Микромир: концепции современной физики

В конце XIX–начале ХХ вв. физика вышла на уровень исследования микромира и была создана новая физическая теория, описывающая состояние и движение микрообъектов – квантовая механика. В основе квантовой механики лежат фундаментальные идеи о квантовании физических величин и корпускулярно-волновом дуализме.

Идея квантования сформировалась на основе ряда открытий в конце XIX–начале ХХ вв. Коротко остановимся на главных из них. В 1897 г. Дж. Томсон открыл электрон. Его заряд оказался элементарным, т.е. самым наименьшим, существующим в природе в свободном состоянии. Заряд любого тела равен целому числу элементарных зарядов. Таким образом, электрический заряд дискретен.

В 1900 г. немецкий ученый М. Планк предложил гипотезу: электромагнитное излучение испускается отдельными порциями – квантами, величина которых пропорциональна частоте излучения. Его гипотеза стала началом новой квантовой физики. Согласно этим представлениям, энергия кванта Е = hn, где n – частота, h – постоянная Планка. По современным данным h = 6,626×10^-34 Дж×с.

Открытый Дж. Томсоном электрон был первой частицей, входящей в состав атома и свидетельствующей о его сложном строении. Естественно возник вопрос о строении атома. Появились теории Томсона (1903 г.), Резерфорда (1911 г.), Н. Бора (1913 г.), но все они обладали недостатками, которые смогла преодолеть квантовая механика, созданная в 1924–1927 гг.

Корпускулярно-волновой дуализм был открыт сначала для света. В опытах со светом было неопровержимо доказано, что свет обладает как волновыми (интерференция, дифракция и дисперсия), так и корпускулярными (фотоэффект, люминесценция) свойствами. Так, физика ХХ века открыла диалектическое единство двух классических противоположностей – частицы и волны.

В 1924 г. французский физик Л. де Бройль выдвинул смелую гипотезу – корпускулярно-волновой дуализм имеет универсальный характер, т. е. все частицы, имеющие конечный импульс (Р), обладают волновыми свойствами. Так, появилась формула де Бройля: l= h/mV, где m – масса частицы, V – скорость, l – длина волны, связанная с данной частицей. В 1927 г. гипотеза и формула де Бройля были подтверждены экспериментально в результате открытия дифракции электронов. В дальнейшем была исследована дифракция нейтронов, атомов и молекул.

По современным воззрениям, квантовый объект – это не частица и не волна, и даже не то и не другое одновременно. Эти свойства являются несовместимыми в отношении их одновременного проявления, но они оба в равной мере характеризуют микрообъект, а потому не противоречат, а дополняют друг друга. Эта идея и была высказана Н. Бором и положена им в основу важнейшего методологического принципа современной науки – принципа дополнительности.

Принцип дополнительности как общий принцип познания может быть сформулирован следующим образом: всякое истинно глубокое явление природы не может быть определено однозначно с помощью слов нашего языка и требует для своего определения, по крайней мере, двух взаимоисключающих, дополнительных понятий. К числу таких явлений относятся квантовые явления, жизнь и др.

С принципом дополнительности связано и так называемое «соотношение неопределенностей», сформулированное в 1927 г. В. Гейзенбергом. Он показал, что эти неопределенности (неточности) в значениях координаты (Dх) и импульса (DР_х) удовлетворяют следующему соотношению: Dх ×DР_х ³ h.

Это соотношение утверждает, что (в отличие от классической физики) никогда нельзя одновременно точно знать оба параметра – координату и скорость. Никогда нельзя одновременно знать, где находится частица, как быстро и в каком направлении она движется.

Элементарные частицы принято делить на три группы: фотоны, лептоны и адроны. Общее количество известных частиц и античастиц составляет несколько сотен. Для всех типов взаимодействий элементарных частиц выполняются законы сохранения энергии, импульса, момента импульса и электрического заряда.

Элементарные частицы – это такие частицы, которые способны к взаимным превращениям, но по своему внутреннему строению не являются простым объединением других известных нам частиц.

Из такого понимания элементарности частиц следует, что все частицы состоят из чего-то единого, из какой-то первоматерии. На вопросы: «Дискретна или непрерывна она, как ее свойствами можно объяснить известные свойства элементарных частиц?» – должна ответить наука будущего.

Попытки найти «самые элементарные» частицы привели к гипотезе кварков Гелл-Мана и Цвейга, выдвинутой ими в 1964 г.

В настоящее время экспериментально подтверждено, что в основе всего Мироздания лежат только двенадцать частиц.

Стандартная модель частиц состоит из 6 кварков (верхний – U, очарованный – С, истинный – Т, нижний – d, странный – S, красивый – Б) и 6 лептонов (электрон – е, мюон – m, таон – t, электронное нейтрино – n_е, мюонное нейтрино – n_м и тао-нейтрино n_t), а соединяют их переносчики взаимодействий: электромагнитного – g-фотоны, сильного – g-глюоны, слабое взаимодействие между частицами осуществляют так называемые W- и Z-бозоны. Гравитационное взаимодействие в процессах микромира практически не участвует ввиду малой величины.

Как видно, физика элементарных частиц имеет значительные успехи, хотя пока и не дает полного понимания микромира на единой основе. Это понимание может быть дано новой физической теорией, которая с единых позиций сумеет объяснить 4 типа взаимодействий, существование частиц и полей.