3.2. Структуры микромира

В истории физики наиболее плодотворной и важной для понимания явлений природы была концепция атомизма, согласно которой материя имеет прерывистое, дискретное строение, т.е. состоит из мельчайших частиц – атомов.

История развития атомистической гипотезы строения вещества

Концепция атомизма впервые была предложена древнегреческим философом Левкиппом (V в. до н.э.), развита его учеником Демокритом (IV в. до н.э.) и затем древнегреческим философом – материалистом Эпикуром (341-270 гг. до н.э.). Она запечатлена в поэме «О природе вещей» римского поэта и философа Лукреция Кара (I в. до н.э.). Они высказали предположение, что в природе не существует ничего, кроме атомов и пустоты. Атомы отличны лишь по форме, но качественных различий между ними нет. Различиями атомов и особенностями их движения объяснилось многообразие свойств материальных объектов. В эпоху средневековья атомистические представления дальнейшего развития не получили.

Возрождение атомизма началось в XVII в. с появлением трудов И. Ньютона, считавшего, что все тела состоят из «имеющих массу, крепких, непроницаемых, движущихся частичек», т.е. атомов. Он высказал ряд существенных положений о строении вещества, кристаллической структуре твердых тел, силах межмолекулярного взаимодействия.

Неоценимый вклад в дальнейшее развитие теории атомизма в XVIII в. внес М.В. Ломоносов (1711-1765). Он считал, что все тела состоят из мельчайших частиц – элементов. Наряду с элементами существуют более крупные частицы – корпускулы. Корпускулы есть собрание элементов, образующих одну малую массу. Корпускулы однородны, если состоят из одинакового числа одних и тех же элементов, соединенных одинаковым образом, и разнородны, когда элементы соединены по-разному. При этом причиной различия веществ М.В. Ломоносов считал не только различия в составе корпускул, но и различия внутри элементов, от чего зависит бесконечное разнообразие тел. Корпускула М.В. Ломоносова не что иное, как молекула.

Однако до конца XIX в. гипотеза атомного строения вещества считалась умозрительной, хотя и подтверждаемой косвенно некоторыми экспериментальными данными (например, броуновским движением). Многие ведущие физики и химики не верили в реальность существования атомов. К тому же многие экспериментальные данные свидетельствовали в пользу понятия «молекула». В каком соотношении находятся между собой атомы и молекулы? Насколько те и другие малы? Действительно ли они существуют? Только в начале XX в. были получены ответы на эти вопросы. Реальное существование молекул было окончательно подтверждено в 1906 г. опытами французского физика Ж. Перрена (1870-1942) при изучении закономерностей броуновского движения. В современном понимании молекула – наименьшая частица вещества, обладающая его основными химическими свойствами и состоящая из атомов, соединенных между собой химическими связями. Число атомов в молекуле составляет от 2 (Н₂, О₂, HF, KCL) до сотен и тысяч (витамины, гормоны, белки). Такие молекулы называют макромолекулами.

Известно, что атом в переводе с греческого означает «неделимый». Однако в 1897 г. Д. Томсон (1856-1940) обнаружил электрон и доказал делимость атома. В 1898 г. он определил заряд электрона, а в 1903 г. предложил одну из первых моделей атома. Модель атома Д. Томсона напоминала «кекс», т.е. равномерно распределенные отрицательные и положительные заряды, которые составляли электрически нейтральный атом. Масса электрона по его расчетам 1/1836 массы положительно заряженной частицы. Но эта модель атома оказалась не верной.

В 1911 г. Э. Резерфорд (1871-1937) установил, что каждый атом состоит из ядра и окружающих его электронов, и предложил модель атома по типу планетарной солнечной системы. Планетарная модель атома, по Э. Резерфорду, представляла собой ядро, которое обладает массой, положительным зарядом и размером 10^-13 см. Вокруг ядра вращаются отрицательно заряженные электроны, образующие электронную оболочку диаметром около 10^-8 см.

Наряду с силами тяготения в атоме преобладают электрические силы. Э. Резерфорд считал, что согласно законам электродинамики электрон, вращаясь вокруг ядра, постепенно теряет энергию и в конечном итоге падает на ядро. Но известно, что атомы могут существовать сколько угодно долго. Кроме того, в этом случае спектр излучения атома должен быть непрерывным, так как электрон, приближаясь к ядру, постепенно меняет свою скорость, т.е. частоту вращения. Опыт же показывает, что атомы излучают свет только дискретных частот (линейчатый спектр). Поэтому планетарная модель атома Э. Резерфорда оказалась несовместимой с электродинамикой Дж.К. Максвелла.

В 1913 г. Н. Бор (1882-1970) предложил свою модель атома, сформулировав следующие постулаты:

- в каждом атоме существует несколько круговых стационарных орбит, двигаясь по которым электрон не излучает (рис. 7);

Рис. 7. Электронные оболочки атома, где п – порядковый номер

- при переходе электрона из одного стационарного состояния в другое наблюдается излучение или поглощение энергии, равное разности энергий между этими состояниями (рис. 8).

Рис. 8. Пояснение к постулатам Бора

Постулаты Н. Бора объясняют устойчивость атомов, поскольку находящиеся в стационарных состояниях электроны без внешней на то причины не излучают. Кроме того, различные порции (кванты) излучаемой энергии определяют линейчатые спектры отдельно взятого атома.

Немецкий физик и математик А. Зоммерфельд (1868-1954) высказал мысль, что орбиты не обязательно должны быть круговыми, могут быть эллиптическими (рис. 9).

Рис. 9. Модель атома

В 1919 г. в составе ядра были обнаружены протоны, а в 1932 г. – нейтроны, которые были названы нуклонами, из которых и состоит атомное ядро. 1932 г. можно считать рождением ядерной физики.

Теория атома Н. Бора позволила дать точное описание атома водорода, состоящего из 1 протона и 1 электрона, достаточно хорошо согласующееся с экспериментальными данными. Но распространение этой теории на многоэлектронные атомы и молекулы столкнулось с непреодолимыми трудностями. Чем подробнее теоретическая физика пыталась описать движение электронов в атоме, определив их орбиты, тем большим было расхождение теории с практикой. Оно оказалось связано с наличием у электрона волновых свойств. По этим представлениям электрон не является точкой или твердым шариком, его можно рассматривать как волну определенной длины (волну де Бройля). Точно описать структуру атома на основании представления об орбитах точечных электронов принципиально невозможно, поскольку таких орбит в действительности не существует. Вследствие своей волновой природы электроны и их заряды как бы размыты по атому таким образом, что в некоторых точках усредненная по времени электронная плотность заряда больше, а в других меньше.

Размеры ядер атомов всех элементов порядка 10^-15-10^-14 м, что в десятки тысяч раз меньше размеров атомов. Плотность ядерного вещества достигает 10¹⁴ г/см³.

Элементарные частицы

Проблема поиска «первокирпичиков» окружающего мира занимала ученых и философов со времен античности. Во второй половине XX столетия благодаря использованию современной экспериментальной техники, прежде всего мощным ускорителям, в которых создаются условия высоких энергий и околосветовых скоростей, было установлено существование 380 элементарных частиц.

Элементарными называют такие частицы, которые на современном уровне развития науки нельзя считать результатом соединения других, более простых частиц.

В настоящее время элементарные частицы делятся на 2 группы.

1. Адроны – частицы, участвующие в сильном взаимодействии. К ним относятся:

- барионы (греч. baros – тяжелый) – частицы с равным единице барионным числом. Все барионы являются адронами и имеют полуцелый спин – это нуклоны (протон и нейтрон), антипротон и антинейтрон, гипероны, очарованные барионы, а также барионные резонансы. Все барионы нестабильны и в свободном состоянии распадаются в конечном итоге на протоны.

- мезоны – нестабильные элементарные частицы с нулевым или целым спином, не имеющие барионного заряда. К мезонам относятся -мезоны, К-мезоны и некоторые резонансы. Мезоны являются переносчиками ядерных сил;

- резонансы – резонансные частицы, которые могут распадаться за счет сильного взаимодействия и поэтому имеют крайне малое время жизни 10^-24 с;

Лептоны (греч. leptos – легкий) – группа элементарных частиц, обладающих только слабым взаимодействием и (при наличии электрического заряда) электромагнитным взаимодействием. Все лептоны имеют спин ½. К ним относятся:

электрон, мюон, тау-лептон, три разновидности нейтрино: электронное, мюонное, тау-нейтрино и их античастицы. Нейтрино-стабильная незаряженная частица со спином ½ и близкой к нулю массой. Нейтрино участвуют только в слабых и гравитационных взаимодействиях и поэтому чрезвычайно слабо взаимодействуют с веществом. Электронное нейтрино всегда выступает в паре с электроном или позитроном, мюонное нейтрино – в паре с мюоном, тау-нейтрино – с тяжелым лептоном. Каждый тип нейтрино имеет свою античастицу.

Сейчас лишь лептоны считаются истинно элементарными частицами, так как пока нет ни теоретических, ни экспериментальных данных, которые свидетельствовали о наличии у них какой – либо тонкой структуры.

Основа классификации элементарных частиц: масса, время жизни, заряд, спин, квантовые числа.

По массе частицы объединены в группы:

легкие – лептоны – электрон и нейтрино;

средние – мезоны;

тяжелые – адроны (барионы) – протон, нейтрон, гиперон.

Отдельно выделяют фотоны – частицы света с массой покоя, равной нулю.

По времени жизни частицы делятся на:

стабильные – фотон, 2 разновидности нейтрино, электрон и протон;

нестабильные – все остальные.

Нестабильные короткоживущие – резонансы (время жизни меньше 10^-22 с).

По заряду:

заряд – это характеристика частицы, отражающая ее участие в одном из фундаментальных взаимодействий. Соответственно, всего может быть четыре типа заряда: слабый, электромагнитный, гравитационный, цветовой (сильный).

Электрический (электромагнитный) заряд – одна из тех характеристик элементарных частиц, которая противоположна для пары частица – античастица, поэтому он может быть положительным и отрицательным. У электрона электрический заряд -1, а у позитрона – +1.

Слабый заряд отвечает за участие частиц в взаимопревращении, т.е. в слабом взаимодействии. Большинство частиц имеют слабый заряд, равный либо +1/2, либо -1/2, однако такие частицы, как фотоны и глюоны, не имеют слабого заряда (т.е. он равен нулю). Так, u-кварк имеет слабый заряд +1/2, а d-кварк -1/2, фотон – 0.

Гравитационный, или инертный, заряд является физической величиной по своей логике аналогичной электрическому заряду. Это свойство, определяющее степень участия тела в гравитационном взаимодействии. В современной физике понятия гравитационного заряда не существует, так как согласно принципу эквивалентности эта величина всегда тождественна инертной массе. Однако полевая физика доказывает, что гравитационные заряды и инертные массы тел оказываются равными друг другу только в отдельных случаях, например, в земных условиях, однако в общем случае принцип эквивалентности не верен. Это обстоятельство и приводит к возникновению гравитационного заряда, созвучного понятиям гравитационная масса или тяжелая масса, возникшим еще во времена Ньютона. Разумеется, что в обычных классических условиях разница между инертной массой и гравитационным зарядом, как правило, не заметна. Существенное различие этих величин возникает либо в космических масштабах, либо в микромире. Это те условия, в которых без понятия гравитационного заряда не обойтись. В частности, пользуясь понятием гравитационного заряда, полевая физика позволяет объяснить ряд космических аномалий, в частности, аномальное смещение перигелия Меркурия и отклонение космических зондов от расчетных траекторий. В космологическом масштабе использование гравитационного заряда, не совпадающего с инертной массой, позволяет объяснить структуру нашей Галактики и распределение скоростей звездных систем без гипотезы существования темной материи. Также полевая физика позволяет рассчитать гравитационный заряд нашей Галактики.

Существенное отличие гравитационного заряда от инертной массы показывает, что могут существовать объекты с отрицательным гравитационным зарядом, но с положительной инертной массой, как и наоборот, что открывает принципиальную возможность для получения гравитационного отталкивания – антигравитации. Полевая физика даже позволяет рассчитать условия, при которых это становится возможным.

Цветовой (сильный) заряд. Отличительной чертой сильного заряда является то, что по модулю он всегда равен единице для кварков и нулю для всех остальных частиц (кроме глюонов), однако он имеет три степени свободы по знаку (у остальных зарядов степеней свободы всего две «+» и «-»). Из-за сложности описания такого заряда принято говорить, что кварк имеет красный, синий и зеленый цвет. Есть также три антизаряда: не – красный, не – синий, не – зеленый. Известно, что кварки не могут находиться в свободном состоянии. Таким образом, сумма кварков, из которых состоит любая частица, всегда должна создавать белый цвет (т.е. численно быть равной нулю). Например, мезон может строиться из u-кварка и u-антикварка, цветные заряды которых, соответственно, могут быть равны красному и некрасному. В протоне же, состоящем из трех кварков, каждый кварк имеет цветовой заряд: либо красный, либо синий, либо зеленый, так что в сумме они дают белый цвет.

Спин – собственный момент количества движения микрочастицы (прил. 13). Исходя из значения спина все частицы делят на фермионы, имеющие полуцелый спин и бозоны с нулевым или целочисленным спином. К фермионам относится множество частиц, среди которых электроны, протоны, нейтроны. Все эти частицы обладают свойством, имеющим характер закона – частицы с полуцелым спином могут находиться вместе лишь при условии, что их физические состояния (вся совокупность характеризующих частицу параметров) не одинаковы. Этот закон в квантовой механике называется запретом Паули. Поля фермионов всегда остаются квантованными, и в классическом пределе они переходят в частицы. Электрон, протон, нейтрон выступают как истинные частицы, хотя и обладают волновыми свойствами. В настоящее время вещество рассматривают как совокупность устойчивых фермионных структур: кварки – нуклоны – атомные ядра – атомы с их электронными оболочками.

Бозоны (бозе-частицы) могут находиться вместе в любом количестве. Один из представителей бозонных частиц фотон (спин = 1) в классическом пределе становится классическим электромагнитным полем. Элементарные бозоны являются переносчиками всех видов фундаментальных взаимодействий, каждому из которых соответствует свой вид бозона:

гравитационному – гравитон;

электромагнитному – фотон;

ядерному – глюон;

слабому – тяжелый бозон (W-бозон, или векторный).

Существование фермионов и бозонов создает важнейшую предпосылку для проявлений привычного для нас макромира, состоящего из атомного вещества (фермионов) и излучений (бозонов).

Квантовые числа выражают состояние элементарных частиц. Адроны обладают сохраняющимися в процессах сильного взаимодействия квантовыми числами: странностью, очарованием, красотой и др. Странность потому и названа «странностью», что физики впервые столкнулись с не сохраняющимся квантовым числом. Однако закономерность есть и здесь: так, странность не может меняться в каждом взаимодействии больше, чем на единицу.

Кварковая модель адронов

В 1964 г. американские физики М. Гелл-Манн (г.р. 1929) и Дж. Цвейг (г.р. 1937) высказали гипотезу о том, что все адроны построены из более фундаментальных первичных частичек кварков. Эксперименты по глубокому с большей отдачей импульса рассеиванию электронов на протонах показали, что внутри протонов имеются области отрицательного заряда. Вскоре стало ясно, что это фундаментальные частицы – кварки.

• Расчеты показали, что кварки имеют дробный заряд (-1/3 или +2/3 электрона).

• Каждый кварк имеет антикварк. На сегодняшний день известно 12 кварков – 6 кварков и 6 антикварков.

• Кварки и антикварки группируются по 2 либо 3 частицы, образуя адроны (например, протон состоит из 2 U-кварков и одного d-кварка, нейтрон – из одного U-кварка и 2 d-кварков, мезоны – из кварка и антикварка). В современных условиях вне адронов они существовать не могут. Это принципиальное свойство вещества на данном микроуровне.

• Каждый тип кварка имеет аромат. Он обозначает квантовое число, приписываемое частицам данного типа. Аромат обозначается первыми буквами английских слов – up – «верхний», down – «нижний», strange – «странный», charmed – «очарованный», beauty – «прелестный», truth – «истинный» (u, d, s, c, b, t).

• Переносчиками сильного взаимодействия между кварками являются глюоны (греч. glue – клей). Они «склеивают» их в адроны. Глюоны – нейтральные частицы со спином 1 и нулевой массой, обладающие специфическим цветовым зарядом (цветом).

• В настоящее время установлено, что источником сильных взаимодействий является цветовой заряд кварков, который создает глюонные поля (частицы которых, в свою очередь, имеют цветовой заряд). С уменьшением расстояний, на которых происходит взаимодействие, цветовой заряд уменьшается в отличие от электрического, который при этом растет. Это свойство цветового заряда указывает, с одной стороны, пути для объяснения пленения кварков и глюонов, а с другой, – на возможность того, что электрический и цветовой заряды на очень маленьких расстояниях (порядка 10^-29 см) становятся равнозначными (равновеликими). Это наводит на мысль, что электрослабые и сильные взаимодействия имеют общую природу. Великое Объединение всех калибровочных полей (то есть всех сил Природы, включая гравитацию) является путеводной звездой современной физики.

• Раздел физики, изучающий кварки, получил название квантовой хромодинамики.

Современное строение атома

Достижения в области исследования элементарных частиц способствовали дальнейшему развитию концепции атомизма. В настоящее время считается, что среди множества элементарных частиц можно выделить 12 фундаментальных частиц и столько же античастиц. Шесть частиц – это кварки с экзотическими названиями, остальные шесть – лептоны: электрон, мюон, тау – частица и соответствующее им нейтрино. Эти 12 частиц группируются в три поколения, каждое из которых состоит их четырех членов.

В первом поколении – «верхний» и «нижний» кварки, электрон и электронное нейтрино.

Во втором поколении – «очарованный» и «странный» кварки, мюон и мюонное нейтрино.

В третьем поколении – «истинный» и «прелестный» кварки и тау – частицы со своим нейтрино.

Обычное вещество состоит из частиц первого поколения. Предполагается, что остальные поколения можно создавать искусственно на ускорителях заряженных частиц. На основе кварковой модели физики разработали простое и изящное решение проблемы строения атомов. Каждый атом состоит из тяжелого ядра (сильно связанных глюонными полями протонов и нейтронов) и электронной оболочки. Число протонов в ядре равно порядковому номеру элемента в Периодической таблице элементов Д.И. Менделеева. Протон имеет положительный электрический заряд, массу в 1836 раз больше массы электрона, размеры порядка 10^-13. Электрический заряд равен нулю. Протон, согласно кварковой гипотезе, состоит, из двух «верхних» кварков и одного «нижнего», а нейтрон – из одного «верхнего» и двух «нижних» кварков. Их нельзя представить в виде твердого шарика, скорее, они напоминают облако с размытыми границами, состоящее из рождающихся и исчезающих виртуальных частиц.

Частица и античастица

В 1928 г. английский физик П. Дирак (1902-1984) предсказал возможность аннигиляции (от позднелатинского annihilation – взаимоуничтожение, исчезновение) пары: частица – античастица как одного из видов взаимопревращения элементарных частиц на основе квантовомеханической релятивистской теории электрона. В 1932 г. в космических лучах были обнаружены первые античастицы – позитроны (античастицы электронов), а в 1933 г. зарегистрированы случаи аннигиляции пар электрон – позитрон.

При столкновении частица и античастица аннигилируют с выделением фотонов (вещество переходит в излучение). В результате взаимодействий фотонов также могут рождаться пары «частица – античастица». Почти все частицы, кроме фотона и 2 мезонов, имеют соответствующие античастицы. Античастицы – элементарные частицы, имеющие то же значение масс, спинов и других физических характеристик, что и их «двойники» – «частицы», но отличающиеся от них знаками некоторых характеристик взаимодействия (зарядами).

Виртуальные частицы

Согласно современным представлениям, вакуум – это система огромного количества виртуальных частиц. О существовании виртуальных (возможных) можно судить лишь опосредованно, по некоторым их проявлениям через какие-либо вторичные эффекты. Они порождают известные элементарные частицы, структура которых описывается посредством непрерывно возникающих и снова распадающихся «виртуальных частиц». Например, мезон строится из виртуального нуклона и антинуклона, которые в процессе аннигиляции (уничтожения) непрерывно исчезают, а затем вновь образуются. Физическое поле рассматривается как совокупность реальных (их можно зафиксировать с помощью приборов) и виртуальных частиц.

Согласно квантовой теории поля, все взаимодействия осуществляются благодаря обмену виртуальными частицами. В уравнениях, описывающих взаимодействия, они есть, но экспериментально их наличие в этих взаимодействиях пока никто не зафиксировал.

Сегодня в микромире выделяют 4 уровня вещества: молекулярный, атомный, нуклонный, кварковый.

Сейчас физики пытаются найти прачастицы материи (суперструнный уровень), порождающие огромное количество элементарных частиц.

Физический вакуум

Новые представления о структуре материи и объединении взаимодействий ученые связывают с динамическим (физическим) вакуумом. По классическим представлениям вакуум – это абсолютная пустота. Но такого не бывает. Отсутствие вещества еще не означает отсутствие поля. Современная наука трактует вакуум как состояние материи с наименьшей энергией при отсутствии вещества или как невозбужденное состояние поля.

В современной физике считается, что вакуум выполняет роль фундаментальной основы мира, представляющий универсальную среду, пронизывающую все пространство. Физический вакуум – это такая непрерывная среда, в которой нет ни частиц вещества, ни поля, и вместе с тем он является физическим объектом, а не лишенным всяких свойств «ничто». Непосредственно физический вакуум не наблюдается, в экспериментах он лишь проявляется через свои свойства. Физический вакуум – наинизшее по энергии состояние физических полей, в котором отсутствуют реальные частицы.

С другой стороны, физический вакуум – это пространство, заполненное случайно возникающими и исчезающими виртуальными частицами, число которых тоже случайно. Наличие виртуальных частиц оказывает влияние на поведение реальных, причем, чем легче частица, тем большее значение для нее имеет вакуум. В ядерном веществе влияние виртуальных частиц играет существенную роль. А на уровне кварков действие физического вакуума является решающим. Ученые полагают, что невозможность существования свободных кварков, по всей вероятности, связана именно с колоссальными изменениями, которые одиночный кварк вызывает в вакууме.

Глюонное поле кварка выталкивается вакуумом так же, как это происходит с магнитным полем в сверхпроводнике. В результате поле кварка сжимается в трубку, которая для свободного кварка имеет бесконечную протяженность и несет бесконечную энергию. Поэтому кварки и не могут существовать в свободном состоянии.

На сверхмалых расстояниях свойства вакуума еще более загадочны. Неожиданно возникает связь квантовых эффектов с гравитационными. Сверхтяжелые виртуальные частицы создают вокруг себя заметное гравитационное поле, которое начинает искажать геометрию пространства.

Некоторые ученые полагают, что физический вакуум и есть та праматерия, которая в определенных, неизвестных пока нам условиях способна порождать стабильные элементарные частицы и легкие атомы, давая начало тем объектам, которые воспринимаются нашими органами чувств.

Исходя из того, что физический вакуум – это динамическая система, обладающая интенсивными флуктуациями (случайное отклонение системы от равновесного положения), физики полагают, что вакуум является источником материи и энергии как уже реализованных во Вселенной, так и находящихся в скрытом состоянии.