Иван Фролов - Введение в философию

Все виды материи связаны между собой генетически, то есть каждый из них развивается из другого. Строение материи можно представить как определенную иерархию этих уровней (см. схему).

Согласно современным научным взглядам, глубинные структуры материального мира представлены объектами элементарного уровня. Это прежде всего элементарные частицы. За исключением электрона, исследования которого начались еще в XIX веке, все остальные были обнаружены в XX столетии. Их свойства оказались весьма необычными, резко отличающимися от свойств макротел, с которыми мы сталкиваемся в повседневном опыте. Все элементарные частицы обладают одновременно и корпускулярными, и волновыми свойствами, а закономерности их движения, изучаемые квантовой физикой, отличаются от закономерностей движения макротел, описанных в классической физике.

До открытия элементарных частиц и их взаимодействий наука разграничивала два вида материи — вещество и поле.

Еще в конце XIX-начале XX века поле определяли как непрерывную материальную среду, а вещество — как прерывное, состоящее из дискретных частиц. Однако развитие квантовой физики выявило относительность разграничительных линий между веществом и полем. Только на макроуровне, когда можно не принимать во внимание квантовые свойства полей, их можно считать непрерывными средами. Но на микроуровне поля предстают как состоящие из квантов, которые можно рассматривать в качестве частиц, обладающих одновременно и корпускулярными, и волновыми характеристиками. Например, электромагнитное поле можно представить как систему фотонов, а гравитационное поле — как систему гравитонов — гипотетических частиц, которые предсказывает квантовая теория. В то же время и частицы вещества — электроны и позитроны, мезоны и другие — уже в целом ряде задач физика рассматривает как кванты соответствующих полей (электронно-позитронного, мезонного и т. п.).

Элементарные частицы участвуют в четырех типах взаимодействия — сильном, слабом, электромагнитном и гравитационном. Только два последних типа взаимодействий проявляют себя на любых сколь угодно больших расстояниях, и поэтому им подчинены процессы не только микромира, но и макротел, планет, звезд и галактик (макро- и мегамир). Что же касается сильных и слабых взаимодействий, то они характерны только для процессов микромира. Одним из самых удивительных открытий последней трети XX века было обнаружение того, что электромагнитные и слабые взаимодействия представляют собой стороны, различные проявления единой сущности — электрослабого взаимодействия.

Элементарные частицы можно классифицировать по типам взаимодействия. Адроны (тяжелые частицы — протоны, нейтроны, мезоны и др.) участвуют во всех взаимодействиях. Лептоны (от греч. leptos — легкий; например, электрон, нейтрино и др.) не участвуют в сильных взаимодействиях, а только в электрослабых и гравитационных. Гипотетические гравитоны выступают носителями только гравитационных сил. В сильных взаимодействиях многие адроны неразличимы, они как бы на одно лицо. Например, неотличимы друг от друга нуклоны — нейтроны и протоны, все П-мезоны (Пи-мезоны) выступают как одна частица. Но когда включаются электромагнитные силы, то нуклоны расщепляются на две составляющие, а П-мезоны на три (П°, П+, П-). Подобное расщепление позволяет рассматривать частицы как проявления некоторой глубинной структуры. Поиск таких структур составляет главную цель современной физики. На этом пути наука стремится обнаружить те глубинные свойства и состояния материи, которые в конечном счете определяют эволюцию Вселенной, особенности взаимодействия и развития ее объектов.

Первым большим успехом на этом пути было открытие кварковой структуры адронов. Кварки оказались весьма экзотическими объектами не только потому, что у них дробный электрический заряд (1/3 или 2/3 от заряда электрона, принимаемого за 1). Само взаимодействие кварков, осуществляемое благодаря обмену глюонами, таково, что увеличение расстояния между кварками внутри адронов приводит к резкому возрастанию связывающих их сил. Поэтому в отличие от ранее известных элементарных частиц (протонов, нейтронов, электронов и др.) кварки пока не обнаружены в свободном состоянии. Они оказываются как бы запертыми внутри адронов. Но в эксперименте их можно прозондировать: при столкновении частиц больших энергий внутри адронов обнаруживается несколько своеобразных центров, на которых происходит рассеяние частиц и которые физика отождествляет с кварками.

Кварки и лептоны выступают в качестве базисных объектов в системе элементарных частиц. Они являются главным строительным материалом для вещества нашего мира, поскольку ядра атомов существуют благодаря взаимодействию кварков, а формирование электронных оболочек вокруг ядра приводит к образованию атомов.

Современная физика пока еще не создала единой теории элементарных частиц, на пути к ней сделаны лишь первые, но существенные шаги. Выявление общих глубинных структур частиц, участвующих в сильных взаимодеиствиях, и установление единства слабого и электромагнитного взаимодействий стимулировали разработку идеи объединения сильных, электрослабых и гравитационных взаимодействий в рамках единой теории. Иными словами, речь уже идет об исследовании субэлементарного уровня организации материи, о выяснении единой природы всех элементарных частиц. По-видимому, именно в закономерностях этого уровня скрыты основные тайны нашей Вселенной, предопределившие особенности ее эволюции. Вообще для современной науки характерно, что чем глубже она проникает в микромир, тем больше возможностей открывается для понимания крупномасштабной структуры Вселенной. Последняя не является вечной и неизменной, а представляет собой результат развития материи, своеобразную реализацию тех потенциальных возможностей, которые были заложены в глубинах микромира.

Элементарный уровень организации материи включает наряду с элементарными частицами еще и такой необычный физический объект, как вакуум. Физический вакуум — не пустота, а особое состояние материи. В вакуум погружены все частицы и все физические тела. В нем постоянно происходят сложные процессы, связанные с непрерывным появлением и исчезновением так называемых «виртуальных частиц».

Виртуальные частицы — это своеобразные потенции соответствующих типов элементарных частиц, их «вакуумные корни», частицы, готовые к рождению, но не рождающиеся, возникающие и исчезающие в очень короткие промежутки времени. При определенных условиях они могут вырваться из вакуума, превращаясь в «нормальные» элементарные частицы, которые живут относительно независимо от породившей их среды и могут взаимодействовать с ней.