Нильс Бор (1885–1962)
Мы уже говорили, что к концу XIX в. наука установила два вида существования материи – вещество и поле, во всем отличные и противоположные (вещество обладает корпускулярными свойствами, а поле – волновыми). На рубеже XIX–XX вв. выяснилось, что два эти вида материи не исключают один другого. Как это ни удивительно, но одни и те же объекты могут характеризоваться и свойствами вещества, и свойствами поля одновременно, то есть иметь как корпускулярные, так и волновые качества. Известный немецкий физик Макс Планк, исследуя процессы теплового излучения, пришел к ошеломляющему выводу, что при излучении энергия отдается или поглощается не непрерывно и не в любых количествах, но небольшими и неделимыми порциями, которые он назвал квантами(от лат. quantum– «сколько»). Квант – это порция энергии. Вдумаемся в это определение. Его первая часть – порция – подразумевает нечто определенное, ограниченное, вещественное, имеющее некие размеры, то есть частицу, или корпускулу. Вторая часть – энергия – подразумевает нечто непрерывное, безразмерное, невещественное, то есть поле. Стало быть, квант – это такой объект физической реальности, в котором совпадают или одновременно представлены и вещество, и поле, – объект, отличающийся корпускулярно-волновым дуализмом.
Макс Планк (1858–1947)
Эйнштейн перенес идею о квантах на область света и создал новое учение о нем. Вспомним, что Ньютон считал свет потоком корпускул, Гюйгенс и Юнг рассматривали его как волны, а Фарадей и Максвелл – как колебания электромагнитного поля. Эйнштейн совместил все эти представления и создал теорию, по которой свет имеет корпускулярно-волновую природу. Он распространяется квантами, то есть энергетическими порциями, которые были названы фотонами(от греч. photos– «свет»). С одной стороны, фотон – именно порцияэнергии и поэтому является своего рода частицей, или корпускулой, а с другой – порция именно энергиии поэтому является своего рода волной. Свет, по Эйнштейну, – это поток энергетических зерен, световых квантов или своеобразный фотонный дождь. Представление Эйнштейна о световых квантах помогло понять и наглядно представить явление фотоэффекта, сущность которого заключается в выбивании электронов из вещества под действием световых волн (каждый электрон вырывается одним фотоном). Все это убедительно подтвердило идею Эйнштейна, что свет ведет себя не только как волна, но и как поток корпускул. В опытах по дифракции и интерференции проявляются его волновые свойства, а при фотоэффекте – корпускулярные. Фотонная теория Эйнштейна относится к наиболее экспериментально подтвержденным физическим теориям.
Идея о квантах была перенесена и на представления об атоме, в результате чего появилась специфическая дисциплина – квантовая механика– наука, описывающая процессы, происходящие в микромире. Одним из ее основных утверждений является мысль о том, что микрообъекты (электроны, например) обладают, подобно свету, корпускулярными и волновыми свойствами, и только при учете этой двойственности можно более или менее успешно получить общую картину микромира. Квантовая механика – сравнительно молодая научная дисциплина, ей около ста лет. Появившись в XX в., она уже достигла значительных результатов, но дальнейшие ее успехи, по всей видимости, впереди. Современная наука ждет от нее ответов на многие сложные вопросы, связанные не только с микромиром, но также касающиеся макро– и мегамиров, ведь три эти области существуют не изолированно, а представляют собой единую физическую реальность.
Лилипуты пространства и времени. Элементарные частицы
После революционных открытий в физике на рубеже XIX–XX вв. было установлено, что атомы делимы и имеют сложное строение – состоят из более мелких частиц, взаимодействующих одна с другой, благодаря чему возможны разные внутриатомные изменения и превращения. Эти частицы были названы элементарными(от лат. elementarius– «первоначальный, простейший»). Сначала они считались (вместо атомов) последним и неделимым пределом вещества, основой всех материальных объектов или физических тел. Однако в скором времени ученые осознали условность, или относительность, термина «элементарный», потому что выяснилось, что элементарные частицы вовсе не неделимы и совсем не просты, а, наоборот, представляют собой сложные микрообъекты с определенной структурой (устройством или строением), то есть оказалось, что они никак не элементарны. Тем не менее исторически сложившееся название продолжает существовать.
Дальнейшее проникновение науки в глубины микромира было связано с переходом от уровня атомов к уровню элементарных частиц. В качестве первой из них в конце XIX в. был открыт электрон, а затем в первые десятилетия ХХ в. – фотон, протон, позитрон и нейтрон. В середине нынешнего столетия благодаря использованию современной экспериментальной техники было установлено существование более 300 видов элементарных частиц.
Основными их свойствами являются масса, заряд, среднее время жизни и участие в тех или иных типах взаимодействия. Существуют элементарные частицы, не имеющие массы. Это фотоны. Другие частицы по массе делятся на лептоны(от греч. leptos– «легкий»), мезоны(от греч. mesos– «средний») и барионы(от греч. barys– «тяжелый»). Все известные частицы обладают положительным, отрицательным или нулевым электрическим зарядом. Каждой частице, кроме фотона и двух мезонов, соответствуют античастицы с противоположным зарядом. Не так давно была высказана гипотеза о существовании частиц с дробным электрическим зарядом (? или ? от заряда электрона). Они были названы кварками. Экспериментального подтверждения эта гипотеза пока не нашла. По времени жизни элементарные частицы делятся на стабильные и нестабильные. Стабильных частиц пять: фотон, две разновидности нейтрино, электрон и протон. Именно они играют важнейшую роль в структуре макротел. Все остальные частицы нестабильны. Они существуют около 10 -24– 10 -10с, после чего распадаются. Элементарные частицы со средним временем жизни 10 –23– 10 -22с называются резонансами. Вследствие краткого времени существования они распадаются еще до того, как успеют покинуть атом или атомное ядро. Эти частицы вычислены теоретически, обнаружить их в реальных экспериментах пока не удается.
Важной характеристикой элементарных частиц является тип взаимодействия. По современным представлениям в природе существуют четыре вида взаимодействия в порядке убывания интенсивности: сильное, электромагнитное, слабое и гравитационное. Сильное взаимодействие происходит на уровне атомных ядер и представляет собой взаимное притяжение и отталкивание их составных частей. Оно действует на расстоянии не более ?10 -13см. Сильное взаимодействие очень прочно связывает частицы, в результате чего возникают атомные ядра, обладающие большой прочностью. Они являются весьма устойчивыми, и их трудно разрушить. Электромагнитное взаимодействие в тысячу раз слабее сильного, радиус его действия не ограничен. В результате этого взаимодействия электроны и атомные ядра соединяются в атомы, а атомы – в молекулы. Слабое взаимодействие ответственно за многие распады элементарных частиц. Оно действует на расстоянии от 10 –22до 10 –15см. Гравитационное взаимодействие – самое слабое, не учитываемое в теории элементарных частиц. В космических масштабах оно, наоборот, имеет решающее значение, так как представляет собой не что иное, как всемирное тяготение (взаимное притяжение огромных космических объектов – планет и звезд). Расстояние, на котором оно действует, неограниченно.
Если физические тела состоят из молекул, молекулы – из атомов, а атомы – из элементарных частиц, то логично было бы предположить, что элементарные частицы складываются, в свою очередь, из более мелких частиц. Однако такой вывод сделать невозможно, потому что на элементарном уровне существуют совершенно иные законы и все, к чему мы привыкли в макромире, там абсолютно не действует. Например, мы прекрасно знаем, что если какое-нибудь тело распадается на части, то любая часть будет и по размерам, и по массе меньше исходного целого тела. А если распадется элементарная частица, то вполне может быть, что продукты ее распада окажутся по размерам и по массе больше исходной распавшейся частицы. Это невероятно с позиций привычных представлений. Поэтому правильнее было бы говорить, что элементарные частицы не распадаются, а преобразуются или превращаются. Как это ни удивительно, но одна частица может превращаться в другую. Так же почти каждая элементарная частица может быть как бы «составной частью» любой другой элементарной частицы. Если частицы способны к превращениям и другим сложным изменениям, значит, они имеют какую-то внутреннюю структуру или устройство. Какое? На этот вопрос современная наука пока не в состоянии ответить. Единственное, что можно утверждать, – несомненное наличие у элементарных частиц этой структуры. Однако невозможно говорить, как мы увидели, что она состоит из еще более мелких частиц. Здесь мы сталкиваемся с неведомым пока уровнем существования материи, который лежит глубже сферы элементарных частиц и представляет собой нечто совершенно для нас новое, непривычное, необыкновенное, невыразимое в существующих ныне научных понятиях и не укладывающееся в современные научные представления и теории. Дальнейшее проникновение в глубинные тайны микромира, по всей видимости, будет делом науки XXI в.
