Тема III «Структура материи на уровне микромира и фундаментальные

физические принципы».

Альфа-частица (α-частица) - положительно заряженная частица, образованная двумя

протонами и двумя нейтронами. Идентична ядру атома гелия-4 ( ).

Атом (греч. ἄτομος — ≪неделимый≫) — наименьшая химически неделимая единица

химического элемента, являющаяся носителем его свойств.

Адрон (греч. ἁδρός - ≪крупный≫, ≪массивный≫; термин предложен советским физиком

Л. Б. Окунем в 1962 г.) — класс элементарных частиц, подверженных сильному

взаимодействию; адроны обладают сохраняющимися в процессах сильного

взаимодействия квантовыми числами (≪странностью≫, ≪очарованием≫, ≪красотой≫ и др.).

Апофатизм (греч. αποφατικος - ≪отрицающий≫) — богословский метод, заключающийся

в выражении Божественного путем последовательного отрицания всех возможных Его

определений как несоизмеримых Ему, познание Бога через понимание того, чем Он не

является. В противоположность положительным определениям утверждаются

отрицательные: начиная, например, с таких категорий, как ≪безгрешный≫, ≪бесконечный≫,

≪бессмертный≫ и т.п. Апофатизм в богословии, в отличие от философии не является

оперирующей антиномичными понятиями абстракцией ума, но в первую очередь живое

деятельное богообщение, связанное с очищением сердца, не само Откровение, но лишь

его вместилище.

Барион (греч. βαρύς — ≪тяжелый≫) — семейство элементарных частиц, сильно

взаимодействующие фермионы, состоящие, главным образом, из трех кварков. Барионы

вместе с мезонами (последние состоят из двух кварков) составляют группу элементарных

частиц, участвующих в сильном взаимодействии, и называемых адронами. К основным

барионам относятся (по мере возрастания массы): протон, нейтрон, лямбда-гиперон,

сигма-гиперон, кси-гиперон, омега-гиперон. Масса омега-гиперона (3278 масс электрона)

почти в 1,8 раз больше массы протона.

Бета-распад — тип радиоактивного распада, обусловленного слабым взаимодействием и

изменяющего заряд ядра на единицу. При этом ядро может излучать бета-частицу

(электрон или позитрон). В случае испускания электрона он называется ≪бета-минус≫ (β

− ), а в случае испускания позитрона — ≪бета-плюс-распадом≫ (β + ). Кроме β − и β +

-распадов, к бета-распадам относят также электронный захват, когда ядро захватывает

атомный электрон. Во всех типах бета-распада ядро излучает электронное нейтрино (β +

-распад, электронный захват) или антинейтрино (β − -распад).

544

Бозон (назван в честь выдающегося индийского физика Шатьендраната Бозе) — частица с

целым значением спина. Бозоны, в отличие от фермионов, подчиняются статистике

Бозе — Эйнштейна, которая допускает существование в одном квантовом состоянии

неограниченного количества одинаковых частиц. Системы из многих бозонов

описываются симметричными относительно перестановок частиц волновыми функциями.

Брана (от мембрана) — фундаментальный физический объект (протяженная p-мерная

мембрана, где p — количество пространственных измерений) в теории струн (М-теории).

Материальная точка — это 0-брана, струна — 1-брана, мембрана — 2-брана и т. д.

Волновая функция или пси-функция — фундаментальное понятие квантовой

механики, используемое для описания множества потенциальных состояний квантовой

системы или объекта; числа, заданные в каждой точке пространства и определяющие

вероятность того, что данная частица будет обнаружена в данной точке.

Глюон (англ. gluon от glue — ≪клей≫) — элементарные частицы, являющиеся причиной

взаимодействия кварков, а также косвенно ответственные за соединение протонов и

нейтронов в атомном ядре; квант векторного поля в квантовой хромодинамике; он не

имеет массы; обладает единичным спином.

Гравитационное взаимодействие, гравитация (лат. gravitas — ≪тяжесть≫) —

универсальное фундаментальное взаимодействие между всеми материальными телами. В

приближении малых скоростей и слабого гравитационного взаимодействия описывается

классической теорией тяготения Ньютона, в общем случае описывается общей теорией

относительности Эйнштейна. Гравитация является самым слабым из четырех типов

фундаментальных взаимодействий. В квантовом пределе гравитационное взаимодействие

должно описываться квантовой теорией гравитации, которая в настоящее время

полностью не разработана.

Гравитон - гипотетическая элементарная частица — переносчик гравитационного

взаимодействия без электрического заряда со спином 2 и двумя возможными

направлениями поляризации. Термин ≪гравитон≫ был предложен в 1930-х гг.

Инвариантность - неизменность какой-либо величины при изменении физических

условий, способность не изменяться при определенных преобразованиях. Примеры:

энергия, компоненты импульса и момента импульса в замкнутых системах.

Интерпретации квантовой механики - различные философские воззрения на сущность

квантовой механики как физической теории, описывающей материальный мир.

Квант (лат. quantum — ≪сколько≫) — неделимая порция какой-либо величины в физике,

например, при излучении. В основе понятия лежит представление квантовой механики о

том, что ряд физических величин могут принимать только определенные значения

(говорят, что физическая величина квантуется). В некоторых важных частных случаях

эта величина или шаг ее изменения могут быть только целыми кратными некоторого

фундаментального значения — и последнее называют квантом. Термин ≪квант≫ в

настоящее время имеет в физике довольно ограниченное применение. Иногда его

употребляют для обозначения частиц или квазичастиц, соответствующих бозонным полям

взаимодействия (так, фотон — квант электромагнитного поля, фонон — квант поля

звуковых волн в кристалле, гравитон — гипотетический квант гравитационного поля

и т. д.), также о таких частицах говорят как о ≪квантах возбуждения≫ или просто

545

≪возбуждениях≫ соответствующих полей. Кроме того, по традиции ≪квантом действия≫

иногда называют постоянную Планка. В современном понимании это название может

иметь тот смысл, что постоянная Планка является естественной квантовой единицей

измерения действия и других физических величин такой же размерности (например,

момента импульса).

Квантовая механика - раздел теоретической физики, описывающий квантовые системы и

законы их движения; физические законы, которые действуют в царстве очень малых

объектов.

Квантовое туннелирование или эффект туннелирования - преодоление микрочастицей

потенциального барьера в случае, когда ее полная энергия (остающаяся при

туннелировании неизменной) меньше высоты барьера. Туннельный эффект — явление

исключительно квантовой природы, невозможное и даже полностью противоречащее

классической механике.

Кварк - фундаментальная частица, обладающая дробным положительным или

отрицательным электрическим зарядом (1/3 е или 2/3 е)1105, не наблюдающаяся в

свободном состоянии. Кварки являются точечными частицами вплоть до масштаба

примерно 0,5×10−19 м, что примерно в 20 тысяч раз меньше размера протона. Из кварков

состоят адроны, в частности, протон и нейтрон. В настоящее время известно 6 разных

≪сортов≫ (чаще говорят — ≪ароматов≫) кварков, кроме того, для калибровочного

описания сильного взаимодействия постулируется, что кварки обладают и

дополнительной внутренней характеристикой, называемой ≪цвет≫. Каждому кварку

соответствует антикварк с противоположными квантовыми числами. Гипотеза о том, что

адроны построены из специфических субъединиц, была впервые выдвинута М. Гелл-

Манном и, независимо от него, Дж. Цвейгом в 1964 г. Слово ≪кварк≫ было заимствовано

Гелл-Манном из романа Дж. Джойса ≪Поминки по Финнегану≫, где в одном из эпизодов

звучит фраза ≪Three quarks for Muster Mark!≫ (обычно переводится как ≪Три кварка для

Мастера/Мюстера Марка!≫). Само слово ≪quark≫ в этой фразе предположительно является

звукоподражанием крику морских птиц или означает на немецком сленге что-то в роде

≪чепуха≫.

Копенгагенская интерпретация квантовой механики – толкование квантовой

механики, которое предложили Н. Бор и В. Гейзенберг во время совместной работы в

Копенгагене около 1927 г., основываясь на вероятностной интерпретации состояний

волновой функции, ее ≪коллапсе≫, который неизбежно сопутствует измерению при

взаимодействии наблюдателя с квантовой системой.

Корпускулярно-волновой дуализм – принцип, согласно которому любой объект может

проявлять как волновые, так и корпускулярные свойства. В настоящий момент концепция

корпускулярно-волнового дуализма представляет лишь исторический интерес, т.к.

служила только интерпретацией, способом описать поведение квантовых объектов,

подбирая ему аналогии из классической физики. На деле квантовые объекты не являются

ни классическими волнами, ни классическими частицами, приобретая свойства первых

или вторых лишь в некотором приближении.

«Кот Шрёдингера» — объект мысленного эксперимента, предложенного Э.

Шрёдингером, которым он хотел показать неполноту квантовой механики при переходе от

субатомных систем к макроскопическим.

1105 e – принятый заряд элетрона (-1)

546

Лептон (λεπτός — ≪легкий≫) — фундаментальные частицы с полуцелым спином, не

участвующие в сильном взаимодействии. Все лептоны являются фермионами, т.е. их спин

равен 1/2. Лептоны вместе с кварками (которые участвуют во всех четырех

взаимодействиях, включая сильное) составляют класс фундаментальных фермионов —

частиц, из которых состоит вещество и у которых, насколько это известно, отсутствует

внутренняя структура.

Мезон (греч. μέσος — ≪средний≫) — бозон сильного взаимодействия, составные

(неэлементарные) частицы, состоящие из четного числа кварков и антикварков. К мезонам

относятся пионы (π-мезоны), каоны (K-мезоны) и многие другие более тяжелые мезоны.

Многомировая интерпретация квантовой механики (Many-worlds interpretation) -

интерпретация квантовой механики, предложенная в 1957 г. американским физиком Х.

Эвереттом, которая предполагает существование ≪параллельных вселенных≫, в каждой из

которых действуют одни и те же законы природы и которым свойственны одни и те же

мировые постоянные, но которые находятся в различных состояниях. Многомировая

интерпретация отказывается от недетерминированного коллапса волновой функции,

сопутствующего измерению в копенгагенской интерпретации.

Молекула (лат. molecula, уменьшительное от moles — ≪масса≫) — электрически

нейтральная частица, состоящая из двух или более связанных ковалентными связями

атомов, наименьшая частица химического вещества, обладающая всеми его химическими

свойствами.

Нейтрон (от лат. neuter — ≪ни тот, ни другой≫) — частица, не имеющая электрического

заряда, являющаяся фермионом и принадлежащая к классу барионов. Нейтроны вместе с

протонами входят в состав атомных ядер.

Нуклон (лат. nucleus — ≪ядро≫) — общее название частиц (протонов и нейтронов),

≪слагающих≫ ядра атомов.

Принцип дополнительности - один из важнейших принципов квантовой механики,

сформулированный в 1927 году Н. Бором. Согласно этому принципу, для полного

описания квантовомеханических явлений необходимо применять взаимоисключающие

(≪дополнительные≫) наборы классических понятий, совокупность которых дает

исчерпывающую информацию об этих явлениях как о целостных. Например,

дополнительными в квантовой механике являются пространственно-временная и

энергетически-импульсная картины.

Принцип соотношения неопределенностей (соотношение неопределенностей) —

фундаментальное неравенство, устанавливающее предел точности одновременного

определения пары характеризующих квантовую систему наблюдаемых физических

величин, например, координаты и импульса, тока и напряжения, электрического и

магнитного поля.

Принцип квантовой (когерентной) суперпозиции - существование суперпозиции

(≪наложения≫) альтернативных (взаимоисключающих) состояний, которые не могут быть

реализованы одновременно с классической точки зрения.

Протон (греч. πρῶτος — ≪первый, основной≫) — положительно заряженная частица,

относящаяся к классу барионов и вместе с нейтронами, входящая в состав атомных ядер.

547

Сильное взаимодействие (цветовое взаимодействие, ядерное взаимодействие) — одно

из четырех фундаментальных взаимодействий в физике. В сильном взаимодействии

участвуют кварки, глюоны и состоящие из них частицы, называемые адронами (барионы

и мезоны). Сильное взаимодействие действует в масштабах порядка размера атомного

ядра и менее, отвечая за связь между кварками в адронах и за притяжение между

нуклонами -протонами и нейтронами - в ядрах.

Симметрия (греч. συμμετρία - ≪соразмерность≫, от μετρέω — ≪меряю≫) - в широком

смысле — соответствие, неизменность (инвариантность), проявляемые при каких-либо

изменениях, преобразованиях, например, положения, энергии, информации.

Слабое взаимодействие или слабое ядерное взаимодействие — одно из четырех

фундаментальных взаимодействий в природе. Оно ответственно, в частности, за бета-

распад ядра. Данное взаимодействие называется слабым, поскольку два других

взаимодействия - сильное и электромагнитное, - характеризуются значительно большей

интенсивностью. Однако слабое взаимодействие значительно сильнее первого из

фундаментальных взаимодействий, - гравитационного. Слабое взаимодействие является

короткодействующим — оно проявляется на расстояниях, значительно меньших размера

атомного ядра (характерный радиус взаимодействия 10−18 м). Стандартная модель физики

элементарных частиц описывает электромагнитное взаимодействие и слабое

взаимодействие как разные проявления единого электрослабого взаимодействия, теорию

которого разработали около 1968 г. Глэшоу, Салам и Вайнберг.

Спин (от англ. spin — ≪вертеть[-ся]≫, ≪вращение≫) — собственный момент импульса

элементарных частиц, имеющий квантовую природу и не связанный с перемещением

частицы как целого.

Суперсимметрия или симметрия Ферми—Бозе — гипотетическая симметрия,

связывающая бозоны и фермионы в природе. Абстрактное преобразование

суперсимметрии связывает бозонное и фермионное квантовые поля, так что они могут

превращаться друг в друга. Образно можно сказать, что преобразование суперсимметрии

может переводить вещество во взаимодействие (или в излучение), и наоборот.

Струны (англ. string) — в теории струн бесконечно тонкие одномерные объекты длиной

10−35 м, колебания которых производит все многообразие элементарных частиц. Характер

колебаний струны задает такие свойства материи, как электрический заряд и массу.

Телеологический аргумент (греч. τέλειος - ≪заключительный, совершенный≫ и λόγος —

≪учение≫, ≪наука≫) — богословское обоснование бытия Бога-Творца, основывающееся на

учении о наличии целесообразности в мироздании.

Теория всего (ТВС, ТВ, англ. Theory of everything, TOE) — гипотетическая объединенная

физико-математическая теория, описывающая все известные фундаментальные

взаимодействия.

Теория струн - направление математической физики, изучающее динамику и

взаимодействия не точечных частиц, а одномерных протяженных объектов, т.н. квантовых

струн. Теория струн сочетает в себе идеи квантовой механики и теории относительности,

поэтому на ее основе, возможно, будет построена будущая теория квантовой гравитации.

Фермион — фундаментальные элементарные частицы, из которых складывается

вещество. К фермионам относят, в частности, кварки, электрон, мюон, тау-лептон,

548

нейтрино. Характеризуются полуцелым значением спина. Свое название получили в честь

итальянского физика Э. Ферми.

Фотон (греч. φῶς, φωτός - ≪свет≫) — элементарная безмассовая частица, с нулевым

электрический зарядом, квант электромагнитного излучения (в узком смысле — света),

способная существовать только двигаясь со скоростью света. Фотону как квантовой

частице свойственен корпускулярно-волновой дуализм: он проявляет одновременно

свойства частицы и волны. В связи с тем, что фотоны обозначаются буквой , их часто

называют гамма-квантами. С точки зрения Стандартной модели фотон является

калибровочным бозоном. Виртуальные фотоны являются переносчиками

электромагнитного взаимодействия, обеспечивая взаимодействие, например, между двумя

электрическими зарядами. Фотон — самая распространённая по численности частица во

Вселенной. На один нуклон приходится не менее 20 миллиардов фотонов.

Фрактал (лат. fractus — ≪дробленый≫, ≪сломанный≫, ≪разбитый≫) — сложная

геометрическая фигура, обладающая свойством самоподобия, т.е. состоящая из

нескольких частей, каждая из которых подобна всей фигуре целиком. Огромное

количество самых разнообразных объектов природы обладают фрактальными свойствами,

например, галактики, побережья водоемов, облака, кроны деревьев, снежинки,

кровеносная система и система альвеол организмов. Термин ≪фрактал≫ был введен

французским и американским математиком, создателем фрактальной геометрии Бенуа

Мандельбротом в 1975 г. и получил широкую популярность в связи с выходом в 1977 г.

его книги ≪Фрактальная геометрия природы≫.

Фундаментальные физические взаимодействия — качественно различающиеся типы

взаимодействия элементарных частиц и составленных из них тел. В настоящее время

достоверно известно о существование четырех фундаментальных взаимодействий:

гравитационного, электромагнитного, сильного, слабого, причем электромагнитное и

слабое взаимодействия являются проявлениями единого электрослабого взаимодействия.

Хиральность - (англ. chirality, от греч. χειρ — ≪рука≫) — отсутствие симметрии

относительно правой и левой стороны. Например, если отражение объекта в идеальном

плоском зеркале отличается от самого объекта, то объекту присуща хиральность. Впервые

свойство хиральности обнаружено французским химиком и микробиологом Л. Пастером в

1848 г., исследовавшем различные соли водорастворимых соединений с помощью

рассеяния поляризованного света. Сам термин был предложен в 1884 г. английским

физиком У. Томсоном. Термин ≪хиральность≫ широко используется в стереохимии, в

теории струн, в квантовой физике.

Электромагнитное взаимодействие — одно из четырех фундаментальных

взаимодействий, существующее между частицами, обладающими электрическим зарядом.

Эпистемология (греч. ἐπιστήμη — ≪умение≫, ≪знание≫, и λόγος — ≪учение≫, ≪наука≫) —

теория познания, особый раздел философии. Термин ≪эпистемология≫ был введен и

активно применяется в англо-американской философии XX в., в отличие от понятия

≪гносеология≫ (греч. γνῶσις — ≪знание≫), характерного для немецкой философии в. В

отечественной философии XIX - первой половины XX вв. преобладал термин

≪гносеология≫, а со второй половины XX в. доминирует понятие ≪эпистемология≫.