Миронов В.В. Современные философские проблемы естественных_ технических и социогуманитарных наук (2006) (1184475), страница 21
Текст из файла (страница 21)
Все частицы участвуют в тех или иных взаимодействиях, переносчиком которых, по современным представлениям, являются поля. Понятие поля было сформулировано, как мы уже упоминали, Фарадеем при изучении электрических и магнитных явлений. Концепция поля явилась возрождением концепции близкодействия, восходяшей к идеям Р Декарта (первая половина ХУП в.).
В механистической картине мира существовало представление о дальнодействии, согласно которому взаимодействие между объектами осуществляется мгновенно, через пустое пространство, которое само не участвует в передаче взаимодействия, С открытием поля на смену концепции дачьнодействия пришла идея близкодействия. Согласно этой концепции, взаимодействие между телами осушествляется посредством тех или иных полей, непрерывно распределенных в пространстве.
Частицы, участвующие во взаимодействии, создают в каждой точке пространства особое состояние — поле сил, которое проявляется в воздействии на другие частицы, находяшиеся в любой другой точке пространства. До появления специальной теории относительности (СТО) поле интерпретировалось, как отмечалось выше, в механистическом духе, как упругое напряжение гипотетической среды — «эфира». СТО отвергла «эфир» как особую среду и придала идее поля фундаментальный смысл.
Частицы н поля в классической физике считались различными видами материи, тесно связанными друг с другом, хотя и резко различаюшимися по своим свойствам. Частицы рассматривались как дискретные, локальные образования в пространстве, которым присуше конечное число степеней своболы. Поля же, в отличие от частиц, характеризовались непрерывностью распространения в пространстве и бесконечным числом степеней свободы. Обе формы материи обладают такими характеристиками, как масса, энергия и импульс.
В современной физике с появлением квантовой теории, точнее корпускулярно-волнового дуализма, резкос разделение материи на поля и частицы потеряло свой смысл. Еше в начале ХХ в. в работах М. Планка и А. Эйнштейна было показано, что свет поглощается и излучается порциями, квантами света, названными позднее фотонами. В современной квантовой теории показано, что энергия и импулъс поля изменяются дискретнымм образом, так что им всегда можно сопоставить определенные частицы (электромагнитному полю — фотоны, гравитационному — гравитоны и тд.).
А это означает: классическое описание поля (в отличие от описания частиц) непрерывными функциями является лишь приближением, имеюшим свою определенную область применения. Более того, в квантовой механике доказывается, что любую систему взаимодействующих частиц можно описать с помощью некоторого квантового поля. Следовательно, не только каждому полю соответствуют определенные частицы, но и всем 2. Философские оробасмы естествознания частицам — квантовые поля. Этот факт и является выражением корпускулярно-волнового дуализма материи. Несмотря на дуализм такого рода, разделение материи на вещество и поле не потеряло свой смысл.
Дело в том. что частицы вещества и кванты полей описываются различными квантовыми статистиками и ведут себя совершенно различным образом. Каждая частица в квантовой механике обладает особым квантовым числом — спином, характеризующим внутренний вращательный момент частицы. Спин может быть целым (включая нулевой) или полуцелым. Так, фотоны, глюоны, хиггсовские бозоны и другие частицы, переносящие известные физические взаимодействия, имеют спин, равный единице или нулю.
Гипотетические гравитоны обладают спином, равным двум. Частицы такого рода называются бозонами. Электроны, протоны, нейтроны и другие частицы, составляющие всшество (атомы, молекулы и тд.), имеют полуцелый спин и называются фермионами. Фермионы, или частицы вещества, подчиняются статистике Ферми — Дирака, для которой справедлив принцип запрета Паули, в соответствии с которым любые две тождественные частицы с полуцелым спином не могут одновременно находиться в одном и том же состоянии.
Все кванты полей являются бозе-частипами и подчиняются статистике Бозе — Эйнштейна, где принцип запрета Паули не справедлив: в одном и том же состоянии может находиться любое количество бозе-частиц. Поля, а точнее взаимодействия элементарных частиц, делят феноменологически на несколько классов: сильное, электромагнитное, слабое и гравитационное.
Сильное я~ияется самым интенсивным из всех известных взаимодействий и приводит к наиболее прочной связи элементарных частиц. Именно оно отвечает за связь нуклонов (протонов и нейтронов) в атомных ядрах. Электромагнитное взаимодействие обусловливает взаимодействие элементарных частиц с электромагнитным полем и характеризуется меньшей интенсивностью по сравнению с сильным.
Его носителем является фотон — квант электромагнитного поля, элементарная частица, не имеюгцая массы покоя. Слабое взаимодействие связано с распадом элементарных частиц, в частности с распадом квазистабильных частиц, время жизни которых находится в пределах !О б — )О (4 с. Это взаимодействие вызывает превращение в атомном ядре нейтрона в протон, электрон и антинейтрино. Гравитационное взаимодействие является наиболее слабым из всех взаимодействий и присуще абсолютно всем частицам. Радиус его действия (как и электромагнитного) не ограничен. Именно оно имеет решающее значение для крупномасштабного строения Вселенной, Фундаментальной задачей современной физики является создание единой теории всех физических взаимодействий и частиц.
Создание такой теории базируется на трех основных физических идеях, рассматриваемых в настоящее время как наиболее фунламентальные. Речь идет о 2 К Философские проблемы физики 77 калибровочной природе всех физических взаимодействий, о лептоннокаарковом структурном уровне в строении вещества и спонтанном нарушении симметрии первичного вакуума. В современной теории поля укоренилось представление, что каждому типу взаимодействий соответствует некоторая группа симметрий, а поля †переносчи взаимодействий трактуются как нарушения этих симметрий.
В этом и состоит основная идея калибровочного подхода. Как известно, каждый тип элементарных частиц характеризуется своим специфическим законом сохранения. В свою очередь, как показывается в теоретической физике, кажлый из законов сохранения является проявлением определенно~о вида симметрии. Существуют «внутренние» симметрии, не связанные с преобразованиями реального пространства- времени. Требование инвариантности законов природы при локальных, те. зависящих от пространственных координат, преобразованиях, связанных с этими симметриями, приводит к тому, что в уравнения движения частиц приходится вводить компенсирующие добавки, которые и описывают взаимодействие частиц.
Примечательной особенностью современного подхода в теории поля является то, что все поля (а вместе с тем и частицы) оказываются опрелеленными геометрическими объектами. Так, адекватным математическим аппаратом теории калибровочных полей служит теория так называемых расслоен ных пространств. «Слоями» (с которыми и связаны тс или иные внутренние симметрии) являются различныс дополнительные пространства, связанные с обычным пространством-временем, которое рассматривается как «базовое пространство», или «базовая поверхность», К этой поверхности могут быть построены дополнительные пространства: касательные плоскости, нормали, какие-либо другие геометрические структуры.
Расслоенное пространство и есть совокупность всех слоев, находящихся в определенном отношении друг с другом. Если базовое пространство искривлено (каковым, например, и является наше пространство-время с точки зрения общей теории относительности), то с каждой точкой такого пространства можно сопоставить свои слои, которые, в свою очередь, связаны друг с другом определенными отношениями и описываются так называемыми «связностями» расслоенных пространств.
Оказа ось, что калибровочные поля (например, фотоны, т.е. электромагнитное поле) описываются связностью расслоенных пространств. Поля, характеризующие частицы-источники (например, электроны), описываются сечениями расслоенного пространства. Внутренняя симметрия, локализация которой и «порождает» калибровочные поля, является группой симметрии слоя. Классификация взаимодействий тесно связана с классификацией частиц. В настоящее время известно более 350 элементарных частиц, и это число продолжает непрерывно расти. По современным представлениям, все 2. ФилосоФские проблемы естествознания частицы можно свести к относительно небольшому количеству «истинно> элементарных частиц, своего рода «кнрпичиков» мироздания. Оказалось, что сильно взаимодействующие частицы адроны состоят из относительно небольшого числа кварков — первичных, «бессгруктурных», по современным представлениям, частиц.
Лептоны (электроны, мюоны, тяжелые лептоны — т-лептоны) являются также бесструктурными частицами. Взаимодействия осуществляются посредством квантов соответствующих полей. Все окружающее нас вещество построено из частиц четырех типов. Это протоны и нейтроны (их общее название — нуклоны), входящие в состав атомных ядер, электроны и нейтрино (последние возникают при распаде бета-активных ядер).
Электроны в атомах связаны с ядром электромагнитными силами, нуклоны внутри ядра — сильным взаимодействием, а распад нейтрона, как и аналогичный распад внутриядерного протона, обусловлен слабыми взаимодействиями. В рамках так называемой стандартной модели физики элементарных частиц (СМ) показывается, что нуклоны состоят из кварков двух типов, которые обозначают обычно и и сй В таблицах элементарных частиц кварк и обычно занимает верхнюю строчку и называется «верхним» (от англ. ир), а кварк ез' — нижнюю и называется «нижним» (дои и).
Примечательно то, что кварки имеют дробный электрический заряд в единицах ЗаРЯДаЭЛЕКтРОНа:д = — — ~Е~ Иззл= — — ~Е~. СООтВЕтетВУЮЩНЕСтРУК- 3 3 турные формулы протона и нейтрона имеют вид: р = иис( и и = ие(с(. Как видно, протоны и нейтроны состоят из трех кварков, однако принцип запрета Паули не нарушается, так как кроме электрического заряда кварки обладают специфическим сильным» зарядом, который называется «цветом», Такое название он получил по аналогии с обычными цветами для того, чтобы подчеркнуть, что смешение трех цветов кварков делает протон или нейтрон бесцветным. Соответственно различают три типа («цвета») сильных зарядов — красный (и), желтый (у) и зеленый (я).
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
