Материал: Аблеев С.Р. Философия науки. Вводный курс
166
для обозначения электромагнитной формы материи – в то время единственного полевого состояния материи, известного науке.
После создания в начале ХХ в. теории относительности к двум формам материи добавились еще две – пространство
ивремя. Под влиянием достижений Альберта Эйнштейна они стали восприниматься не просто в качестве физической арены природных событий, но как особые состояния или формы материи, которые имеют тесную взаимосвязь с другими известными физическими формами материи.
Было установлено, что физическое вещество существует на всех структурных уровнях природы. Атомы, молекулы, литосфера и биосфера Земли, планеты и звезды, кометы и галактики состоят из вещества. Полевая форма материи тоже проявляется на различных уровнях природы. Постклассическая наука признает четыре основных вида физических полей: поле гравитации
(сила тяготения), электромагнитное поле, слабое ядерное поле
исильное ядерное поле. Масштабы действия ядерных полей ограничиваются микромиром. Электромагнитное поле и сила гравитации действуют как в макромире, так и в космическом мегамире.
Пространство в современной философии и науке воспринимается как физическая способность материальных тел занимать определенное местоположение относительно друг друга. В таком случае время рассматривается как последовательность, ритм или темп развития материальных процессов в природе. Пространство и время охватывают и пронизывают все уровни космического мироздания. Однако физики предполагают, что пространственно-временной континуум микромира и некоторых участков мегамира может иметь совершенно другие свойства по сравнению с состоянием пространства и времени в привычном для нас макромире.
167
Чем же отличается вещественная форма материи от полевой формы? Во-первых, вещество имеет дискретное строение, т. е. состоит из определенных устойчивых микрочастиц. Переносчиками полей (т. е. определенных физических сил) тоже являются особые частицы (кванты), но по своей структуре физические поля имеют континуальную природу. Во-вторых, частицы вещества имеют массу покоя – например, протоны или нейтроны. А вот частицы-переносчики полей массы покоя не имеют. Например, фотоны (кванты электромагнитного поля) постоянно движутся со скоростью света.
Согласно постклассической научной парадигме, с помощью физических полей, представляющих собой основные силы природы, происходит взаимодействие вещества. Микрочастицы соединяются между собой в устойчивые объекты и образуют различные макротела и огромный космический мегамир. Большое влияние некоторые поля (поле гравитации) оказывают и на про- странственно-временной континуум. Теория относительности, в частности, обосновала, что сильная гравитация существенно искривляет евклидово пространство, и оно приобретает совершенно другие геометрические свойства.
В понимании структуры микромира постклассическая научная картина мира опирается на так называемую Стандартную модель элементарных частиц, которая теоретически обобщает представления физики конца ХХ – начала XXI вв. о квантовых микрочастицах и следует парадигме дискретного понимания материи1. Иными словами, в рамках этой модели ученые пытаются теоретически моделировать законченную картину элементарных частиц, из которых построены все материальные объекты
1 Емельянов В. М. Стандартная модель и ее расширения. М., 2007.
168
Вселенной. В концептуальном смысле данная теоретическая парадигма восходит к атомизму Демокрита.
Противоположную позицию занимают сторонники парадигмы континуального понимания материи, которая получила определенное оформление в М-теории. Здесь предполагается, что на сверхглубинных (квантовых) уровнях реальности единой физической основой всех микрочастиц выступает сложным образом скрученное, структурированное, вибрирующее пространство (пространственно-временной континуум) или квантовый вакуум.
Стандартная модель описывает не только микрочастицы, но
итри фундаментальных взаимодействия, в которых они участвуют: электромагнитное, слабое ядерное и сильное ядерное. Современная детальная классификация микрочастиц построена на основе выделения сильных и слабых ядерных взаимодействий. Частицы, способные участвовать в сильных ядерных взаимодействиях, называются адронами. Частицы, принимающие участие преимущественно в слабом ядерном взаимодействии и не участвующие в сильном, называются лептонами. Кроме тех
идругих отдельно выделяют частицы-переносчики взаимодействий.
Внастоящее время принято полагать, что лептоны, по всей видимости, не имеют какой-либо внутренней структуры, поэтому их можно отнести к разряду истинно элементарных частиц. Все они имеют спин, равный ½. Часть из них имеет электрический заряд, равный единице. К группе лептонов относятся:
−электрон – стабильная квантовая частица с малой массой
иотрицательным зарядом;
−мюон – нестабильная субатомная частица, похожая на электрон, но превосходящая его по массе более чем в 200 раз;
169
−тау-лептон – похожая на электрон и мюон микрочастица, которая отличается от них очень высокой массой, составляющей 3 536 масс электрона;
−нейтрино – одна из наиболее распространенных частиц
вкосмосе, обладающая фантастической проникающей способностью; не имеет электрического заряда и массы покоя (хотя
теоретически незначительная масса покоя не исключается). В настоящее время различают три вида нейтрино – электронное нейтрино, мюонное нейтрино и тау-нейтрино.
Электрически нейтральные лептоны принимают участие только в слабом ядерном взаимодействии. Заряженные лептоны участвуют в слабом ядерном и электромагнитном взаимодействиях. Таким образом, мы получаем 6 основных видов лептонов. Каждый из них имеет свою античастицу. Следовательно, общее количество лептонов равно 12.
Количество адронов намного превышает число лептонов. К концу ХХ в. их было открыто несколько сотен. Почти все они оказались очень нестабильными частицами. В ядерной физике такие нестабильные частицы называют резонансами. Самые известные и стабильные адроны – это протон и нейтрон. Следовательно, адроны могут быть как электрически заряженными, так и нейтральными.
Все адроны делят на две большие группы: тяжелые адроны, называемые барионами, и более легкие адроны, называемые
мезонами. К барионам относятся протон, нейтрон, гипероны и барионные резонансы. К мезонам относятся мюоны, бозонные резонансы и некоторые другие частицы.
Согласно представлениям современной ядерной физики, все адроны являются составными частицами. Из чего следует, что они не могут быть названы элементарными. Адроны состоят из кварков, которые существуют в 6 основных разновидно-
170
стях. Кварки имеют дробный электрический заряд (−⅓ или +⅔) и спин, равный ½. Кварки подобно лептонам считаются элементарными частицами. Общее их количество составляет 36. Таким образом, вместе с 12 лептонами они представляют 48 элементарных частиц современной физики, однако это число может быть увеличено за счет частиц-переносчиков взаимодействий, которые по своим свойствам тоже претендуют на статус элементарных.
Таким образом, мы видим, что постклассическая физика конца ХХ в. значительно сократила перечень частиц, именуемых элементарными. Однако их общее количество остается все же слишком велико, и это обстоятельство вдохновляет исследователей на поиски новых фундаментальных материальных элементов мироздания. Кроме того, Стандартная модель имеет и другие недостатки. Несмотря на то, что она описывает практически все известные эксперименты с микрочастицами, она не включает в себя описание так называемой темной материи, существование которой обосновывается астрофизическими исследованиями. Другой проблемой Стандартной модели считается отсутствие ее внутренней самосогласованности1.
Наиболее глубинный уровень материи, на который проникла исследовательская мысль современной науки, называется физическим вакуумом (лат. vacuus – пустой, пустота). Долгое время ученые примерно так и думали: космический вакуум – это совершенно пустое пространство, в котором ничего не существует. Такое понимание восходит к натурфилософской теории
1 В частности, естественная масса бозона Хиггса, возникающая в Стандартной модели из-за обмена виртуальными частицами, на много порядков превышает массу, необходимую для объяснения наблюдаемых явлений (М. В. Данилов).