ПОНЯТИЕ О ФИЗИЧЕСКОЙ КАРТИНЕ МИРА

Закончить изучение курса общей физики целесообразно рассмотрением физической картины мира, которая позволяет проследить логику развития физики, эволюцию ее идей, а также представить основные периоды и этапы ее становления. Познание мира человеком есть диалектически сложный и противоречивый процесс, творческий по своему характеру. По мере накопления экспериментальных данных постепенно создавалась величественная и сложная картина окружающего нас мира и Вселенной в целом.

Научные поиски и исследования, проведенные на протяжении многих веков, позволили И. Ньютону открыть и сформулировать фундаментальные законы механики – науки о механическом движении материальных тел и происходящих при этом взаимодействиях между ними. Во времена Ньютона эти законы казались настолько всеобъемлющими, что были положены в основу построения механической картины мира, согласно которой все тела должны состоять из абсолютно твердых частиц, находящихся в непрерывном движении. Взаимодействие между телами осуществляется с помощью сил тяготения (гравитационных сил). Все многообразие окружающего мира, по Ньютону, заключалось в различии движения частиц.

Механическая картина мира господствовала до тех пор, пока в 1873 г. Дж. Максвеллом не были сформулированы уравнения, описывающие основные закономерности электромагнитных явлений. Эти закономерности не могли быть объяснены с точки зрения механики Ньютона. В отличие от классической механики, где предполагается, что взаимодействие между телами осуществляется мгновенно (теория дальнодействия), теория Максвелла утверждала, что взаимодействие осуществляется с конечной скоростью, равной скорости света в вакууме, посредством электромагнитного поля (теория близкодействия). Создание специальной теории относительности – нового учения о пространстве и времени – дало возможность полностью обосновать электромагнитную теорию.

В состав всех без исключения атомов входят электрически заряженные частицы. С помощью электромагнитной теории можно объяснить природу сил, действующих внутри атомов, молекул и макроскопических тел. Это положение и легло в основу создания электромагнитной картины мира, согласно которой все происходящие в окружающем нас мире явления пытались объяснить с помощью законов электродинамики. Однако объяснить строение и движение материи только электромагнитными взаимодействиями не удалось.

Первым шагом на пути построения новой физической картины мира явилась гипотеза М. Планка, сформулированная в 1900 г.: атомы излучают свет дискретными порциями, квантами. А. Эйнштейном было высказано предположение, что свет не только излучается, но и распространяется, а также поглощается веществом дискретными порциями, квантами. Следующим шагом явилась модель атома водорода, предложенная в 1913 г. Н. Бором. Эта модель построена на основе соединения классических представлений с квантовыми постулатами. Наконец, в 1924 г. Л. де Бройль сформулировал общий принцип, важный для построения новой физической теории, принцип корпускулярно-волнового дуализма. По существу, это была попытка синтезировать две физические картины мира – ньютоновскую (корпускулярную) и максвелловскую (полевую-волновую). Окончательно новая физическая теория, получившая название квантовой, приобрела завершенную форму благодаря трудам Э. Шредингера.

Первоначально квантовая механика создавалась как теория электронных оболочек атомов. Дальнейший прогресс был достигнут благодаря объединению принципа квантования с принципами теории относительности. В результате удалось получить уравнение, наиболее справедливо отражающее свойства электрона, в частности, его специфическую квантовую характеристику, спин. Только с учетом спина и принципа Паули, согласно которому два электрона не могут находиться в атоме в одинаковых стационарных состояниях, были раскрыты закономерности строения электронных оболочек атомов и объяснен периодический закон Менделеева.

В течение десятилетий физики считали главной задачей проникновение в структуру материи. Исследование электронной оболочки атома, а на этой основе и свойств твердого тела, стали эпохальными для физики XX в. Проникновение в структуру атомного ядра, а затем и в структуру ряда типов частиц явилось продолжением научного штурма общих принципов структурной организации материи.

Итак, нам предстоит обобщить имеющиеся сведения с точки зрения современной физики на структурные формы материи, закономерности их взаимодействия, основываясь на неисчерпаемости материи и возможности ее познания, т. е. проследить за диалектическим развитием материального мира. С точки зрения современной физики обобщать эти сведения следует начать с элементарных частиц, так как на ранней стадии развития Вселенной именно они образовались первыми. На сегодняшний день известно несколько сотен (порядка 400) элементарных частиц, причем стабильными являются лишь фотоны, нейтрино, электроны и их античастицы и в определенной степени протоны. Все остальные частицы не являются стабильными. Многочисленными исследованиями было установлено, что истинно элементарными частицами, не проявляющими внутреннюю структуру, на сегодняшний день можно считать лишь фотоны и лептоны.

Наличие большого числа элементарных частиц наводит на мысль, что не все они являются простейшими. В 1964 г., независимо друг от друга, М. Гелл-Манн и Дж. Цвейг выдвинули гипотезу, согласно которой большинство известных элементарных частиц построены из так называемых фундаментальных – «первичных» частиц – кварков. Опыты по рассеянию нейтрино и электронов сверхвысоких энергий на нуклонах подтвердили кварковую структуру протонов и нейтронов. Но «расщепить» нуклоны на кварки не удалось. К сожалению, кварки не наблюдаются в свободном состоянии. Рассуждения об элементарных частицах приводят к строению атомов и молекул, поскольку именно из них построен окружающий нас мир и мы сами. Атом обусловливает индивидуальность любого химического элемента. В ядро атома входят протоны и нейтроны. Электронные оболочки атомов связывают их молекулу. Ядра атомов тяжелых элементов могут самопроизвольно превращаться в ядра более легких атомов. Этот процесс может идти и в обратном направлении. Из ядер атомов легких элементов могут образовываться ядра атомов более тяжелых элементов. Это происходит при термоядерных реакциях, которые протекают, например, в недрах звезд.

Первоначальная задача физики элементарных частиц заключалась в том, чтобы найти элементарные структурные единицы материи. Развитие представлений об эволюции Вселенной из сверхплотного состояния подсказывало другую постановку вопроса: что, если фундаментальные структурные единицы материи возникли в процессе расширения Вселенной, в сложной динамике так называемого «большого взрыва»? Богатое разнообразие элементарных частиц, возникающих в ходе взаимодействий при высоких энергиях, практически не существует в естественных взаимодействиях при малых энергиях. Однако такое разнообразие могло существовать в начале «большого взрыва» и, возможно, при том состоянии Вселенной, которое получило название сингулярность, т. е. состояние сверхплотного сжатия и гигантских температур. Вероятно, от него и ведут начало стабильные элементарные частицы, составляющие строительный материал Вселенной в теперешнем ее состоянии.

Особенностью элементарных частиц является их взаимопревращаемость друг в друга. Взаимопревращению элементарных частиц по современным данным соответствуют четыре типа физических взаимодействий: слабое, сильное (ядерное), электромагнитное, гравитационное. Каждому типу взаимодействий соответствует свое поле и кванты этого поля, т. е. в каждом конкретном случае идет обмен квантами соответствующих полей. Это качество легло в основу возможности объяснения различных видов взаимодействия элементарных частиц, как различные проявления единого взаимодействия. В настоящее время создана единая теория слабых и электромагнитных взаимодействий. Предпринимается попытка создать единую теорию трех видов взаимодействий в микромире: слабое, сильное, электромагнитное – «великое объединение». Смелые мечты ученых связаны с поисками возможного суперобъединения, которое включало бы и гравитационное. В этом случае в единую теорию структуры материи наряду с кварками, лептонами и другими элементарными частицами вошли бы и гравитоны. Таким образом, свойства микрочастиц и их взаимодействий помогают понять эволюцию Вселенной, начиная с момента ее расширения до наших дней.

С точки зрения современной физики все многообразие видов материи может быть сведено к существованию двух ее основных видов: вещества и поля. Физические поля обладают свойством связывать элементарные частицы в атомы, молекулы, макротела, планеты и т. д. Всякое изменение, происходящее в окружающем нас мире, представляет движение материи. Источником же движения являются четыре типа физических взаимодействий. При движении частица обладает и волновыми свойствами. Таким образом, на данном этапе развития физика утверждает, что корпускулярно-волновой дуализм присущ всем формам материи.

Итак, в мире ничего иного не существует, кроме движущейся материи, которая существует вечно. Познание мира – процесс бесконечный. Элементарное и сложное в строении вещества – понятия относительные, и предназначение Человека состоит в том, чтобы исследовать и понять свою Вселенную.