Александр Садохин - Концепции современного естествознания

• Название: Концепции современного естествознания
• Автор: Александр Садохин
• Жанр: Воспитание детей, педагогика

В сжатой и доступной форме изложен полный курс дисциплины, освещены важнейшие современные концепции наук о неживой и живой природе. Является дополненным и переработанным вариантом учебного пособия, рекомендованного Министерством образования и науки РФ для изучения курса «Концепции современного естествознания».

Для студентов бакалавриата, магистрантов, аспирантов и преподавателей гуманитарного профиля, для учителей средних школ, лицеев и колледжей, а также для широкого круга читателей, интересующихся различными аспектами естествознания.

---

• частицы, не имеющие массы покоя, – фотоны, движущиеся со скоростью света;

• лептоны (от «лептос» – легкий) – легкие частицы (их масса примерно в 207 раз больше массы электрона); к ним относятся электрон и нейтрино;

• мезоны (от «мезос» – средний, промежуточный) – средние частицы с массой от 1 до 1000 масс электрона; в эту группу входят восемь частиц, имеющих положительные, отрицательные и нейтральные заряды;

• барионы (от «барос» – тяжелый) – тяжелые частицы с массой более 1000 масс электрона; к ним относятся протоны, нейтроны, гипероны, многие резонансы.

Второй характеристикой элементарных частиц является электрический заряд. Он всегда кратен фундаментальной единице заряда – заряду электрона (–1), который рассматривается в качестве единицы отсчета зарядов. Заряд частиц может быть отрицательным, положительным либо нулевым. Как предполагают ученые, существуют также частицы с дробным электрическим зарядом – кварки, экспериментальное наблюдение которых пока невозможно.

Третьей характеристикой элементарных частиц служит тип физического взаимодействия, в котором участвуют элементарные частицы. По данному показателю все их многообразие можно разделить на три группы:

• адроны (от «адрос» – крупный, сильный), участвующие в электромагнитном, сильном и слабом взаимодействии;

• лептоны, участвующие только в электромагнитном и слабом взаимодействии;

• частицы – переносчики взаимодействий, непосредственно обеспечивающие взаимодействие: фотоны – переносчики электромагнитного взаимодействия, глюоны – переносчики сильного взаимодействия, тяжелые векторные бозоны – переносчики слабого взаимодействия (высказывается предположение о существовании гравитонов – частиц, обеспечивающих гравитационное взаимодействие).

Четвертой основной характеристикой элементарных частиц является время их жизни: частицы делятся на стабильные, квазистабильные и нестабильные. Большинство элементарных частиц нестабильно, время их жизни – 10–10–10–24 сек, т. е. несколько микросекунд. Стабильные частицы не распадаются длительное время. Они могут существовать от бесконечности до 10–10 сек. Стабильными частицами считаются фотон, нейтрино, нейтрон, протон и электрон. Квазистабильные частицы распадаются в результате электромагнитного и слабого взаимодействия, иначе их называют резонансами. Время их жизни составляет от 10–24 до 10–26 сек.

Важнейшей характеристикой частиц является спин – собственный момент количества движения (импульса) частицы. В классической механике такая величина характеризует вращение тела (например, волчка). Но буквальный перенос этого понятия на микрочастицы теряет смысл, поскольку элементарные частицы невозможно представить вращающимися крохотными шариками. В физике спин интерпретируется как внутренняя степень свободы частицы, обеспечивающая ей дополнительное физическое состояние. В отличие от классического момента количества движения, который может принимать любые значения, спин принимает только пять возможных значений. Он может равняться целому (0, 1, 2) или полуцелому (1/2, 3/2) числу Свойства и поведение частиц существенно зависят от того, целое или полуцелое значение имеет их спин. Частицы с полуцелым спином называются фермионами, а с целым спином – бозонами.

Фермионы – не что иное, как частицы вещества, которые хотя и обладают волновыми свойствами, но в классическом пределе воспринимаются как истинные частицы. К ним относятся такие известные частицы, как электроны, протоны, нейтроны, спин которых равен 1/2. Известна частица, спин которой равен 3/2 – омега-гиперон. Все эти частицы обладают свойством, имеющим характер закона: частицы с полуцелым спином могут находиться вместе лишь при условии, что их физические состояния, т. е. совокупность характеризующих частицу параметров, не одинаковы. Этот закон в квантовой механике называется запретом Паули. Если бы этого запрета не существовало, то еще в первые мгновения существования нашей Вселенной образовавшиеся частицы вещества «слиплись» бы и превратились в более или менее однородное «желе», не позволив образоваться современной структурной Вселенной.

Бозоны – кванты полей, которые хотя и обладают корпускулярными свойствами, но в классическом пределе выступают как поля. На них запрет Паули не распространяется. Примером бозонов служат фотоны, спин которых равен 1, и мезоны, спин которых равен 0. Возможно, существуют частицы со спином 2 – гравитоны. Все они – переносчики физических взаимодействий.

5.3. Теория кварков

В середине 1960-х гг. число открытых адронов превысило сотню. В связи с этим возникла гипотеза, согласно которой наблюдаемые частицы не отражают предельный уровень деления материи. На основе этой гипотезы была создана теория кварков, согласно которой все элементарные частицы состоят из шести фундаментальных частиц – кварков. Авторами гипотезы кварков стали физики Калифорнийского университета М. Гелл-Манн и Д. Цвейг. Термин «кварк» они позаимствовали из романа Дж. Джойса «Поминки по Финнегану», герою которого снился сон, в котором летали чайки и кричали: «Три кварка для мистера Марка!» Слово «кварк» в переводе с немецкого означает «чепуха», но авторы теории понимали его как гипотетический материальный объект, существование которого еще не доказано наукой. Имея форму гипотезы, кварковая теория тем не менее позволила систематизировать известные частицы и предсказать существование новых.

Основные положения теории кварков заключаются в следующем. Адроны состоят из более мелких частиц – кварков, которые представляют собой истинно элементарные частицы и поэтому бесструктурны. Главная особенность кварков – их дробный электрический заряд. Кварки могут соединяться друг с другом двумя способами – парами и тройками. Соединение трех кварков образует барионы (среди которых всем известные протоны и нейтроны). Соединение кварка и анти-кварка – мезоны, соединение трех антикварков – антибарионы. Большинство образующихся частиц являются барионными и мезонными резонансами. При таком соединении дробные заряды суммируются до нуля или единицы.

Кварки различаются ароматом и цветом. Аромат кварка не имеет никакого отношения к аромату, понимаемому буквально (аромат цветов, духов и т. п.), это его особая физическая характеристика. Существует шесть видов кварков, различающихся ароматом: u (up — верхний), d (down – нижний), s (strange — странный), c (charm — очарование), b (beauty — прелесть), t (top — высший). Их обозначают первыми буквами своих названий.

Кроме того, считается, что каждый кварк имеет один их трех возможных цветов, которые выбраны учеными произвольно: красный, зеленый, синий. Цвет кварка не имеет никакого отношения к обычному оптическому цвету в макромире. Цвет кварка, как и аромат, – условное название для определенной физической характеристики этих частиц. Цвет кварка практически означает разновидность «заряда» сильного ядерного взаимодействия. «Заряд» сильного взаимодействия в физике именуется «цветом». Каждый кварк может быть носителем одного из трех основных «зарядов» или цветов – синего, зеленого, красного. Иначе говоря, каждый кварк способен иметь «заряд» красного, синего или зеленого цвета. Понятие цвета было введено, чтобы не отказываться от запрета Паули, так как в барионных и антибарионных частицах кварки одного аромата часто оказывались вместе. Например, протон образуется комбинацией кварков uud, а нейтрон – udd.

Каждому кварку соответствует антикварк с противоположным цветом (антикрасный, антизеленый и антисиний). Таким образом, шесть кварков и шесть антикварков – 12 фундаментальных частиц – призваны объяснить почти все многообразие частиц, кроме лептонов.

При объединении кварков и антикварков выполняются два условия.

1. Суммарный электрический заряд кварков в адроне должен быть целочисленным, скомпенсированным до нуля или единицы.

2. Кварки, соединяющиеся в адрон, полностью компенсируют свои цветовые заряды и соответствуют признаку бесцветности (конфайнмент). Их цвета («заряды») соединяются также, как в оптике, где сложение красного, синего и зеленого приводит к белому (бесцветному) цвету. Белый цвет дает сложение красного и антикрасного, синего и антисинего и т. п.

Кварки объединяются между собой благодаря сильному взаимодействию. Переносчиками сильного взаимодействия выступают глюоны, которые «склеивают» кварки между собой. Предполагается, что кварки участвуют также в электромагнитных и слабых взаимодействиях. В электромагнитном взаимодействии кварки не меняют цвет и аромат. В слабых взаимодействиях меняют аромат, но сохраняют цвет.