Стабильных (не самораспадающихся) элементарных частиц всего четыре: электрон, протон, фотон и все виды нейтрино. На основе этих частиц невозможно построить все остальные, обладающие способностью самопроизвольно распадаться. Среди этих частиц дольше всех живет свободный нейтрон, меньше всех – нейтральный ж-мезон (10-16с). В конце 1960 г. был открыт новый класс частиц, получивший название резонансов. Эти частицы живут крайне мало: порядка 10-23с.
Стабильность протона, электрона, фотона и нейтрино означает, что они могут претерпевать изменения лишь при взаимодействиях с другими частицами.
Следует особо подчеркнуть, что существование античастиц не гипотетично, а модели с их использованием не являются плодом фантазии физиков. В 1956 г. был открыт антинейтрон. Если электрон от позитрона и протон от антипротона отличаются прежде всего знаком зарядов, то чем различаются нейтрон и антинейтрон? Нейтрон не имеет электрического заряда, но имеет связанное с ним магнитное поле. Причина этого не совсем ясна, хотя установлено, что магнитное поле нейтрона ориентировано в одном направлении, а магнитное поле антинейтрона – в противоположном.
Античастицы имеют и другие фундаментальные свойства по сравнению с частицами. Так, при переходе от мира к антимиру меняются местами «право» и «лево» и одновременно меняются знаки всех зарядов. Время в антимире течет от будущего к прошлому, а не от прошлого к будущему, как в мире.
28. ПРОБЛЕМА ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ МЕГА– И МИКРОМИРА. БУДСТРАП-ПОДХОД
В современном естествознании все окружающие нас материальные объекты принять условно делить на микро-, макро– и мегамир. Одна из основных концепций естествознания говорит о единстве всех систем микро-, макро– и мегамира. Можно говорить о единой материальной основе происхождения всех материальных систем на разных стадиях эволюции Вселенной.
Материальные объекты микро-, макро– и мегамира отличаются не только своими геометрическими размерами, но и другими количественными характеристиками. Так, например, Солнце состоит из колоссального числа частиц: 1 056ядер атомов водорода и примерно такого же количества ядер атомов гелия.
Свойства и особенности материальных объектов микро– и мегамира описываются разными теориями, принципами, законами.
При объяснении процессов в микромире используются принципы и теории квантовой механики, квантовой статистики и т. п. Движение планет Солнечной системы описывается законом всемирного тяготения и законами Кеплера. Происхождение и эволюция Вселенной объясняются на основании комплекса естественно-научных знаний, включающих физику элементарных частиц, квантовую теорию поля, теорию относительности и т. п.
Материальные объекты образуют целостную систему лишь в том случае, если энергия связи между ними больше кинетической энергии каждого из них. Энергия связи – это та энергия, которую необходимо затратить, чтобы полностью «растащить» систему на отдельные ее составляющие. Величина энергии связи природных систем на различных уровнях организации материи зависит от вида взаимодействия и характера сил, объединяющих материальные объекты в систему. Например, существование в течение миллиардов лет звезд, в том числе и Солнца, обусловливается устойчивым равновесием между энергией взаимного гравитационного притяжения частиц, стремящегося сжать вещество звезды, и энергией их теплового движения, приводящего к его рассеиванию. Объединяющую роль в атомах и молекулах играет электромагнитное взаимодействие.
Существенное различие между материальными объектами микро– и макромира заключается в тождественности микрочастиц и индивидуальности мега-систем. Для микрочастиц выполняется принцип тождественности: состояния системы частиц, получающиеся друг из друга перестановкой частиц местами, нельзя различить ни в каком эксперименте. Такие состояния рассматриваются как одно физическое состояние. Этот квантово-механический принцип характеризует одно из основных различий между классической и квантовой механикой. В классической механике можно проследить за движением отдельных частиц по траекториям и таким образом отличить частицы одну от другой. В квантовой механике тождественные частицы полностью лишены индивидуальности. Однако в природе не существует двух совершенно одинаковых мегасистем – все они индивидуальны. Индивидуальность может проявляться и на молекулярном уровне. Например, молекулы этилового спирта и диме-тилового эфира имеют одинаковые атомный состав и мо-лекулярную массу, но различные химические и физические свойства. Такие вещества называются химическими изомерами. Нестабильные ядерные изомеры при одинаковом составе ядер имеют различные периоды полураспада.
29. ПРОБЛЕМА ПРОСТРАНСТВА И ВРЕМЕНИ
В классической механике был известен принцип относительности Галилея: если законы механики справедливы в одной системе координат, то они справедливы и в любой другой системе, движущейся прямолинейно и равномерно относительно первой. Такие системы называются инерциальными.
А. Эйнштейн использовал мысленный эксперимент, который получил название «поезд Эйнштейна»: «Представим себе наблюдателя, едущего в поезде и измеряющего скорость света, испускаемого фонарями на обочине дороги, т. е. движущегося со скоростью с в системе отсчета, относительно которой поезд движется со скоростью V. По классической теореме сложения скоростей наблюдатель, едущий в поезде, должен был бы приписать свету, распространяющемуся в направлении движения поезда, скорость с – V...». Однако скорость света выступает как универсальная постоянная природы.
Рассматривая это противоречие, А. Эйнштейн предложил отказаться от представления об неизменности свойств пространства и времени. Данный вывод противоречит здравому смыслу, так как мы не можем представить никакого пространства, кроме трехмерного, и никакого времени, кроме одномерного. Но главный критерий для науки – соответствие теории и эксперимента. Теория Эйнштейна удовлетворяла этому критерию и была принята.
Пространство и время традиционно рассматривались в науке как основные формы существования материи, ответственные за расположение отдельных элементов материи друг относительно друга и за закономерную координацию сменяющих друг друга явлений.
Характеристиками пространства считались однородность – одинаковость свойств во всех направлениях, и изотропность – независимость свойств от направления. Время также считалось однородным, т. е. любой процесс, в принципе, повторим через некоторый промежуток времени. С этими свойствами связана симметрия мира, которая имеет большое значение для его познания. Пространство рассматривалось как трехмерное, а время как одномерное и идущее в одном направлении – от прошлого к будущему. Время необратимо, но во всех физических законах от перемены знака времени на противоположный ничего не меняется, и, стало быть, физически будущее неотличимо от прошедшего.
В истории науки известны две концепции пространства: пространство неизменное как вместилище материи (взгляд И. Ньютона) и пространство, свойства которого связаны со свойствами тел, находящихся в нем (взгляд Лейбница). В соответствии с теорией относительности любое тело определяет геометрию пространства.
Из специальной теории относительности следует, что расстояние между двумя материальными точками и длительность происходящих в нем процессов являются не абсолютными, а относительными величинами. При приближении к скорости света все процессы в системе замедляются, продольные размеры тела сокращаются и события, одновременные для одного наблюдателя, оказываются разновременными для другого, движущегося относительно него.
Итак, пространство и время – общие формы координации материальных явлений, а не самостоятельно существующие независимо от материи начала бытия.
Найденное А. Эйнштейном объединение принципа относительности Галилея с относительностью одновременности получило название принципа относительности Эйнштейна.
30. ПРОБЛЕМА ПОСТРОЕНИЯ ЕДИНОЙ ТЕОРИИ ПОЛЯ
Единая теория поля – это единая теория материи, призванная свести все многообразие свойств элементарных частиц и их взаимодействий к небольшому числу уникальных принципов. Такая теория еще не построена и рассматривается скорее как стратегия развития физики микромира.
Первым примером объединения различных физических явлений (электромагнитных, световых) принято считать уравнения Максвелла.
В специальной теории относительности свойства пространства и времени рассматриваются без учета гравитационных полей, которые не являются инер-циальными. Общая теория относительности распространяет выводы специальной теории относительности на все, в том числе на неинерциальные системы. Общая теория относительности связала тяготение с электромагнетизмом и механикой. Она заменила ньютонов механистический закон всемирного тяготения на полевой закон тяготения. И здесь физика перешла от вещественной к полевой теории.
