И. Ньютон

В истории философии и науки можно условно выделить 3 подхода к пониманию устройства природы на микроуровне:

· существуют неделимые корпускулы или атомы, мир сводится к фундаментальным “кирпичикам” (Демокрит, Ньютон);

· вещество непрерывно и бесконечно дробится на всё меньшие и меньшие кусочки, так и не дойдя до неделимого атома (Аристотель);

· в ХХ в. возникла концепция, объясняющая мир на основе взаимосвязи всего сущего: частица это не “кирпичик” материи, а процесс, звено или паттерн в целостном Универсуме (В. Гейзенберг, Дж. Чу, Ф. Капра).

Первую “элементарную” частицу открыл в 1897 г. Дж.Дж. Томсон, при исследовании катодных лучей он доказал существование электронов. Из вещества при воздействиях легко освобождается отрицательное электричество, фиксируемое как вспышки света на экране. Частицы отрицательного электричества и были названы электронами. Минимальное количество электричества, равное заряду одного электрона наблюдали при электрическом разряде в разряженном газе. До 70-х гг. ХХ в. проблема внутреннего строения электрона не была решена, всё ещё нет намёка на его внутреннюю структуру (Андерсон 1968; Вайскопф 1977).

Годом раньше А. Беккерель открыл радиоактивный распад урановой соли – испускание альфа-частиц (ядер Не), эти частицы использовал Резерфорд, экспериментально доказавший существование ядра атома. В 1919 г. Э. Резерфорд осуществил и первую искусственную ядерную реакцию: облучая N альфа-частицами, он получил изотоп О, и доказал: в состав ядра атома N входит протон [27] (считали предельной частицей).

В 1932 г. Дж. Чэдвик открыл ещё одну ядерную частицу – незаряженный нейтрон [28]. Открытию нейтрона, положившему начало новой науке – нейтронной физике, основным свойствам нейтрона, применению нейтронов посвящена книга С.Ф. Шебалина Нейтроны. Следы нейтронов наблюдали в камере Вильсона. Масса протона равна 1836,1 масс электрона, масса нейтрона – 1838,6. В. Гейзенберг, и независимо от него Д.Д. Иваненко, И.Е. Тамм, высказывают гипотезу о строении атомного ядра из протонов и нейтронов: ядро С, например, состоит из 6 протонов и 6 нейтронов. В нач. 30-х гг. считали: материя состоит из атомов, а атомы из 3 “элементарных” частиц, “строительных кирпичиков”: протонов, нейтронов и электронов (Шебалин 1969; Фолта, Новы 1987; Капра 1994: 66-67).

В том же году Э.О. Лоуренс в Калифорнии построил первый циклотрон (ускоритель “элементарных” частиц). Ускорители частиц – это установки, на которых осуществляется столкновение частиц высокой энергии. При столкновении субатомных частиц, движущихся с большими скоростями, достигается высокий уровень энергии и происходит рождение мира взаимодействий, полей и частиц, поскольку уровень элементарности зависит от уровня энергии. Если до таких скоростей разогнать монетку, то её энергия будет равна производству энергии на тысячу млн. долларов. Рядом с Женевой построен кольцевой ускоритель с длиной окружности туннеля до 27км. Сегодня для проверки некоторых теорий, например, теории великого объединения всех частиц, нужен ускоритель размером с Солнечную систему (Фолта, Новы 1987: 270-271; Девис 1989: 90-91).

Частицы открывают и в природных ускорителях, космические лучи сталкиваются с атомами экспериментального устройства, а результаты воздействия исследуются (так были открыты предсказанные позитрон, мюон и мезон). С помощью ускорителей и исследований космического излучения открылся многочисленный и разнообразный мир субатомных частиц. В 1932 г. – открыты 3 частицы, в 1947 – 14, в 1955 – 30, 1969 – более 200. Одновременно с экспериментами проводились и теоретические исследования. Частицы часто двигаются со скоростью света, Þ, необходимо учитывать теорию относительности. Создание общей теории частиц остаётся пока нерешённой задачей физики (Капра 1994: 67).

В 1967 г. появилась гипотеза о существовании тахионов – частиц, скорость движения которых выше скорости света. Были открыты новые “кирпичики” вещества, множество нестабильных, короткоживущих (“резонансы” живут 10^-27с.) частиц, распадающихся на обычные частицы. Позже стало ясно, что новые частицы: резонансы и гипероны, мезоны – возбуждённые состояния других частиц: протона и лептонов. Как и возбуждённый атом Н в различных состояниях, что проявляется как 3 спектральные линии, не является другим атомом (Борн 1967: 127-129).

Оказалось, что частицы не распадаются, а превращаются друг в друга или в энергию квантов поля, переходят в “своё иное”, любая частица может быть составной частью любой другой. Частицы могут “исчезать” в излучение и проявлять волновые свойства. После осуществления первого искусственного превращения, когда ядра Li превратили в ядра Не, возникает атомная,ядерная физика (Борн 1967; Вайскопф 1977: 50).

В 1963 г. М. Гелл-Манн, Дж. Цвейг предложили гипотезу кварков. Все адроны построены из более мелких частиц – кварков 3 типов и их антикварков. Из 3 кварков состоят протон и нейтрон (их ещё называют барионами – тяжёлыми или нуклонами – ядерными частицами). Протон стабилен, заряжен положительно, нейтрон нестабилен, превращается в протон. Пары кварк-антикварк (у каждой частицы есть античастица) образуют мезоны (промежуточные по массе между электроном и протоном). Для того чтобы объяснить всё многообразие адронных паттернов физикам пришлось постулировать существование дополнительных кварков. Кварков стало 12: 4 разновидности или аромата (верхний, нижний, странный и очаровательный), каждая из которых может существовать в 3 цветах. Большинство физиков считает кварки подлинно элементарными, не обладающими структурой. Хотя для всех адронов характерны кварковые симметрии, адроны часто ведут себя так, как будто они действительно состоят из точечных компонентов, но до сих пор существует загадка кварков (Девис 1989: 100; Хокинг 1990: 69; Капра 1994: 228, 229).

В соответствии же с бутстрэпнойгипотезой природа не может быть сведена к “кирпичикам” материи типа кварков, но должна пониматься на основе связности. С бутстрэпной картиной частиц как динамических паттернов во взаимосвязанной сети событий был согласен Гейзенберг, не веривший в модель кварков (Капра 1996: 43-49).

Все известные частицы Вселенной можно разделить на две группы: частицы “твёрдого” вещества и виртуальные частицы, переносчики взаимодействий, не имеющие массы “покоя”. Частицы вещества также делятся на две группы: адроны [29], нуклоны [30], барионы или тяжёлые частицы и лептоны [31].

К лептонам относятся электрон, мюон, тау-лептон и 3 типа нейтрино. Сегодня принято считать электрон элементарным, точечным объектом. Электрон отрицательно заряжен, в 1836 раз легче протона (Вайскопф 1997: 79; Девис 1989: 93-102; Хокинг 1990: 63; Фейнман, Вайнберг 2000).

В 1931 г. В. Паули предсказал существование нейтральной частицы нейтрино, в 1955 г. в ядерном реакторе нейтрино родилась из протона с образованием электрона и нейтрона.

Это самая удивительная частица: с БВ нейтрино почти не вступает во взаимодействие с веществом, являясь наилегчайшей из лептонов. Её масса меньше одной десятитысячной массы электрона, но она, возможно, является самой распространённой частицей во Вселенной и может вызвать её коллапс. Нейтрино почти не взаимодействует с веществом, проникая через него, как будто его вообще нет (пример существования неодномерных форм). Гамма-квант проходит в свинце 3 м. и взаимодействует с ядром атома свинца, а нейтрино для взаимодействия должна пройти 4·10¹³ км. Нейтрино участвует только в слабых взаимодействиях. До сих пор точно не установлено, действительно ли у нейтрино есть масса “покоя”. Есть 3 типа нейтрино: электронное, мюонное и тау.

В 1936 г. в продуктах взаимодействия космических лучей обнаружили мюон, нестабильную частицу, распадающуюся на электрон и 2 нейтрино. В конце 70-х открыли самую “тяжёлую” частицу-лептон, тау-лептон (Девис 1989: 93-95).

В 1928 г. П. Дирак предсказал, а в 1932 г. открыли положительно заряженный электрон (позитрон – античастица электрона.): из одного γ-кванта рождаются электрон и позитрон – положительно заряженный электрон. При соударении электрона с позитроном рождаются два гамма-кванта, так как для сохранения нуля при аннигиляции [32] необходимы два фотона, разлетающиеся в разные стороны.

Позже оказалось: все частицы имеют античастицы, взаимодействуя, частицы и античастицы аннигилируют с образованием квантов энергии. Античастица есть у каждой частицы материи. При соударении частицы и античастицы происходит их аннигиляция, в результате которой выделяется энергия и рождаются другие частицы. В ранней Вселенной частиц было больше, чем античастиц, иначе бы аннигиляция наполнила Вселенную излучением, и вещества не было (Силк 1982: 123-125; Хокинг 1990: 64, 71-72).

Состояние электронов в атоме определяется при помощи ряда чисел, которые называются квантовыми числами, и обозначают местонахождение и форму орбит:

n число (n) – это номер орбиты, определяющий количество энергии, которым должен обладать электрон для того, чтобы находиться на орбите, радиус;

l число (ℓ) определяет точную форму электронной волны на орбите;

m число (m) называется магнитным и определяет заряд поля, которое окружает электрон;

s число (s), так называемый спин (вращение) определяет скорость и направление вращения электрона, которое определяется формой электронной волны в терминах вероятности существования частицы в определённых точках орбиты.

Поскольку эти характеристики выражаются целыми числами, это означает, что количество вращения электрона увеличивается не постепенно, а скачкообразно – от одной фиксируемой величины к другой. Характеризуются частицы наличием или отсутствием массы, электрического заряда, спином (вращательная характеристика, частицы вещества имеют спин +1/2, –1/2, частицы-переносчики взаимодействий 0, 1 и 2) и Вр жизни (Эрдеи-Груз 1976; Девис 1989: 38-41, 92; Хокинг 1990: 62-63; Капра 1994: 63).

В 1925 г. В. Паули задался вопросом: почему электроны в атоме занимают строго определённое положение (2 на первой орбите, 8 на второй, 32 на четвёртой)? Анализируя спектры, он выявил простой принцип: две одинаковые частицы не могут находиться в одном и том же состоянии, т. е. не могут иметь одинаковые координаты, скорости, квантовые числа. Все частицы вещества подчиняются принципу запрета В. Паули.

Этот принцип подчёркивает чёткую организацию структур, вне которой частицы превратились бы в однородное и плотное желе. Принцип запрета позволил объяснить химические свойства элементов, определяемые электронами внешних незаполненных оболочек, что дало обоснование периодической таблице элементов. Принцип Паули привёл к новым открытиям, пониманию тепло- и электропроводности металлов и полупроводников. С помощью принципа запрета строились электронные оболочки атомов, стала понятна система элементов Менделеева (Дубнищева 1997: 450-452).

Но есть частицы, не подчиняющиеся принципу запрета В. Паули (отсутствует ограничение для числа обмениваемых частиц, сила взаимодействия может оказаться любой), частицы-переносчики или виртуальные частицы, не имеющие массы “покоя” и создающие силы между частицами вещества (Хокинг 1990: 64-65).