Физика

Два основных представления о структуре материи были сформулированы примерно 2500 лет назад в античной натурфилософии: атомистическая концепция Демокрита и континуальная доктрина Аристотеля.

Согласно первомуподходусчиталось, что материя делима до определенного предела — до атомов, которые могут соединяться различными способами и порождают все многообразие объектов и явлений реального мира.

В конкурирующей концепции Аристотель признавал бесконечную делимость материи, что выступало критерием ее непрерывности. В этой концепции также фигурирует представление о пространстве как вместилище. Но так как материя непрерывно заполняет его, то не остается места пустоте. Материя изначально является бесструктурной.

Эти представления о структуре материи просуществовали вплоть до начала XX в. За этот огромный промежуток времени в двух концепциях происходила конкретизация связи различных элементов материи.

Но атомистическая концепция строения материи практически не претерпела каких-либо изменений: атомы по-прежнему рассматривались как плотные образования материи, как предел физического ее деления. Механическое движение атомов происходит в абсолютном пространстве (аналог Демокритовой пустоты) и абсолютном времени.

В рамках этой атомистической концепции строения материи была развита классическая механика Ньютона, которая достигла огромных успехов в описании природы.

Более того, механика долгое время трактовалась как некая единая наука: все сводилось к механике, к построению механических моделей, к решению механических уравнений. Вселенная предстала как гигантский механизм.

Однако с самого начала была область, которая с трудом вписывалась в рамки механической картины мира. Речь идет об оптике.

Непосредственное перенесение механических (например, акустических) моделей в оптику оказалось невозможным. Развитие электродинамики Максвелла привело к поразительному открытию: свет оказался разновидностью электромагнитных волн. Соответственно совершенно иначе предстала проблема строения материи. Изменялась вся физическая картина мира.

Ход развития оптики, а затем и электродинамики привел к признанию существования электромагнитного поля как нового вида физической реальности, что обусловило поворот от идей атомизма к континуальной концепции строения материи.

Эйнштейн считал, что понятие поля завоевало прочное положение в физике и сохранилось в качестве одного из основных физических понятий. Для современного физика электромагнитное поле “столь же реально, как и стул, на котором он сидит”.

С развитием электромагнитной картины мира достойное место заняла континуальная концепция строения материи. Но она выступила не как отрицание атомистической концепции вообще, а лишь как отрицание ее механической конкретной модели.

Более того, целый ряд экспериментальных и теоретических исследований показал, что в природе существуют дискретные элементарные объекты в рамках электромагнитной картины мира. Атомизм был возрожден на более глубоком уровне строения материи — само электричество оказалось “атомистичным”, состоящим из электронов — мельчайших электрически заряженных частиц.

Соответственно, например, твердое тело представлялось как плотное множество атомов, т. е. большая часть твердого тела представлялась заполненной материей.

Однако в 1911 г. Э. Резерфорд показал, что атом является не плотным “бильярдным шаром”, а некой “солнечной системой” в миниатюре. В центре находится ядро, состоящее из положительно заряженных протонов и электрически нейтральных нейтронов, а вокруг, как спутники, вращаются отрицательно заряженные электроны. Масса протона (и нейтрона) примерно в 1840 раз больше массы электрона.

Главное в этой модели то, что масса атома сосредоточена в мельчайших частицах, которые занимают ничтожную часть объема атома. Получается, что атом в основном пустой.

На повестку дня встала новая проблема построения специальной механики атомного мира. Ситуация сложилась достаточно сложная. С одной стороны, была построена оригинальная планетарная модель атома. А с другой стороны, она противоречила господствующей теории электромагнитного поля.

Так, в соответствии с законами электродинамики, вращающийся вокруг ядра электрон должен непрерывно излучать энергию и в конце концов упасть на ядро. Но в реальности такие процессы не наблюдались, и атомы были достаточно стабильными элементами в структуре материи.

Выход из этих затруднений был найден Нильсом Бором в виде синтеза планетарной модели атома и квантовой гипотезы. Он представил каждое изменение состояния атома как индивидуальный процесс, в ходе которого атом переходит из одного состояния в другое с излучением или поглощением квантов света — фотонов.

С фотонами в физику вошла дуалистичность материи. Свет можно рассматривать в одном случае как волновой процесс (длинные волны), а в другом — как поток фотонов (короткие волны). Что же касается реальной природы света, то она выступает в диалектическом единстве волны и частицы.

Истинный смысл волновой функции был вскрыт М. Борном, который развил статистическую, вероятностную интерпретацию квантовой механики. Таким образом, на микроуровне не только проявилось корпускулярно-волновое единство, но и выявилось, что в структуре материи фундаментальную роль играют статистические закономерности.

Со второй половины ХХ в. в физике происходят глубокие и радикальные изменения. Если охарактеризовать эти изменения одним словом, то это будет слово “единство”. Прежде всего имеется в виду единство всех фундаментальных физических теорий.

Рассмотрим этот вопрос подробнее. Построение квантовой механики дало возможность понять сложный мир атомов.

Но при этом выяснилось, что сами атомы не являются некими первокирпичиками в структуре материи, а представляют собой сложные динамические системы, составленные из различных элементарных частиц: электронов, протонов, нейтронов и др.

Выяснилось, что элементарные частицы связаны различными типами взаимодействий — гравитационным, электромагнитным, слабым и сильным.

Гравитационное взаимодействие играет определяющую роль в космологических процессах, формируя мегаструктуру материи, а в микромире оно ничтожно мало по сравнению с другими взаимодействиями.

Следующий тип взаимодействия — так называемое слабое взаимодействие — объясняет процесс радиоактивного β-распада, когда ядра атомов испускают β-лучи (электроны).

И последнее фундаментальное взаимодействие — сильное — отвечает за связь частиц в ядре атома и поэтому часто называется ядерным.

Для объяснения различных фундаментальных взаимодействий важную роль сыграли соображения о единообразии механизмов взаимодействия элементарных частиц.

Образцом в данном случае послужила квантовая электродинамика, в рамках которой было выяснено, что взаимодействие электрических зарядов осуществляется с помощью обмена квантами электромагнитного поля — фотонами.

По этому образцу постарались развить и теорию других типов взаимодействий, что потребовало введения в теорию микромира новых обменных элементарных частиц.

Например, японский ученый Хидэки Юкава (1907–1981 гг.) выдвинул идею о том, что взаимодействие протонов и нейтронов в атомных ядрах обусловлено специальными частицами — квантами ядерного поля, которые были названы мезонами.

Следующим этапом развития теории сильных взаимодействий было создание так называемой квантовой хромодинамики. После этого встал вопрос о построении единой теории всех видов физических взаимодействий элементарных частиц.

Первые успехи были получены в области создания единой теории электромагнитных и слабых (их называют электрослабыми) взаимодействий. В 1979 г. С. Вайнберг, Ш. Глэшоу и А. Салам были удостоены Нобелевской премии за создание такой единой теории.

А лауреатами Нобелевской премии 1984 г. стали Карло Руббиа (р. 1934 г.) и Симон ван дер Мер (р. 1925 г.) за экспериментальное обнаружение новых элементарных частиц W± и Z⁰-бозонов, существование которых следовало из теории Вайнберга–Глэшоу–Салама.

В свою очередь, создание единой теории электрослабых взаимодействий, наряду с развитием квантовой хромодинамики, дает реальные перспективы построения единой теории всех форм взаимодействия элементарных частиц (программа Великого синтеза).

В самое последнее время появились новые, весьма перспективные идеи, которые открывают возможность объединения слабых, электромагнитных и сильных взаимодействий с гравитационными, т. е. объединения всех известных взаимодействий.

Иначе говоря, мы сейчас имеем очень продуктивную исследовательскую программу, в рамках которой могут быть построены разные теории, и какая из них окажется правильной и даст возможность дальнейшего развития знания определится только самим ходом этого развития. Что же касается направления этого развития, то оно ориентированно и ведет к Великому объединению.