Материя. Фундаментальные частицы и поля

К наиболее важным понятиям физики и всего естествознания относится понятие материи. Материя существует в двух формах: в форме вещества и поля. Если представление о веществе человек получает с самого раннего детства, то представления о поле он получает только при изучении школьного курса физики. В формировании этих представлений огромную роль играет опыт. К наиболее важным вопросам при изучении природы относятся следующие. Из чего состоит окружающий нас мир? Какие силы его объединяют или связывают?

Еще древние мыслители, наблюдая взаимное превращение вещества и переход его из одной формы в другую, пришли к мысли о том, что природа состоит из относительно небольшого числа элементов. Другая глубокая идея заключалась в корпускулярной гипотезе строения материи. Развитие физики и химии в XIX и XX вв. подтвердило эти догадки. Не менее важной для физики было установление связи между элементами материи, т.е. действующих между ними сил. Поэтому, рассмотрим на уровне современных знаний фундаментальную структуру материи и сил природы.

Наш мир является таким, каким мы его наблюдаем, благодаря значениям фундаментальных физических констант. В первую очередь к таким константам относятся постоянная Планка h = h /2p = 1,05×10^–34 Дж×с и скорость света c = 3×10⁸ м/с. К фундаментальным константам относятся: элементарный заряд, гравитационная постоянная, масса протона, масса электрона и некоторые другие постоянные. Они определяют фундаментальную структуру материи и взаимодействий.

Напомним некоторые соотношения квантовой и релятивистской физики, в которые входят фундаментальные постоянные. К наиболее важным соотношениям квантовой физики относятся выражение для энергии частицы (кванта):

E = h×w = hc /l,

где w – частота, l – длина волны де Бройля, которая связана с импульсом частицы p формулой

p = h /l,

и соотношения неопределенностей:

D x ×D p > h, E ×t > h.

Из формул релятивистской физики отметим формулу связи энергии и релятивистской массы m частицы:

E = mc ²,

а также формулу связи энергии и импульса частицы:

,

где E ₀ = m ₀ c ² – энергия покоя частицы. Положив в этих формулах h = c = 1, легко увидеть, что приведенные выше формулы существенно упрощаются.