкими, а с А > 50 -- тяжелыми.

Поскольку размеры атомов всех химических элементов достаточно близки, то в ядрах тяжелых элементов довольно «тесновато», т. е. создаются энергетические предпосылки для естественного их радиактивного распада. Атомы одного и того же химического элемента, имеющие одинаковое количество протонов, но разное количество нейтронов, называются изотопами:11H (водород-протий) -- один протон, нейтронов нет, 21Н (дейтерий) -- один протон и один нейтрон, 31Н(тритий) -- один протон, нейтронов два. К настоящему времени известно около 1500 ядер, из них лишь 265 являются стабильными.

Радиоактивностью называется самопроизвольное или искусственное (сознательное воздействие на ядра атомов) превращение ядер одних химических элементов в ядра других химических элементов.

Естественная и искусственная радиоактивность сопровождается, но не обязательно, тремя видами излучения: альфа-излучение, бета-излучение и гамма- излучение; последнее не является, строго говоря, самостоятельным видом излучения и всегда присутствует при альфа- и бетта-излучениях. Искусственная радиация, позитронное бета-излучение, аннигиляция, распад частиц были открыты французскими физиками Ф. Жолио-Кюри (1900--1958) и И. Жолио-Кюри (1897--1956). Законы как естественного, так и искусственного распада ядер атомов одинаковы. Период времени, за который распадается половина ядер радиоактивного химического элемента, называется периодом полураспада. Период полураспада у известных сегодня радиоактивных элементов колеблется от 3 * 10-7 с до 5 * 1012 лет.

Например, уран-238 имеет 12 этапов превращения в другие химические элементы, которые имеют свои периоды полураспада и соответствующие альфа- и бета- излучения. Период полураспада урана-238 оценивается в 4,47 млрд лет. В конечном итоге распад урана-238 заканчивается появлением стабильного химического элемента (свинец-206). Зная, какое количество урана-238 необходимо для появления определенного количества свинца-206, можно вычислить возраст Земли, отталкиваясь от количества содержания свинца-206 в земных породах.

Наряду с реакцией ядерного деления существует реакция ядерного синтеза:

не деление ядер, а сближение, соединение ядер. Реакция синтеза ядер существует реально внутри звезд (например, она происходит во внутренних слоях нашего Солнца). Внутри Солнца температура достигает 15 млн градусов Цельсия. При такой температуре ядра теряют электроны, образуется агрегатное состояние, которое называется плазмой. Поскольку ядра имеют положительный заряд, то при их сближении электростатическая сила их отталкивания резко увеличивается. Для того чтобы преодолеть этот барьер, необходима большая скорость движения ядер. При очень высоких температурах ядра теряют свои электроны. Плазма, с учетом бесконечного количества наблюдаемых звезд, является самым типичным агрегатным состоянием во Вселенной.

Искусственное создание плазмы в земных условиях является важнейшей энергетической проблемой для человечества. Для этого строятся различного типа установки для получения и удержания плазмы. Получение плазмы сегодня возможно, однако проблема ее удержания, «отбора» ее энергии для практических нужд (производства электроэнергии) остается пока сложной технической проблемой. Наша страна занимает одно из ведущих мест в разработке этой проблемы. Создание плазмы на основе синтеза легких химических элементов (водородоподобных атомов) позволило бы обеспечивать человечество практически неиссякаемым энергетическим ресурсом (водород -- самый распространенный химический элемент во Вселенной). Например, синтез дейтерия 2 Н и трития 3 Н дал бы огромное количество энергии.

1 1

Реакторы на плазме, как утверждают специалисты, являются намного безопаснее современных, которых сегодня в мире приблизительно 600 (промышленные ядерные реакторы для производства электричества и тепла). Сегодня проводятся исследования по созданию «ядерных котлов», в которых реакция ядерного деления создает температурные условия для реакции ядерного синтеза. По мнению специалистов, в нашей стране эти исследования близки к практическим применениям.

5.7 Модели объяснения сил физического взаимодействия в атоме

В первой половине прошлого века не было известно, что протон и нейтрон имеют сложные строения. Первоначально речь шла о попытках объяснить устойчивость и целостность атома на основе силы тяготения и электромагнитной силы. Физик Э. Ферми (1901--1954) сформулировал гипотезу, по которой устойчивость ядер обеспечивается обменом между протонами и нейтронами двумя частицами: электроном и нейтрино. Вычисления энергии массы этих частиц показали, что электрон при этом взаимодействии должен иметь массу, в 200--300 раз превышающую массу обычного электрона. При такой массе электрона размер ядра атома также должен увеличиться в 200--300 раз в сравнении с действительным. Длина дебройлевской волны такого электрона превышает в 200--300 раз длину соответствующей волны обычного электрона.

Другая модель предлагала рассматривать протон и нейтрон как состояние одной и той же частицы, различающиеся направлением их спинов. Но энергия - масса этих частиц различается, хотя и несущественно, следовательно, возникает вопрос о том, куда она девается внутри ядра атома.

В 1935 г. японский физик X. Юкава предложил неожиданное решение этой проблемы: протоны и нейтроны удерживаются в ядре в результате обмена некоей средней частицей. Впоследствии эту частицу назвали мезоном (греч. mesoc -- средний).

Вычисления этой частицы показали, что она должна быть по массе в 200 раз больше электрона и иметь три разновидности: положительный, отрицательный и нейтральный мезон. Кроме того, длина его дебройлевской волны не должна выходить за пределы размеров ядра атома.

Из предложения X. Юкава следовало, что сильное взаимодействие внутри ядра обеспечивает обмен частиц, имеющих среднюю величину между массами протона и нейтрона, а не гравитационные, электромагнитные и слабые силы взаимодействия. Необычность этой гипотезы состоит в том, что, например, протон, отдавая часть своей энергии-массы в форме массы соответствующего мезона, образует частицу с большей массой, нейтрон. X. Юкава высказал мнение, что мезон не является стабильной частицей, а может распадаться на другие частицы. Гипотеза X. Юкава оказалась прозорливой: в 1937 г. были открыты частицы, совпадающие по своим физическим свойствам с гипотетическим мезоном X. Юкава. Когда были открыты другие разновидности мезонов (средних частиц), частицу X. Юкава назвали мюоном, тяжелый эквивалент электрона: заряд его отрицательный, как у электрона, масса в 200 раз больше, чем у электрона. В 1940г. было доказано, что мезоны не являются стабильными частицами. Со второй половины ХХ в. физики открыли более 300 частиц различных видов. Часть из них была обнаружена в космических лучах, другая -- в экспериментах. Например, в 1964 г. были обнаружены так называемые странные частицы, имеющие три странности, отличающие их от других известных частиц:

-- обнаружены в космических лучах, и время их жизни является достаточно продолжительным (время, за которое они распадаются, составляет 10-8-10-10 с);

-- возникают в сильных ядерных взаимодействиях, но не играют в них значительной роли;

-- рождаются тройками и парами.

Частицы, которые могут распадаться за счет сильного взаимодействия, называются резонансными частицами. Время их жизни порядка 10-23с. Резонансы (лат. resonans -- дающий отклик) относятся к адронам. Виртуальными частицами называются частицы, возникающие в промежуточных состояниях, время их существования связано с их энергией соотношением неопределенностей. Иначе говоря, они обеспечивают взаимодействие между частицами внутри ядра и атома.

Большое количество частиц потребовало создания системы критериев и принципов их классификации. На основе протонно-нейтронной модели атома все известные частицы и соответствующие им античастицы разделили на три группы.

Первая группа называется фотонной. Она представлена фотонами-квантами электромагнитного взаимодействия. К этой группе относят и гипотетическую частицу гравитон, обеспечивающую гравитационные взаимодействия.

Вторая группа -- лептоны (греч. leptoc -- легкий). Эти частицы участвуют в электромагнитных и слабых взаимодействиях. К лептонам относятся электрон, мюон, тау-частица и нейтрино (электронное, мюонное и таонное). Термин «лептон» употребляется по принятой традиции. Например, таон не является легким, поскольку его масса в 3500 раз больше массы электрона.

Третья группа включает адроны (греч. hadroc -- сильный, крупный). Эта группа является основной группой всех известных частиц. Частицы, которые включаются в эту группу, участвуют в сильных, слабых и электромагнитных взаимодействиях. К третьей группе относят также мезоны (пионы, каоны, эта- мезоны) и барионы (гипероны, нуклоны). Барионы (греч. barus -- тяжелый) -- это частицы с полуцелым спином и массой не меньше протона. К ним относятся нуклоны, гипероны и многие частицы-резонансы. Заряд бариона равен +1, заряд антибариона равен -1. Алгебраическая сумма зарядов барионов при их взаимодействиях сохраняется. Существуют барионы, масса которых в несколько раз превышает массу протона. Они открыты в космических лучах и на ускорителях.

Появление в 1963 г. теории кварков открыло еще один уровень в понимании процессов и событий, происходящих в микромире.

Два американских физика М. Гелл-Ман и Д. Цвейг выдвинули независимо друг от друга гипотезу о существовании сверхэлементарных частиц, из которых состоят протоны, нейтроны и другие адроны, а также, возможно, и лептоны.

Для обозначения этих частиц Гелл-Ман придумал название «кварк», которое он заимствовал из фразы «три кварка для мистера Марка» из романа Дж. Джойса «Поминки по Финнегану». Д. Цвейг использовал другой термин, но термин «кварк» оказался более удачным, с ним стали сочетаться и другие необычные для языка физики термины, придуманные авторами этой теории: аромат кварка и другие. Эти необычные термины обозначают физические свойства кварков, которые можно было обозначить традиционными способами.

Развитие этой теории опиралось на косвенные эмпирические доказательства существования кварков. Электрон приблизительно в 1870 раз по своему размеру меньше протона, физические параметры этих частиц хорошо изучены (заряд, спин и другие), если направить луч-поток электронов с энергией, достаточной для того, чтобы они отскакивали от протона, то по величине скорости отскакивания от протона электронов можно говорить о строении протона. Оказалось, что протон состоит из частей, радиус которых в 10 раз меньше радиуса протона. Поскольку протон и нейтрон участвуют в сильном взаимодействии, то предположили, что все частицы, участвующие в сильном взаимодействии, имеют составную структуру. Расчеты показывали, что кварки должны иметь полуцелый спин. Это означает, что на их расположение в соответствующих частицах распространяется принцип Паули: в частице из кварков не может быть тождественных по физическим параметрам кварков.

Расширение числа кварков было обусловлено открытием большого количества частиц, участвующих в сильном взаимодействии. Первоначально была выдвинута идея о существовании трех кварков, затем советские физики ввели цвета для кварков (синий, зеленый, красный).

Принцип зарядовой симметрии (каждой частице соответствует античастица) потребовал введения антикварков для каждого кварка.

Цвет кварков -- это физический параметр, позволяющий различать кварки, Совпадающие по остальным физическим параметрам. Иначе говоря, этого требует принцип Паули, поскольку кварки имеют полуцелый изотопический спин.

Аромат кварка -- это тип или вид кварка и все его параметры, не зависящие от его цвета. Например, в 1974 г. был открыт мезон, получивший название джи- пси. Оказалось, что структура его подобна строению атома водорода (протон -- вращающийся электрон), только для объяснения этой структуры пришлось ввести новый кварк, названный кварком очарования: строение мезона джи-пси объясняется наличием в нем кварка-очарования, вокруг которого вращается его антикварк. Антикварки обозначаются теми же символами кварков с черточкой наверху.

В конце ХХ в. возникла идея о существовании шести кварков (верхнего, нижнего, странного, очарованного, истинного, прелестного). Каждый имеет три цвета: красный, синий, зеленый.

Кварки обозначаются первыми буквами английских слов, например: и (от англ. up -- верхний), d(down -- нижний) и т. д. Каждый кварк имеет три цвета (например, верхний красный, верхний синий, верхний зеленый).

Согласно теории кварков протон, например, состоит из двух верхних кварков (и) и одного нижнего (d), а нейтрон -- из двух нижних и одного верхнего: p = uud, n -- ddu. При этом частица из кварков должна удовлетворять законам, действующим в микромире. Вокруг гипотезы о существовании кварков возникла острая дискуссия:

1) какие силы удерживали кварки в адронах (мезоны, нуклоны и некоторые другие)?

2) не являются ли они уже известными силами?

3) не существуют ли еще более глубокие частицы, которые обеспечивают взаимодействие между кварками?

4) не являются лептоны, претендующие на самые элементарные частицы, производными от каких-то еще более глубоких частиц, на уровне вакуума?

5) какое из энергетических состояний вакуума представляют кварки? На роль частиц, связывающих кварки внутри адронов, были предложены глюоны. По мнению ряда физиков, глюоны, подобно фотонам в электромагнитном поле атома, связывают кварки внутри адронов, но сила глюонного взаимодействия принципиально отличается от известных сил взаимодействия: глюонные силы увеличиваются к границам адронов и ослабляют свое действие к центру адронов. В связи с этим часто говорят о кварковой тюрьме: чем ближе к центру энергии-массы адрона, тем ярче проявляются физические черты и индивидуальности, присутствующих в адроне кварков, и наоборот, чем ближе к границам адрона, тем расплывчатее становится индивидуальность кварков, они становятся неразличимыми.Этим обстоятельством многие физики объясняют невозможность выделить кварки непосредственным образом как электроны, фотоны и другие обнаруженные частицы. Для их обнаружения необходима огромная энергия, которая позволила бы разрушить глюонные силы. Если глюоны, как переносчики связи между кварками, существуют, то в соответствии с принципом зарядовой симметрии должны быть антиглюоны и нейтральные глюоны.

В конце ХХ в. пакистанский физик А. Салам и английский физик Д. Пати выдвинули «крамольную» идею о том, что и лептоны, которых шесть, не являются в буквальном смысле истинно-элементарными, а являются всего лишь четвертым цветным состоянием кварков. Главная идея этой теории выглядит достаточно правдоподобной. Любую частицу (как корпускулу или волну) нельзя отделить от энергетической, структурной среды, в которой она возникает. Поэтому каждая частица возникает как своеобразный центр концентрации энергии на общем фоне среды своего существования. Теория Салама -- Пати предполагает, что каждый лептон является концентрацией частиц еще более глубокого уровня, передающего взаимодействие на уровне физического вакуума.

На роль этих частиц могут претендовать хиггсоны, названные в честь английского физика П. Хиггсона, который является одним из первых среди физиков, заинтересовавшихся состоянием самого глубокого вакуума. В вакууме Хиггсона фундаментальными частицами самого первого поколения являются хиггсоны.

Для объяснения природы вещества, физических полей, излучения и вакуума используется в настоящее время систематизация частиц на основе значения их изотопического спина.

К первой группе относят частицы с полуцелым спином. Их назвали ферми- частицами в честь выдающегося итальянского физика Э. Ферми (1901 -- 1954). К ним относят кварки, из которых состоят частицы, участвующие в сильном взаимодействии (адроны), а также лептоны, которые нельзя собрать из кварков.

Ферми-частицы образуют вещество, состоящее из атомов.

Ко второй группе относят частицы с целым значением их спина. Это кванты полей, соответствующие известным физическим силам. Так квант электромагнитного поля привязывает электрон к ядру атома. К этой группе относят бозоны. Они названы в честь известного индийского физика Ш. Бозе (1894--1974). Бозоны представляют собой физическое поле сильного и слабого взаимодействий внутри ядра атома. Глюоны -- это кванты глюонного поля, «склеивающего» кварки в адроны. Сложнее обстоит дело с представителями гравитации и квантового вакуума как исходного физического состояния в эволюции Вселенной: фотон и глюон -- это лишенные массы покоя частицы, следовательно, должен быть гравитон как квант поля тяготения, а также кванты исходного вакуума, на которые претендуют хиггсоны и бозе-частицы со спином, равным нулю. Некоторые авторы утверждают, что если гравитон -- лишенная массы покоя частица, то соответствующий ему фермионный партнер гравитино должен весить в 100 раз больше протона. Если гравитино обнаружат, то это будет доказательством правильности идеи суперсимметрии, лежащей в основе современного представления о строении материального мира.

В конце прошлого столетия рассматривались теории, в которых частицы понимались, грубо говоря, не как точки, а как протяженные структуры, струны. Отсюда происходит название этих теорий -- «струнные теории». В этих теориях сложным образом происходит соединение математики и физики.

Проблема единого физического поля. Современная квантовая теория связывает возникновение атомов и известных сил физического взаимодействия с неким физическим состоянием в эволюции Вселенной, когда не было различия между физическими полями и силами.

Для уточнения этого состояния часто используются так называемые планковские масштабы (расстояние, время, плотность, температура, масса и объем) в качестве самого минимального процесса осуществления кванта-энергии в природе (эра Планка). Для уточнения эры Планка предполагается, что такие физические постоянные, как скорость света, постоянная Планка и гравитационная постоянная, не меняли своего значения со временем. Объем Планка примерно равен длине Планка в кубе, т. е. 10-99 см3. Площадь кванта пространства примерно равна длине Планка в квадрате, т. е. 10-66 см2. Планковские величины (длина, время, масса, плотность) позволяют вычислить температуру Планка, соответствующую величинам Планка. Эта температура равна 1032К. Масштабы Планка соответствуют параметрам, состоянию Вселенной 12 млрд лет тому назад по одной из моделей эволюции Вселенной, о чем речь пойдет в следующей теме.

По мнению некоторых ученых, об объединении всех сил взаимодействия можно говорить в следующих масштабах:

1. На расстоянии 10-16 см и энергетическом уровне в 100 ГэВ (100 млрд эВ) идет объединение электромагнитного и слабого взаимодействия. Это было экспериментально доказано.

2. На расстоянии 10-29 см и энергетическом уровне в 1015 ГэВ достигается объединение трех видов взаимодействия (сильного, слабого и электромагнитного). Это состояние называют Великим объединением.

3. На расстоянии 10-33 см и энергетическом уровне в 1019 ГэВ можно говорить о состоянии Вселенной, когда все силы взаимодействия, включая гравитацию, и глюонные силы не были дифференцированы. Этот уровень соответствует хиггсонам, представляющим физический вакуум, и называется суперобъединением.

Сегодня техника позволяет достигать температуры нескольких миллионов градусов (например, лазеры) и энергии приблизительно 2· 104 ГэВ.

Таблица 1. Таблица единиц величин размеров

Некоторые понятия, которые используются для объяснения вопросов о строении вещества. Формула Е = тс2 позволяет выразить массу в единицах измерения энергии и скорости света: т = Е/с2. Энергия измеряется в джоулях, эргах и электрон-вольтах (эВ). 1 эВ -- это энергия, которую приобретает электрон в электрическом поле, созданном разностью потенциалов в 1 вольт. Один эрг (1эрг) равен 10-7 Дж. Один джоуль (1 Дж) равен приблизительно 6,24 · 1018 эВ.

Формула Больцмана Е= kК (k -- постоянная Больцмана, равная 1,38 · 10-23 Дж/К, К -- температура тела по шкале Кельвина) позволяет выразить температуру через энергию.

В настоящее время имеется теория петлевой гравитации. В ней согласуются принципы теории относительности и квантовой механики (величины Планка). Согласно этой теории пространство и время, воспринимаемые нами как непрерывные, на самом деле состоят из дискретных частиц пространства и времени.

5.8 Фундаментальные взаимодействия и силы в природе

Гравитация (лат. gravitas -- тяжесть), электромагнитные силы, сильные, слабые. (англ. qlue -- клей). Первые две изучались в классической науке. Силы сильного взаимодействия обеспечивают целостность и устойчивость ядра атома. Силы слабого взаимодействия действуют при распадах и столкновениях частиц, которые могут возникать и в ядре атома, но существенной роли в придании энергетической устойчивости ядра атома эти частицы не играют. Силы слабого взаимодействия управляют процессом радиоактивного распада частиц.

В конце прошлого века была доказана электромагнитная природа этих сил. К глюонным силам относят физические силы, которые придают целостность и устойчивость частицам, участвующим в сильном взаимодействии в ядре атома (протоны, нейтроны и некоторые другие). С каждой из этих сил связано определенное физическое поле (гравитационное и т. д.). Кроме этого, считается, что в каждом из этих полей взаимодействие передается соответствующими частицами. Таким образом, существуют частицы, из которых состоит вещество Вселенной, и частицы, которые переносят взаимодействие физических сил в соответствующих им физических полях. Наряду с веществом и физическим полем в современной физике используется такое физическое состояние, как вакуум (лат. vacuum -- пустота). Еще XVII в. был известен термин «пустота Торричелли» (Торричелли -- ученик Галилея, изобретатель ртутного барометра), который использовался для обозначения состояния отсутствия вещества и действия сил физического взаимодействия, т. е. пустоты в абсолютном смысле. В технике «вакуум» -- это уровень разряжения газа, когда длина пробега частицы газа превышает линейный размер сосуда, в котором частица находится.

На современном уровне различают истинный и ложный вакуум. Истинный вакуум -- это физическое состояние, при котором среднее значение энергии всех составлявших его физических полей равно нулю. Но в нем рождаются виртуальные (лат. virtuale -- возможный) частицы с коротким временем жизни. Ложный вакуум -- это неустойчивое физическое состояние, как полагают, в эволюции Вселенной с огромной энергией и предшествующее возникновению атомов и составляющих их частиц современной физической реальности. В ложном вакууме отсутствуют, как полагают, частицы. Согласно закону сохранения энергии в ложном вакууме положительная энергия равна отрицательной энергии. Положительная энергия является внутренней энергией ложного вакуума, его энергетической сутью, его темной, а не светящейся физической природой. Эта энергия препятствует образованию физических частиц вещества и физических полей. Вторая энергия является энергией, которая ведет к образованию частиц светящейся части Вселенной.

ВОПРОСЫ ДЛЯ САМОПРОВЕРКИ

1. Какие физические силы взаимодействия известны естествознанию?

2. На каких расстояниях действуют силы сильного взаимодействия?

3. Что утверждает теория кварков?

4. Антивещество в современном естествознании.

6. СОВРЕМЕННЫЕ КОНЦЕПЦИИ ПРОИСХОЖДЕНИЯ ВСЕЛЕННОЙ

В современных концепциях Вселенной часто используются два необычных термина «скрытая масса» и «темная материя, или энергия». «Скрытая масса» галактик или скопления галактик означает не наблюдаемую массу объектов, масса которых влияет на наблюдаемое движение галактики или галактик.

«Темная материя или энергия» -- это огромная энергия вакуума, из которого, как полагают некоторые исследователи, когда-то возникла Вселенная.

6.1 Модели и концепции происхождения Вселенной

Существующие модели и концепции происхождения Вселенной можно разделить на три группы: концепции классической науки, концепции как космологические следствия теории относительности и концепции, основанные на принципах синергетики (synergetika) в качестве ведущего направления развития постнеклассической науки. Немецкий физик Г. Хакен (р. 1927), основатель института Синергетики в Штутгарте (Германия), предложил синергетику в качестве главного направления развития постнеклассической науки. Синергетика в буквальном переводе с греческого языка означает совместные действия. Основные принципы синергетики сформулированы Г. Хакеном следующим образом: