СОВРЕМЕННАЯ ФИЗИЧЕСКАЯ КАРТИНА МИРА

СОВРЕМЕННАЯ ФИЗИЧЕСКАЯ КАРТИНА МИРА


Успехи физики последних десятилетий позволяют представить, из чего устроен и по каким законам развивается окружающий нас мир. Основными действующими лицами всего происходящего вокруг нас являются две группы квантовых объектов, проявляющие в различных физических экспериментах дополнительные корпускулярно-волновые свойства. В дальнейшем для краткости мы будем называть их частицами. В одну группу входят частицы-участники фундаментальных взаимодействий; в другую — частицы-переносчики фундаментальных взаимодействий. Всего известно четыре вида фундаментальных взаимодействий: гравитационное, слабое, электромагнитное и сильное. К участникам взаимодействий относятся три поколения лептонов и кварков. Все они являются частицами с полуцелым спином, т. е. фермионами. Каждому лептону соответствует свой антилептон; каждый кварк соответствующего аромата может находиться в трех состояниях, отличающихся своим цветом. Каждому из восемнадцати разноцветных и разноароматных кварков соответствует антикварк. Таким образом, группа участников взаимодействий включает 48 различных частиц, которые и образуют фундаментальные частицы—строительные элементы Природы. Взаимодействия между этими частицами осуществляются другими частицами — переносчиками взаимодействий. Все переносчики взаимодействий — частицы с целочисленным спином, т. е. относятся к бозонам. Гравитационное взаимодействие обеспечивается за счет обмена авитона — частицы, являющейся квантом гравитационного поля излучения. Гравитон пока еще не открыт, но физики с оптимизмом ожидают этого события в обозримом будущем. Слабое взаимодействие происходит за счет обмена так называемых векторных бозонов: Z0 -, W*- и W -бозонов. Эти частицы были открыты в 70-х гг. XX столетия. Массы этих частиц составляют около 100 масс протона. Электромагнитное взаимодействие переносится фотонами — квантами электромагнитного поля. Сильное взаимодействие переносится глюонами, которые, подобно фотонам, представляют собой безмассовые частицы. Из фундаментальных частиц можно «построить» весь мир. Теперь, .используя наши знания о различных структурных уровнях организации окружающего мира, можно мысленно пройтись по всем этажам величественного здания Природы. Итак, на первом этаже находятся 48 фундаментальных частиц. Этажом выше располагаются частицы, составленные из кварков различных ароматов и цветов. Здесь находятся мезоны, бари-оны, нуклоны, странные частицы, очарованные частицы, гипероны, резонансы и другие частицы с экзотическими названиями. Общее число частиц, составленных из кварков, составляет свыше 300. На следующем этаже располагаются всевозможные ядра, состоящие из нуклонов, взаимодействие между которыми обеспечивается обменом как 7г-мезонов, так и других, более массивных мезонов. Число ядер соответствует числу химических элементов и их изотопов и в настоящее время превышает 2000. Следующий этаж занимают атомы, состоящие из ядер и лепто-нов, обменные силы между которыми обеспечиваются фотонами. Около ядра находятся в атомах, как правило, электроны, но известны так называемые мезоатомы, в которых электроны заменены мезонами. Количество атомов в природе соответствует количеству ядер. На следующем этаже находятся молекулы, общее число которых значительно больше числа атомов и составляет свыше 10 млн. Число молекул постоянно возрастает за счет синтеза человеком новых молекул. Следующий этаж занимают вещества в различных агрегатных состояниях: газообразном, жидком и твердом. Здесь мы находим газ и пар, аморфные тела, жидкости и кристаллы, металлы, полупроводники и диэлектрики, квазикристаллы и жидкие кристаллы, ферриты и электреты и многое другое, без чего современная цивилизация просто не могла бы существовать. На следующем этаже располагаются различные физические тела, размеры которых гораздо больше молекулярных, но меньше астрономических объектов. К их числу можно отнести камни, метеориты, ядра комет, газ в комнате, воду в стакане и т. д. Следующие этажи занимают: планеты, звезды, скопления звезд, галактики, скопления галактик, туманности, Вселенная. Каждый уровень природной организации материи, начиная от микрообъектов и заканчивая Вселенной в целом, характеризуется своей энергией связи между элементами, входящими в физические системы этого уровня. На рисунке 144 приведены графики зависимости энергии взаимодействия между структурными элементами каждого уровня. Превышение энергии внешнего воздействия над энергией связи между элементами данного уровня приводит к «вскрытию» более глубокого уровня по шкале энергий. В настоящее время для описания свойств физических систем каждого уровня разработана своя физическая теория. Для описания поведения частиц на первых двух этажах применяется квантовая хромодинамика. Электромагнитные взаимодействия квантовых частиц описывает квантовая электродинамика. Свойства ядер изучает ядерная физика, атомов — атомная физика. Область молекулярной физики — это молекулы и вещество в различных агрегатных состояниях. Изучением свойств электромагнитных полей занимается электродинамика. Изучение взаимодействия макроскопических тел составляет круг интересов механики, специальной теории относительности. Общая теория относительности и астрофизика занимаются изучением астрономических объектов и свойств Вселенной в целом. Достижения в области изучения квантовых объектов позволили понять ограниченность классического описания природы, сменить стиль мышления, перейти от однозначной лапла-совской причинности к вероятностному описанию физических событий. Физика первая из естественных наук сформулировала ряд эвристических принципов, которые являются общими для любого научного исследования и в этом смысле могут считаться философскими принципами. К их числу можно отнести принцип причинности, принцип относительности, принципы сохранения, принцип инвариантности, принцип дополнительности, принцип соответствия, принцип -неопределенности, принцип наименьшего действия, принцип симметрии и др. Достижения физики существенно повлияли на культуру человечества, привели к созданию таких устройств и технологий, без которых трудно себе представить современный мир человека. Достаточно упомянуть современную энергетику, основанную на достижениях ядерной физики и электродинамики; технологию связи, основанную на достижениях теории электромагнитных волн и физики твердого тела; космическую технику, использующую всю мощь классической механики и современной вычислительной техники, чтобы убедиться в уникальных возможностях науки. Сейчас, в начале XXI в., мы ожидаем новых удивительных открытий, которые будут не менее интересными, чем открытия XX в. ? Вопросы 1. Что характерно для современной физической картины мира? 2. Какие основные уровни организации материи характерны для окружающего мира? 3. Как повлияли достижения физики на мировоззрение людей? 4. Что изменила физика в жизни людей?