Естественнонаучная картина мира

2) адроны (греч. adros – крупный, массивный), подразделяющиеся на:

а) мезоны (греч. mesos – средний) – это, к примеру, пионы и каоны;

б) барионы (греч. barys – тяжелый), из них самыми известными широкой общественности являются протоны и нейтроны.

Существуют также особого рода «промежуточные бозоны», имеющие массу, – речь идет о W- и Z-бозонах.

Все известные частицы обладают положительным, отрицательным или нулевым электрическим зарядом. Каждой частице, кроме фотона и двух мезонов, соответствуют античастицы с противоположным зарядом, образующие антиматерию. Если частица материи и соответствующая ей частица антиматерии сталкиваются, то происходит огромный выброс энергии, а сами частицы преобразуются в какие-либо другие частицы. Это явление физики называют аннигиляцией. Например, результатом столкновения электрона и позитрона (антиэлектрона) может стать появление двух или трех фотонов.

По времени жизни элементарные частицы делятся на стабильные (те, для которых в настоящее время распады не обнаружены) и нестабильные (те, которые самопроизвольно распадаются за определенные промежутки времени). Стабильных частиц пять: фотон, две разновидности нейтрино, электрон и протон. Именно они играют важнейшую роль в структуре макротел. Все остальные частицы нестабильны. Они существуют, начиная с около 10

с и до приблизительно 15 минут (например, свободный, то есть находящийся вне ядра атома, нейтрон распадается за 880,0 ± 0,9 с – это около 14,7 мин.), после чего распадаются. Причем, элементарные частицы со средним временем жизни 10

 – 10

с называются резонансами. Вследствие краткого времени существования они распадаются еще до того, как успеют покинуть атом или атомное ядро.

По величине спина (собственный момент импульса элементарной частицы) выделяют бозоны (частицы с целым спином, например: фотон, глюон, мезоны, бозон Хиггса) и фермионы (частицы с полуцелым спином, например: электрон, протон, нейтрон, нейтрино).

Кроме того, все элементарные частицы разделяются на составные – имеющие структуру (все адроны) и фундаментальные – бесструктурные, те, которые современной науке не удалось описать как составные. К последним относятся как уже известные нам лептоны, так и те «кирпичики», из которых состоят адроны. Называются эти «кирпичики» кварками (термин позаимствован из романа Дж. Джойса «Поминки по Финнегану»), и уникальны они тем, что, во-первых, обладают дробным электрическим зарядом (2/3 заряда протона или 1/3 заряда электрона), а во-вторых, не способны находиться в свободном состоянии – их невозможно отделить друг от друга. Этот феномен получил название «пленение» или «заточение» кварков. А о том, что кварки реально существуют, можно судить только по свойствам адронов, в состав которых они входят. Современная наука предсказывает три группы кварков: первая группа включает в себя верхний (протонный) и нижний (нейтронный) кварки, и именно из них состоят единственные по-настоящему «долгоживущие» адроны – протон и нейтрон; вторая группа представлена странным и очарованным кварками; и наконец, третью группу образуют красивый и истинный кварки. Существование почти всех частиц, состоящих из различных комбинаций кварков, уже подтверждено экспериментально.

К фундаментальным частицам относятся также и так называемые калибровочные бозоны – частицы, являющиеся переносчиками фундаментальных взаимодействий, то есть тех взаимодействий, которые лежат в основе всех явлений, всех процессов, происходящих в природе. Современная наука выделяет следующие их виды: сильное, слабое, электромагнитное и гравитационное взаимодействие. А все элементарные частицы в этой связи разделяются на те, которые участвуют в этих взаимодействиях, и те, которые участвуют в некоторых из них.

Сильное взаимодействие проявляется только в микромире, происходит на уровне атомных ядер и представляет собой взаимное притяжение и отталкивание их составных частей. Оно действует на расстоянии около 10

см. Сильное взаимодействие очень прочно связывает частицы, в результате чего возникают ядра атомов – наиболее прочные объекты в природе. В этом взаимодействии участвуют все виды кварков, а значит, и все адроны, а носителями его являются такие калибровочные бозоны, как глюоны.

Слабое взаимодействие, как и сильное, проявляется только в микромире. Оно действует на расстоянии от 10

до 10

см и связано, главным образом, с распадом частиц. По современным представлениям большинство частиц нестабильно именно из-за слабого взаимодействия. «Участниками» этого взаимодействия являются и кварки, и лептоны, а переносится оно W- и Z-бозонами.

Электромагнитное взаимодействие, в отличие от сильного и слабого, проявляется и в микромире, и в макромире, и в мегамире, оно играет решающую роль в структуре макромира. Это взаимодействие в тысячу раз слабее сильного, но действует на огромных расстояниях. В результате него электроны и атомные ядра соединяются в атомы, атомы – в молекулы, молекулы – в макротела и т. д. В этом взаимодействии участвуют почти все фундаментальные частицы (кроме нейтрино), а переносят его фотоны.

Гравитационное взаимодействие настолько мало, что, по сути, не проявляется в микромире. Оно проявляется в макромире и, особенно, в мегамире, играя первостепенную роль в структуре последнего. Это взаимодействие не учитывается в теории элементарных частиц. Хотя некоторые ученые предполагают, что есть в природе частицы – носители данного типа взаимодействия – гипотетические гравитоны. Но экспериментально их реальное существование современной наукой не подтверждено. В космических масштабах гравитационное взаимодействие имеет решающее значение, так как представляет собой не что иное, как всемирное тяготение (взаимное притяжение огромных космических объектов). Расстояние, на котором оно действует, неограниченно.

Рассмотренная выше модель устройства и функционирования мира атомов и субатомных частиц получила название стандартной модели. На сегодняшний день эта концепция является наилучшим образом отражающей наши представления о базовом материале, из которого построена Вселенная. Она же описывает, как именно материальные объекты образуются из этих фундаментальных компонентов, а также силы и механизмы взаимодействия между ними. Формирование стандартной модели на теоретическом уровне завершилось в середине 80-х гг. прошлого столетия после экспериментального подтверждения существования W- и Z-бозонов, а обнаружение летом 2012 г. бозона Хиггса завершило поиск предсказанных ею элементарных частиц.

§ 3. На пороге новой естественнонаучной парадигмы: возможна ли теория Великого объединения?

Как мы уже знаем, в XX в. все фундаментальные физические законы были сведены в две грандиозные теории: общую теорию относительности Эйнштейна, описывающую явления и процессы, происходящие в мегамире, и квантовую теорию, представленную стандартной моделью и интерпретирующую феномены мира атомов и субатомных частиц. Причем, эти теории никак не связаны друг с другом, используют разные математические аппараты, разные исходные положения, раскалывая единую Вселенную на две будто бы отдельные и чуть ли не противоположные друг другу области. Такое положение вещей совершенно не устраивало ученых-физиков. С момента создания А. Эйнштейном общей теории относительности ими овладела идея создать единую теорию – «Теорию всего» или, как ее еще называют, «Теорию Великого объединения», которая объединила бы все типы взаимодействий, обнаруживаемых в природе, в единую, всеобъемлющую и непротиворечивую систему, соединив тем самым теорию относительности и квантовую физику.

Одна из таких теорий была создана в 70-е гг. прошлого века Леонардом Сасскиндом, Йохиро Намбу и Холгером Нильсеном и получила название «теория струн». В ее основе лежит идея, согласно которой основой мироздания являются не разнообразные субатомные частицы, а одинаковые вибрирующие и бесконечно тонкие (фактически одномерные), закрученные в петли волокна – так называемые струны. Причем существуют струны на очень малых расстояниях, а именно – 10

см (так называемая «длина Планка», связанная с силой гравитации, величиной квантов и скоростью света).

Любая фундаментальная частица вещества порождается отдельной струной, является своего рода «нотой», исполняемой на этой струне. А различие между частицами связаны с тем, что струны совершают различные колебания – по-разному резонируют. Например, электрон представляет собой один вид колебания струны, а верхний или нижний кварк – другой. Это же относится и ко всем калибровочным бозонам, даже к гипотетической частице, переносящей гравитационное взаимодействие, – гравитону. И тем самым теория струн предлагает единый способ объяснения не только всех материальных объектов, но и всех видов взаимодействий в природе.

Специальная теория относительности говорит нам о том, что масса и энергия связаны друг с другом прямой пропорцией: чем больше масса, тем больше энергия и наоборот. Эта идея принимается теорией струн и преобразуется в ней в следующее положение: масса элементарной частицы определяется энергией колебания ее (частицы) внутренней струны. У более массивных частиц внутренние струны вибрируют интенсивнее, их амплитуды колебаний больше, чем у менее массивных. От амплитуды колебаний струн зависят и все остальные свойства элементарных частиц.

Таким образом, в теории струн «материал» всего вещества и всех взаимодействий является одним и тем же. А Вселенная представляется как своего рода «космическая симфония», сотканная из бесчисленного количества переплетенных между собой и образующих тем самым причудливый лабиринт вибрирующих струн. И все бы хорошо, но у этой теории есть одна весьма специфическая особенность: согласно математическим вычислениям, струны способны существовать и совершать колебания различной амплитуды только в десятимерном пространстве. Если попытаться сформулировать теорию струн для меньшего числа измерений, например привычного для нас четырехмерного пространства-времени, то ничего не выйдет.

Следует отметить, что в настоящее время теория струн представляет собой часть более масштабной теории, носящей название М-теории (теории мембран), которая включает в себя не только вибрирующие струны, но и такие объекты, как двумерные мембраны и трехмерные капли (также способные к колебаниям различной амплитуды), и оперирует уже одиннадцатью измерениями (десятью пространственными и одним временным). Но где же спрятаны эти добавочные измерения, почему они не доступны нашему восприятию, есть ли они вообще? Теоретики струнной концепции утверждают, что дополнительные измерения туго скручены и скрыты в складках пространства, причем струны способны наматываться на эти скрученные измерения, не переставая при этом вибрировать. Однако на сегодняшний день эмпирических данных, подтверждающих эту идею, как и собственно саму теорию мембран и, в частности, теорию струн, нет.

Наиболее сильным соперником теории струн является теория петлевой квантовой гравитации, предложенная в 70–80-е гг. XX в. И в теории относительности, и в квантовой физике, и в М-теории (в частности, в теории струн), впрочем, как и во всех более ранних физических концепциях, пространство и время считались гладкими и непрерывными. Создатели же теории петлевой квантовой гравитации (Ли Смолин, Тэд Джекобсон, Карло Ровелли и Абэй Аштекар) решили отказаться от этого традиционного для естествознания представления, предположив, что пространство, подобно материи, состоит из отдельных квантов-ячеек, причудливо соединенных друг с другом. Причем, существуют они на мельчайших гипотетически установленных расстояниях – 10

см (уже известная нам «длина Планка»), а их переплетения образуют то, что сторонники рассматриваемой теории представляют себе как спиновую сеть. Сами же кванты пространства они изображают соединенными между собой узлами.

Значения площади и объема пространства измеряются здесь в единицах, являющихся производными от «длины Планка». Наименьшая возможная площадь, отличная от нуля, равна примерно квадрату «длины Планка» (10

см

), а самый маленький отличный от нуля возможный объем – ее кубу (10

см

). Получается, что каждый кубический сантиметр пространства, согласно теории петлевой квантовой гравитации, содержит в себе около 10

квантов объема. Эти частички настолько малы, что в кубическом сантиметре их оказывается больше, чем кубических сантиметров в видимой Вселенной (10

).

Но не только пространство состоит из определенных квантовых единиц площади и объема, время в теории петлевой квантовой гравитации также дискретно (разделяемо). Оно существует здесь как последовательность отдельных шагов или скачков, перестраивающих спиновую сеть, превращая ее в постоянно изменяющуюся, трансформирующуюся спиновую пену. И каждый из этих квантов-шагов равен «времени Планка», а это 10

с.

Кванты-ячейки пространства-времени, причудливо переплетаясь друг с другом, не только создают все многообразие фундаментальных частиц, но и порождают все виды взаимодействий, включая и гравитационное. И если в малых масштабах пространство-время представляет собой дискретную структуру, своего рода ткань мироздания, состоящую из отдельных волокон, то на больших оно плавно превращается в привычное для нас – гладкое и непрерывное.

Но, как и для М-теории, экспериментальных данных, подтверждающих правомерность теории петлевой квантовой гравитации, на современном этапе развития естествознания не обнаружено. Однако не исключено, что человечество стоит на пороге новой научной революции в естествознании, которая приведет к формированию новой естественнонаучной картины мира, основанной на М-теории, или на теории петлевой квантовой гравитации, или на какой-нибудь другой, пока еще не сформулированной теории, в рамках которой ученые смогут объединить квантовую физику и теорию относительности.

Поговорим о прочитанном

1. Когда и кем было эмпирически подтверждено реальное существование атома? Какие открытия, сделанные в физике в конце XIX и начале XX вв., разрушили представления об атомах как о неделимых частицах вещества?

2. Что представляет собой модель атома, предложенная Дж. Томсоном? Как устроен атом согласно модели Э. Резерфорда? Почему она называется планетарной? Каким образом Н. Бор усовершенствовал эту модель? Каким атом представляется современным ученым?

3. Какое открытие было сделано М. Планком? Что такое квант? В чем проявляется его корпускулярно-волновая природа? Какую теорию света разработал А. Эйнштейн на основе представлений о квантах?

4. В чем заключаются трудности изучения микромира? Что представляет собой корпускулярно-волновой дуализм микромира? В чем заключается суть принципа дополнительности Н. Бора и принципа неопределенности В. Гейзенберга?

5. Что такое элементарные частицы? Почему возможно утверждать, что термин «элементарный» не совсем подходит для них, равно как и термин «частицы»?

6. Каковы основные свойства элементарных частиц? На какие виды они делятся в зависимости от этих свойств? Что такое фундаментальная частица? Все ли элементарные частицы являются фундаментальными?

7. Какие типы взаимодействий существуют в природе по современным научным представлениям? Чем характеризуется каждый из них? Какие объекты в них участвуют?

8. В чем заключается основной недостаток современной естественнонаучной картины мира? Какие новые физические теории претендуют на то, чтобы стать теорией Великого объединения?