которых осуществляется столкновение частиц высокой энергии. При столкновении
субатомных частип. движущихся с большими скоростями, достигается высокий
уровень энергии и происходит рождение мира взаимодействий, полей и частиц,
поскольку уровень элементарности зависит от уровня энергии (Дэвис 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 и мезон). С
помощью ускорителей и исследований космического излучения открылся
многочисленный и разнообразный мир субатомных частиц: "кирпичики" вещества и
множество нестабильных, короткоживущих ("резонансы" живут 10 ~ с.) частиц,
распадающихся на обычные частицы. Позже стало ясно, что новые частицы
(резонансы, гипероны, мезоны) - возбуждённые состояния других частиц
(протона, лепгона) (Вайскопф 1977: 50), что частицы не распадаются, а
взаимопревращаются, переходят в "своё иное", любая частица может быть
составной частью любой другой. Частицы могут "исчезать" в излучение и
проявлять волновые свойства.
Все известные частицы Вселенной можно разделить на две группы: частицы
вещества и частицы-переносчики взаимодействий ("окинг 1990: 63). Частицы
вещества делятся на адроны (участвующие в сильном взаимодействии) и лептоны -
лёгкие (Дэвис 1989: 93-102). В 1963 году М. Гелл-Манн и Дж. Цвейг предложили
гипотезу кварков (слово "кварк" взято из стихотворной строки Дж. Джойса). Все
адроны построены из более мелких частиц, кварков. Из трёх 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). Известно шесть ароматов (типов) кварков. Большинство физиков
считает их подлинно элементарными, не обладающими структурой (Дэвис 1989;
100, "окинг 1990: 69). В соответствии же с бутстрэпной гипотезой (бутстрэп -
от англ. шнурки ботинок) 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 В. Гейзенберг, который не верил в модель кварков (Капра 1996:
43-49).
К лепгонам относятся электрон, мюон, тау-лептон и три типа нейтрино. Сегодня
принято считать электрон элементарным, точечным объектом (Вайскопф 1997: 79,
Дэвис 1989: 93). Электрон отрицательно заряжен, в 1836 раз легче протона. В
1931 году В. Паули (1900-1958) предсказал существование нейтральной частицы
нейтрино, в 1955 году в ядерном реакторе нейтрино родилась из протона
сообразованием электрона и нейтрона. Эго самая удивительная частица. Её масса
меньше одной десятитысячной массы электрона, но она 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. Есть три типа нейтрино,
электронное, мюонное и тау. В 1936 году в продуктах взаимодействия
космических лучей обнаружили мюон, нестабильную частицу, распадающуюся на
электрон и два нейтрино. В конце 70-х открыли самый тяжёлый лепгон, тау-
лептон (Дэвис 1989: 93-95).
В 1928 году П. Дирак предсказал, а в 1932 году открыли анти-электрон или
позитрон (из одного гамма-кванта рождаются электрон и позитрон, положительно
заряженный электрон). Позже оказалось, что все частицы имеют античастицы,
взаимодействуя, частицы и античастицы аннигилируют с образованием квантов
энергии. В ранней Вселенной частиц было больше, чем античастиц, иначе бы
аннигиляция наполнила Вселенную излучением и вещества не было ("окинг 1990:
64, 71-72, Силк 1982: 123-125). "арактеризуются 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 временем жизни (Дэвис 1989: 38-41, 92, "окинг
1990: 62-63). Состояние электрона в атоме определяется квантовыми числами
(радиус, форма орбиты-поля, зарядом поля и спином). Частицы вещества
подчиняются принципу запрета В. Паули: две одинаковые частицы не могут
находится в одном и том же состоянии, т. е. не могут иметь одинаковые
координаты, скорости, квантовые числа. Без принципа Паули не было бы чёпсо
организованных структур, частицы превратились бы в однородное и плотное желе
("окинг 1990: 64). Но есть частицы, не подчиняющиеся принципу запрета В.
Паули (отсутствует ограничение для числа обмениваемых частиц, сила
взаимодействия может оказаться большой), частицы- переносчики или виртуальные
частицы, создающие силы между частицами вещества ("окинг 1990: 65).
4.5. Взаимодействия (силы) в природе С точки зрения современной физики всё,
что происходит в природе, можно свести к четырём фундаментальным
взаимодействиям (силам), которые являются источником всех изменений.
Гравитация (сила тяготения) первой из четырёх сил стала предметом
исследования науки, после появления в "Ч11 в. теории гравитации И. Ньютона
(закон всемирного тяготения). Гравитация, по Ньютону, действует на любых
расстояниях (дальнодействие), например, приливы океана вызваны притяжением
Луны, сила тяготения зависит от массы и удалённости от источника силы.
Гравитация удерживает планеты на орбитах, звёзды в галактиках, притягивает к
Земле, вызывает вращение Земли вокруг Солнца. Каждая частица Вселенной
испытьвает действие гравитации и сама является источником этой силы
притяжения. Несмотря на всеобщий характер гравитационного взаимодействия, это
самая слабая сила природы, она не проявляется в мире микрочастиц, незаметна
на уровне макроскопических объектов. Возрастает же гравитация по мере
образования всё больших скоплений вещества.
В 1915 году А. Эйнштейн построил новую теорию гравитации - общую теорию
относительности. По Ньютону гравитационное взаимодействие передаегся через
пространство мгновенно, согласно же теории относительности, невозможно
распространение сигнала со скоростью выше скорости света. Эйнштейн
рассматривал гравитацию как поле, в котором могут зарождаться волны. По
Эйншгейну тяготение связано не с массой, а с геометрией пространства,
пространство испьгиявает воздействия масс, следовательно, если изменяется
гравитационное поле, то изменяется и пространство (искривляется). Геометрия
мира должна быть подобной геометрии искривлённых поверхностей. Гравитация
влияет и на течение времени (Гейзенберг 1989: 72-73, Дэвис 1989: 83).
Сегодня считается, что сила гравитации между двумя частицами материи
переносится безмассовой частицей со спином 2, которая называется гравигоном.
Гравитоны распростраюпотся в виде волн ("окинг 1990: 65-66).
Между электрически заряженными частицами (электроны, кварки, ионы) действуют
электромагнитные силы. Электромагнитные взаимодействия намного сильнее
гравитационных и проявляются как притяжение (разные заряды) или отталкивание
(одинаковые заряды). Если количество положительных и отрицательных зарядов
одинаково, то они компенсируют друг друга. Электромагнитное притяжение есть
результат обмена виртуальных частиц со спином 1, которые называются фотонами
("окинг 1990: 66-67).
Третий тип взаимодействия называется слабым взаимодействием (сильнее
гравитации, слабее электромагнитного и ядерного взаимодействий). Слабое
взаимодействие прекращается на расстоянии большем 10 " см от источника и не
влияет на макроскопические объекты, действуя между всеми субатомными
частицами. Физики долго не понимали, откуда берутся из ядер атомов частицы,
которых там нет (из нейтрона - протон, электрон и нейтрино)? Превращение
одних частиц в другие - главное проявление этого взаимодействия. При взрывах
и коллапсах звёзд испускается огромное количество нейтрино.
Слабовзаимодействующие нейтрино тем не менее разрывают наружные слои звезды и
образуются клочья облаков расширяющегося газа. Слабое взаимодействие
проявляется при испускании некоторыми атомами ядер гелия и электронов
(радиоактивность) (А. Беккерель, Э. Резерфорд).
В 1967 году А. Салам и С. Вайнберг предложили объединить электромагнитное и
слабое взаимодействия: кроме фотона существуют ещё три частицы со спином 1,
так называемые тяжёлые векторные бозоны (%+, %- и "~), которые и переносят
слабое взаимодействие. В основе гипотезы Вайнберга-Салама лежала идея о
спонтанном нарушении симметрии; частицы,
разные при низких энергиях, при высоких энергиях оказываются одной частицей в
разных состояниях. Гипотеза предсказывала, что при высоких энергиях фотоны и
бозоны ведут себя одинаково, а при низких энергиях в обычных ситуациях эта
симметрия нарушается. Через десять лет их гипотеза подтвердилась
экспериментально, физикам была присуждена Нобелевская премия (Ва$Ыберг 1981:
133, Дэвис 1989: 128-136, "окинг 1990: 67-68).
Сильное ядерное взаимодействие удерживает кварки внутри адронов, протоны и
нейтроны внутри атомного ядра, действует на расстоянии не больше 10 'м см.
Переносчиком ядерных сил считается ещё одна частица со спином 1, которая
называется глюон (англ. клей). Сильное взаимодействие обладает свойством
ограничения, удерживания в связном состоянии: кварки не могут существовать
сами по себе, так как 99% энергии-массы кварка - это энергия связи. Сильное
взаимодействие является источником огромной энергии, например энергии Солнца,
энергии водородной бомбы. На мощных ускорителях, при высоких энергиях сильное
взаимодействие ослабевает и кварки, глюоны ведут себя почти как свободные
частицы. При столкновениях протона и антипротона высокой энергии рождаются
кварки, "струи" треков которых можно наблюдать ("окинг 1990: 68-69).
4.6. Концепции самоорганизации в физике В физике второй половины ""-ого века
утверждается понимание сложности микромира, Вселенной. Изменяется и
представление о Вселенной существующего - существующего без возникающего нет
(Пригожин 1985). В рамках классической термодинамики известно много примеров
эволюции систем различной природы к единственному состоянию равновесия,
однообразия, однородности (необратимый обмен теплом и выравнивание
температур, необратимое расширение газа, диффузия дымового облака,
расплывание капли чернил в воде, движение по инерции и остановка, равномерное
распределение молекул). Закон возрастания энтропии (меры степени беспорядка)
утверждает, что в замкнутой системе энтропия всегда возрастает до своего
максимального значения ("акен 1980: гл. 1).
Но если воздействовать на систему извне, можно изменить степень её
упорядоченности. Г. "акен приводит примеры самоорганизации при фазовых
переходах, в которых обнаруживается удивительное сходство: с понижением
температуры вода переходит от состояния хаоса (пар) к порядку (кащи,
кристалл), нагревание и охлаждение магнита и сверхпроводников влияет на
упорядочивание магнитных моментов, когерентное поведение атомов лазера. Лазер
- стержень, в который внедрены атомы определённого типа, каждый атом
возбуждается действием из вне (освещение). После этого атом действует как
антенна, испуская волны света. Когда в лазер накачивается энергия, при малых
мощностях накачки лазер работает как лампа, атомы излучают независимо друг от
друга, хаотично. Но, при определённом значении мощности накачки, за порогом,
возникает новое явление: похоже, что некий демон заставляет атомы испускать
один гигантский свет (цуг) длина которого до 300 000 км! Что заставляет
подсистемы (атомы) вести себя так организованно? Какие механизмы и принципы
способны объяснить самоорганизацию атомов (антенн)? Если дальше накачивать
лазер, снова внезапно происходит новое явление: стержень регулярно испускает
световые вспышки очень короткой длительности. Известно множество других
примеров самоорганизации неживой материи (упорядоченное макроскопическое
движение в жидкости при определённом градиенте температур - образование
цилиндрических или гексагональных ячеек, крупномасштабные вихри в атмосфере
Юпитера, рисунки янтаря, мир кристаллов, вихри Тейлора, самоорганизация
неорганических химических систем) ("акен 1980: гл. 1).
В 1973 году профессор »тутгартского университета Г. "акен (р. 1927) для
объяснения кооперативности, когерентности действия большого числа объектов,
участвующих в самоорганизации, вводит термин синергетика (от греч. вупегде1а
- совместное, кооперативное действие). Синергетика как междисциплинарное
направление в науке исследует поведение сложных систем, выявляет общие законы
самоорганизации. Основной вопрос синергетики: существуют ли общие принципы,
управляющие возникновением самоорганизующикся структур и функций? Г. "акен
рассматривает примеры самоорганизации не только из физики и химии, но и
примеры из биологии, теории вычислительных систем, экономики, экологии,
социологии. Во всех случаях система состоит из очень большого числа
подсистем. При определённых условиях в системе образуются качественно новые
структуры. Система переходит из однородного, недифференцированого состояния в
неоднородное, но упорядоченное состояние ("акен 1985: гл. 1).
Бельгийский физико-химик русского происхождения И. Р. Пригожин (р. 1917)
подвёл под явления самоорганизации теоретическую базу (понятия и модель
перехода от хаоса к порядку). Коренной переворот во взглядах на необратимые
процессы произошёл лишь недавно, и мы начали понимать конструктивную роль
необратимых процессов в физическом мире (Пригожин 1985: 93). Центральное
понятие теории И. Р. Пригожина - понятие диссипативной системы (диссипация -
рассеяние вещества и энергии). Диссипативные системы отличаются открытостью,
неравновесностью и нелинейностью. Существование таких систем поддерживается
постоянным обменом веществом и энергией со средой, при прекращении обмена
диссипативные системы разрушаются. Открытость системы является условием
самоорганизации. В открытых системах неравновесие может порождать порядок.
"аос и порядок связаны и это главное изменение, которое происходит в нашем
восприятии Универсума. Каждая, диссипативная система имеет свои управляющие
параметры. Каждый параметр имеет своё критическое, пороговое значение, при
достижении которого в эволюции системы происходит скачок в другую сеть мер.
Точка разветвления эволюции называется точкой бифуркации (от англ. Гочс -
вилка). Бифуркация определяет спектр возможных альтернатив, путей развития
(тезаурус для отбора). В точке бифуркации, точке неустойчивости, точке
разветвления эволюционной линии, существует несколько (как минимум два) путей
развития сложных систем. Между точками бифуркации в системах вьпюлняются
детерминистические законы, но в точках бифуркации существенную роль играют
большие, случайные флуктуации. Выбор - движение к разрушению или к усложнению
- зависит от аттрактора (от лат. айгаЬеге - притягивать, то, что определяет
цель эволюции), например, в закрытой системе притяжение к тепловому
равновесию (аттрактору), в открыгой - при определённых условиях возможен
переход к новому уровню упорядоченности (Пригожин 1985, Пригожин, Стенгерс
1986, 1990, 1994, Князева, Курдюмов 1994).
Синергетика раскрывает общие механизмы усложнения: электроны и атомы, фотоны
и молекулы, лазеры и жидкости, самоорганизуясь, подчиняются единым принципам
(флуктуации открьггой системы до порога, точки бифуркации и переход к новому,
более сложному порядку). Необратимость времени может рассматриватся как
конструктивный процесс, разрушился миф о внеприродном факторе эволюции. Но
синергетика Г. "акена и неравновесная термодинамика И. Р. Пригожина следуют
нормативам физикалистического мышления. Причины эволюции сводятся к
механизмам вещественного структурообразования, без внимания в эволюции
остаются отражение мира, психика, ингеллект? (Назаретян 1991: 24-25).
4.7. Проблемы современной физики
Самая сложная проблема современной физики - объединение частных теорий,
например, теория относительности не включает принцип неопределённости, теория
гравитации не входит в теорию трёх взаимодействий, в химии не учитывают
строение ядра атома. Проблема объединения есть проблема достижения высоких
энергий, так как при высоких энергиях частицы перестают отличаться. До 30-х
годов считали, что существуют два типа сил на макро-уровне - гравитационные и
электромагнитные, но открыли слабое и сильное-ядерное взаимодействия. Был
открьгг мир внутри протона и нейтрона, но этот порог энергий выше, чем в
центре звёзд. Будут ли открыты ещё более элеметарные частицы, чем кварки и
электроны?
До 1984 года большинство учёных верили в теорию суперсимметрии
(супергравитации, суперсилы). Суть её в том, что все частицы (частицы
вещества, гравитоны, фотоны, бозоны и глюоны) - разные виды одной
"суперчастицы". Эта "суперчастица" или суперсила с понижением энергии
предстаёт перед нами в разных ипостасях, как сильное и слабое взаимодействия,
как электромагнитная и гравитационная силы (Дэвис 1989, "окинг 1990: 134). Но
сегодня в эксперименте ещё не достигли энергий для проверки данной теории
(нужен циклотрон размерами с Солнечную систему), проверка же на компьютере
заняла бы более четырёх лет ("окинг 1990: 134, Налимов 1993: 16).
В математических моделях теории супергравитации возникает и проблема
бесконечностей. В уравнениях, описывающих поведение микрочастиц, получаются
бесконечные числа. Есть и другой аспект данной проблемы - старые философские
вопросы: конечен или бесконечен мир в пространстве и времени? Вселенная
взорвалась из сингулярности планковских размеров, куда она расширялась и
расширяется? В 80-х годах становится популярной струнная теория. Микрочастицы
это не точечные объекты, а тонкие кусочки струны, определяемые длиной и
открытостью. Частицы - волны, бегущие по струнам, как волны по верёвке.
Испускание частицы - соединение, поглощение частицы-переносчика -
разъединение. Солнце действует на Землю через гравитон, бегущий по струне
("окинг 1990: 134-137).
В струнных теориях тоже сохраняются бесконечности, но возникает проблема
многомерности пространства-времени, например, электрон - это малая
вибрирующая струна планковской длины в шестимерном и даже в 27-мерном
Страницы: 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8
