Как из элементов строится мир

Эта идея оказалась исключительно плодотворной. На ее основе была разработана теория сильных взаимодействий, а затем она же была использована в попытках объединить в единой теории несколько взаимодействий.

Надо отметить (это сделал А.А.Ансельм в своей статье в журнале «Природа»), что впервые использовал идею компенсирующих полей А.Эйнштейн за 40 лет до Янга и Миллса. Действительно, согласно Эйнштейну все системы, движущиеся прямолинейно и равномерно, - эквивалентны, теория инвариантна относительно преобразований Лоренца. Для систем, движущихся ускоренно инвариантность (симметрия) нарушается, но может быть восстановлена путем интерпретации возникающих сил инерции как соответствующего компенсирующего изменения гравитационного поля. То есть гравитационное поле тоже может рассматриваться как калибровочное, восстанавливающее нарушенную симметрию теории.

Теория сильных взаимодействий, а затем и первая объединенная теория - электрослабых взаимодействий были построены с использованием идеи калибровочной симметрии и идеи ее спонтанного нарушения (несимметричный результат взаимодействия при симметричном его характере).

После успешного объединения в одной теории электромагнитных и слабых взаимодействий на очереди стал следующий шаг - включение в эту теорию сильных взаимодействий - великое объединение. Все они представляют собой калибровочные взаимодействия, связанные с различными группами симметрии. Надо найти такую группу симметрии, которая включала бы все, соответствующие три группы взаимодействий как частные случаи.

Наиболее интересным и важным следствием такого объединения сильных и слабых взаимодействий должна быть возможность взаимопереходов между адронами (сильновзаимодействующими частицами) и лептонами (слабовзаимодействующими частицами), в частности, такая теория предсказывает распад протона на нейтральный -мезон и позитрон. Однако вероятность распада протона очень мала. Наиболее разработанные варианты теории великого объединения предсказывают время жизни протона между 10³¹ и 10³³ лет. Это очень мало - примерно один распад в год на 10-1000 тонн вещества. Тем не менее экспериментаторы делают попытки зарегистрировать акты такого распада, но пока безуспешно.

Разработка теорий, объединяющих все четыре фундаментальных взаимодействия, также началась, но пока продвинулась не далеко и связана с множеством весьма революционных и трудно понимаемых представлений и понятий, таких как многомерность пространства с компактификацией (сокращением до ничтожно малых, порядка 10^-20см размеров и меньше) всех «лишних» измерений кроме трех, или элементарные частицы в виде одномерных объектов - «струн» толщиной менее 10^-30см. Об этих теориях мы говорить не будем сейчас, только отметим, что теоретики работают, мысль человека не спит, и руководящими концепциями остаются концепции единства и простоты Природы.

Выводы

Описании макроскопической структуры мира основано на использовании концепций пространства, времени и взаимодействия.

Само определение пространства, как протяженности и времени как длительности, неразрывно связано с материальными объектами, однако, первая адекватная теория - ньютоновская теория тяготения и классическая механика - использовала модель абсолютных пространства и времени, не зависящих от материальных объектов. Связь пространства и времени с материей описана эйнштейновской механикой теории относительности, однако, в большинстве практически важных случаев классическая теория сохранила свою эффективность.

Образование закономерно организованных во времени и пространстве конфигураций - структур - требует наличия связей между частицами и телами, которые обеспечиваются взаимодействиями. К взаимодействиям так же как и к веществу применима концепция элемента - Все наблюдаемые взаимодействия или силы, в конечном итоге порождаются четырьмя элементарными или фундаментальными взаимодействиями.

Мы разобрали четыре фундаментальных взаимодействия - гравитационное, электромагнитное, сильное и слабое. Эти четыре взаимодействия лежат в основе всех других, более сложных взаимодействий, и обеспечивают в конечном итоге возникновение и существование всех макроскопических объектов, структур и процессов, которые мы наблюдаем в окружающем мире.

Первые два - гравитационное и электромагнитное - взаимодействия дальнодействующие. Они действуют на сколь угодно больших расстояниях, и их сила убывает пропорционально квадрату расстояния. Другие два - сильное и слабое - близкодействующие. Их действие ограничено радиусом меньшим 10^-13 см, и они проявляются лишь при взаимодействии элементарных частиц.

При описании механизма взаимодействий используется концепция поля - особого состояния пространства, возникающего вокруг каждого материального объекта, обладающего соответствующим зарядом, в каждой точке которого на другой заряд действует соответствующая сила. Поле распространяется с конечной скоростью и позволяет избавиться от концепции мгновенного дальнодействия через абсолютное пустое пространство, которая использовалась И.Ньютоном при построении первой теории гравитации.

Современная теория гравитации А.Эйнштейна (общая теория относительности) исходит из постулата эквивалентности сил гравитации и инерции и интерпретирует движение тела в поле тяготения как движение по инерции (по геодезической линии) в искривленном пространстве. Специальная теория относительности постулирует существование предельной скорости распространения любых взаимодействий, равной скорости света в пустоте, и вместе с общей теорией устанавливает связь пространства, времени и материи.

Описание механизма остальных (кроме гравитационного) трех взаимодействий на микроуровне (на уровне элементарных частиц и атомов) оказалось возможным на основе концепции квантов, которая представляет собой, по существу, распространение на взаимодействия корпускулярной концепции, использовавшейся при описании строения вещества. Квантовая теория утверждает дискретность взаимодействий так же как и вещества. Одновременно она утверждает волновую природу материальных частиц и принципиально вероятностную природу процессов на микроуровне.

В соответствии с квантовой теорией поле также должно быть квантовано, и она интерпретирует взаимодействие частиц через поле, как обмен соответствующими полевыми частицами. В пределах статического поля образующие его частицы возникают и исчезают в вакууме без нарушения закона сохранения массы и их называют виртуальными. (Добавление необходимой энергии может превратить виртуальную частицу в реальную - так происходит рождение частиц). Для электромагнитного поля такие частицы - фотоны; для гравитационного - возможно гипотетические гравитоны; для сильного и слабого - соответствующие обменные частицы - мезоны. Фотоны (и, очевидно, гравитоны, если они есть) не обладают массой покоя и движутся со скоростью света, что обеспечивает дальнодействие соответствующих сил. Мезоны имеют массу покоя и, поэтому, радиус действия соответствующего взаимодействия ограничен.

Делаются попытки связать все четыре фундаментальные взаимодействия воедино, объяснить их как разные проявления одного «фундаментальнейшего». О том, что это должно быть возможно, говорят довольно веские соображения, связанные с симметрией. В настоящее время построена и подтверждена теория, объединяющая электромагнитное и слабое взаимодействия. Существуют несколько вариантов теории, объединяющих с этими двумя взаимодействиями и сильное, однако тут до окончательного успеха еще далеко.

Список литературы

1. Горелов А.А. Концепции современного естествознания: Курс лекций. М., Центр, 2007 - 208 с.

2. Грушевицкая Т.Г., Садохин А.П. Концепции современного естествознания: Учебное пособие. - М.: Высшая школа, 2007. - 383 с.

3. Данилова В.С., Кожевников Н.Н. Основные концепции современного естествознания: Учебн. пособие для вузов.-М.:Аспект Пресс, 2007. -256 с.

4. Дубнищева Т.Я., Пигарев А.Ю. Современное естествознание. Уч. пособие.-М. «Маркетинг», 2007. - 160 с.

5. Карпенков С.Х. Концепции современного естествознания: Учебник.-М. Высшая школа. 2007. - 334 с.

6. Клинк Н.Ю. Краткий конспект лекций по КСЕ.- кафедра современного естествознания СПб ИНЖЭКОН ( филиал в г.Чебоксары), 2009.

7. Конспект лекций по КСЕ. - Сост. Ревская Н.В.- СПб: Альфа. 2008.-160 с.

8. Концепции современного естествознания. - Под ред. В.Н.Лавриненко.: М.ЮНИТИ, 2008.- 303 с.

9. Концепции современного естествознания.: учебник для вузов под ред.С.И.Самыгина.- Ростов-н-Д.: Феникс, 2008, 2003.-576 с.

10. Липовко П.О. Практикум по естествознанию - Ростов-на-Дону/ Феникс. 2008.- 320 с.

11. Лось В.А. Основы современного естествознания. Уч. пособие. М., ИНФРА, 2007. - 192 с.

12. Масленникова И.С., Дыбов А.М., Шапошникова Т.А. Концепции современного естествознания. - СПб, СПбГИЭУ. 2008.-283 с.

13. Найдыш В.М. Концепции современного естествознания. М.:Высшая школа, 2009.

14. Рузавин Г.И. Концепции современного естествознания: Учебник для вузов.-М.:ЮНИТИ,2009.-287 с.

15. Торосян В.Г. Концепции современного естествознания. М.:Высшая школа, 2009.- 208 с.

Размещено на Allbest.ru