Открытие элементарных частиц

Одним из отличий постклассических представлений от более ранней физики является изменившаяся картина материи. В основе этой картины в XX в. лежит идея элементарной частицы как далее неделимой структуры. К концу столетия стало общепризнанным, что самое свойство “неделимости” не так очевидно, как думали ранее. Если элементарные частицы и не делятся на части, то они в очень широких пределах друг в друга превращаются. Но в течение большей части XX в. в сознании ученых элементарные частицы были носителями свойства “неделимости” подобно тому, как раньше это свойство приписывали атомам. Что же касается атомов элементов, то они конечно, уже не были в понимании XX в., как для античных мыслителей или для ученых XVII-XIX вв., чем-то неделимым, но мыслилась как состоящая из частей: из электронов и ядра, которое в свою очередь включает в свой состав ряд элементарных частиц.

Открытие античастиц явилолсь одним из примеров введения постклассическим естествознанием правил, не могущих быть понятыми или интерпретированными в рамках классической физики.

За последние десятилетия был открыт (точнее, вычислен, предположен на основе убедительных математических соображений) еще целый ряд “виртуальных”, существующих по-видимому, но не обнаруживаемых в эксперименте частиц, для которых не выполняются обычные соотношения между массой, импульсом и энергией. С другой стороны, много непривычных свойств (например, дробность электрического заряда и т.д.) постулировано для таких ненаблюдаемых, но необходимых для обоснования многих процессов в микромире, как кварки и актикварки (см.2.4.1). В особую категорию выделены, начиная с 1950-х годов (работы Э. Ферми) короткоживущие возбужденные состояния адронов - “резонансы”. В конечном счете нет уверенности, что известные сейчас элементарные частицы являются подлинно элементарными в смысле неразложимости. Однако существенно, в частности в плане концепции корпускулярно-волнового дуализма (см.2.4.2), что каждой частице ставится в соответствие определенный вид поля. Из всех элементарных частиц выделяется группа частиц, возможно, “элементарных" в полном смысле слова, которые определяют всю специфику процессов в микромире. Это кварки и лептоны (частицы со спином 1/2); бозоны, фотоны, глюоны - частицы, “склеивающие” кварки в нуклоне (спин 1/2); а также гипотетические гравитоны.

В настоящее время решается задача объяснить на основе известных и предполагаемых свойств элементарных частиц важнейшее свойство атома - его устойчивости в течение огромных промежутков времени. В первом приближении объяснение этого было достигнуто уже Планком с помощью его гипотезы об элементарном кванте действия (синоним: постоянная Планка, см.2.4.1). Как писал Н. Бор, “… только существование кванта действия препятствует слиянию электронов с ядром в нейтральную тяжелую частицу, практически бесконечно малого размера. Признание такого положения тотчас же навело на мысль описывать удержание каждого электрона полем вокруг ядра как непрерывный ряд индивидуальных процессов, которые переводят атом из одного из так называемых его стационарных состояний в другое такое же состояние с испусканием освобождаемой энергии в виде единичного кванта электромагнитного излучения … Основное предположение об индивидуальности атомных процессов означало в то же время отказ от установления детальной причинной связи между физическими событиями, существование которой было в течение столетий бесспорной основой философии естествознания” (цит. по: В.И. Кузнецов и др., 1996, с.138). В самом деле, учение о жесткой детерминированности благодаря квантовой механике и другим отраслям постклассической физики все больше уступает место принципу неопределенности, а также статистическому и другим более гибким подходам. И в первую очередь этот сдвиг в подходе реализовался благодаря исследованиям мира элементарных частиц.

Интенсивное развитие физики микромира привело к выделению в качестве особой дисциплины ядерной физики

Теория относительности, хотя в принципе и универсальная по своему применению, все же находит приложение и проверку чаще всего на мегауровне, в связи с явлениями масштаба Галактики и Метагалактики (см. ниже). Напротив, квантовая механика исследует прежде всего явления, развертывающиеся на уровне элементарных частиц и вообще индивидуальных микрочастиц. Более приближенные к человеческому уровню восприятия системы, системы мезоуровня продолжают изучаться с одной стороны, средствами классической ньютоновской механики, а с другой, статистически. Примером глубокого проникновения статистических методов в современное естествознание может служить термодинамика. Третье из ее основных начал, принцип недостижимости абсолютного нуля, было установлено В.Ф.Г. Нернстом в 1906 г., в то время как два остальных начала термодинамики - закон сохранения энергии и принцип неубывания энтропии, т.е. меры вероятности состояния системы (микросистема может без внешних влияний переходить лишь от менее к более вероятным состояниям: от порядка к беспорядку, от определенной температуры к более низкой и т.д.), были известны ранее. Из второго начала делался вывод, что мировой процесс должен привести к максимизации энтропии и “тепловой смерти” Вселенной. Однако ОТО показала, что энтропия космических терподинамических систем может сколь угодно долго возрастать без достижения ими равновесного состояния с максимальным значением энтропии. По крайней мере в этом отношении постклассическое естествознание внесло ноту оптимизма в научное миросозерцание, поскольку вопрос о тепловой смерти перестал быть актуальной темой мировоззренческих дискуссий.

Физика и космология

Современные астрономия и космология перестали быть сочетанием чисто наблюдательного и умозрительного подхода, как это имело место до конца XIX в., и стали дисциплинами, опирающимися на точное физическое знание, в особенности на теорию относительности и квантовую механику

Классическое естествознание рассматривало Вселенную как стационарную систему, которая всегда была более или менее такой, как сейчас. Это допущение отражало более общие постулаты об однородности и абсолютности пространства и времени, отвергнутые, как мы видели, теорией относительности. На базе ОТО советский физик и математик А.А. Фридман (1888-1925) в 1922 г. теоретически предсказал, что вселенная может расширяться и сужаться. Согласно уравнениям Фридмана, существуют разные возможности: если средняя плотность вещества Вселенной равна или меньше некоторой критической величины, Вселенная неограниченно расширяется (видимо, эта возможность на данном этапе и соответствует реальности, что подтверждается методами спектроскопии: в спектрах галактик красные линии смещены таким образом, что создают картину удаления галактик от нас во все стороны со скоростью, пропорциональной квадрату расстояния. Это “красное смещение”, поразительным образом подтвердившее гипотезу Фридмана, было открыто через несколько лет после опубликования его работы). Если же плотность больше критической, Вселенная сжимается. При модели расширяющейся Вселенной, Вселенная первоначально имела точечный вид как бы шарика размером подобного электрону, а плотность ее была около 10¹⁰⁰ г/см³. Температура ее была трудно представима, порядка миллиона миллионов градусов. После первичного так называемого Большого взрыва размер Вселенной стал увеличиваться, а температура - снижаться, пока тот и другая не достигли величин, о которых мы можем более или менее непосредственно судить, поскольку от них осталось нечто доступное измерению, а именно реликтовое радиоизлучение - излучение сохранившихся в межзвездных пространствах скоплений водородно-гелиевой плазмы, которые остались неизменными со времени до образования звезд. Все величины, относящиеся к более раннему периоду, получены путем простой экстраполяции более поздних процессов на самые ранние этапы образования Вселенной и потому не столь достоверны и уже неоднократно пересматривались. В частности, удаленность от нас Большого взрыва принималась равной 4-5 миллиардов лет, сейчас - 20-25 миллиардов лет, но и эти цифры не окончательны.

В период, от которого осталось реликтовое радиоизлучение, т.е. приблизительно 3-4 миллиарда лет тому назад, Вселенная состояла из более или менее однородной смеси водорода с гелием, со сравнительно “низкой" температурой - 4-5 тысяч градусов. Позднейшая сверхвысокая температура в недрах звезд возникла вторично в результате, скорее всего, термоядерных реакций. Радиус Вселенной в эпоху формирования реликтового излучения составлял около 15 миллионов световых лет.