Оглавление 

     Введение

     На  рубеже XIX и XX веков в физике был  сделан ряд открытий, которые привели  к пересмотру основных мировоззренческих  принципов, лежащих в основе естествознания. Идея классической физики об экстраполяции законов макромира, доступного наблюдениям, в область микромира, не реализовалась. Микромир обнаружил закономерности, не укладывающиеся в рамки здравого смысла, что означало неполноту принципов классического естествознания. Смертельный удар классической физике был нанесен не со стороны, а внутренним развитием самой науки. Мельчайшие частицы материи обнаружили ряд удивительных свойств. Оказались опровергнутыми ряд фундаментальных принципов: о неизменности химических атомов, о независимости пространства и времени, о непрерывности всех динамических процессов. Рассмотрим некоторые свойства микромира.

     В конце XIX – начале XX вв. физика вышла на уровень исследования микромира, для описания которого концептуальные построения классической физики оказались непригодными, были сделаны выдающиеся открытия, разрушившие прежние представления о строении материи. Открытие электрона ,затем протона, фотона и нейтрона показали, что атом имеет сложную структуру. Исследование строения атома становится важнейшей задачей физики XX века. В результате научных открытий были опровергнуты представления об атомах как о последних неделимых структурных элементах материи.

     Целью данной работы является изучение физики микромира.

     Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

1. рассмотреть фундаментальные открытия в области физики конца XIX – начала XX вв.;
2. проанализировать рождение и развитие представлений о квантах;
3. изучить теорию атома Н. Бора;
4. рассмотреть корпускулярно-волновой дуализм в современной физике;
5. изучить элементарные частицы как глубинный уровень структурной организации материи.

     1. Фундаментальные  открытия в области  физики конца XIX - начала XX вв.

 В конце XIX – начале XX вв. физика вышла на уровень исследования микромира, для описания которого концептуальные построения классической физики оказались непригодными. В результате научных открытий были опровергнуты представления об атомах как о последних неделимых структурных элементах материи. История исследования строения атома началась в 1895 г. благодаря открытию Дж. Дж. Томсоном электрона – отрицательно заряженной частицы, входящей в состав всех атомов. Поскольку электроны имеют отрицательный заряд, а атом в целом электрически нейтрален, то было сделано предположение о наличии помимо электрона и положительно заряженной частицы. Опыты английского физика Э. Резерфорда с альфа-частицами привели его к выводу о том, что в атомах существуют ядра – положительно заряженные микрочастицы, размер которых (10^-12 см) очень мал по сравнению с размерами атомов (10^-8 см), но в которых почти полностью сосредоточена масса атомов. Кроме того, было обнаружено, что атомы одних элементов могут превращаться в атомы других в результате радиоактивности, впервые открытой французским физиком А. А. Беккерелем. Явление радиоактивности, окончательно опровергнувшее представление о неделимости и непревращаемости атома, заключается в самопроизвольном превращении неустойчивых ядер атомов радиоактивных элементов в результате ядерных излучений. Вопросы радиоактивности различных элементов изучались французскими физиками Пьером и Марией Кюри. Ими были открыты новые элементы – полоний и радий, а также установлено, что в результате радиоактивного излучения атом радиоактивного элемента превращается в атом другого элемента. Открытие сложной структуры атома стало крупнейшим событием в физике, поскольку оказались опровергнутыми представления классической физики об атомах как твердых и неделимых структурных единицах вещества. [2, C. 159-163]

 2. Рождение и развитие  представлений о  квантах

 При переходе к  исследованию микромира оказались  разрушенными и представления классической физики о веществе и поле как двух качественно своеобразных видах  материи. Изучая микрочастицы, ученые столкнулись с парадоксальной, с точки зрения классической науки, ситуацией: одни и те же объекты обнаруживали как волновые, так и корпускулярные свойства. Первый шаг в этом направлении был сделан немецким физиком М. Плавком. Как известно, в конце XIX в. в физике возникла трудность, которая получила название "ультрафиолетовой катастрофы". В соответствии с расчетами по формуле классической электродинамики интенсивность теплового излучения абсолютно черного тела должна была неограниченно возрастать, что явно противоречило опыту. В процессе работы по исследованию теплового излучения, которую М. Планк назвал самой тяжелой в своей жизни, он пришел к ошеломляющему выводу о том, что в процессах излучения энергия может быть отдана или поглощена не непрерывно и не в любых количествах, а лишь в известных неделимых порциях – квантах. Сумма энергий этих мельчайших порций энергии – квантов определяется через число колебаний соответствующего вида излучения и универсальную естественную константу, которую М. Планк ввел в науку под символом h: E = hy, ставшим впоследствии знаменитым (где hy – квант энергии, у – частота). Если введение кванта еще не создало настоящей квантовой теории, как неоднократно подчеркивал М. Планк, то все же 14 декабря 1900 г., в день опубликования формулы, был заложен ее фундамент. Поэтому в истории физики этот день считается днем рождения квантовой теории. А поскольку понятие элементарного кванта действия служило в дальнейшем основой для понимания всех свойств атомной оболочки и атомного ядра, то 14 декабря 1900 г. следует рассматривать и как день рождения всей атомной физики и начало новой эры естествознания. Первым физиком, который восторженно принял открытие элементарного кванта действия и творчески развил его был А. Эйнштейн. В 1905 г. он перенес гениальную идею квантованного поглощения и отдачи энергии при тепловом излучении на излучение вообще и таким образом обосновал новое учение о свете. Представление о свете как о дожде быстро движущихся квантов было чрезвычайно смелым, почти дерзким, в правильность которого вначале поверили немногие. Прежде всего с расширением квантовой гипотезы до квантовой теории света был не согласен сам М. Планк, относивший свою квантовую формулу только к рассматриваемым им законам теплового излучения черного тела. А. Эйнштейн предположил, что речь идет о естественной закономерности всеобщего характера. Не оглядываясь на господствующие в оптике взгляды, он применил гипотезу Планка к свету и пришел к выводу, что следует признать корпускулярную структуру света. Квантовая теория света, или фотонная теория А. Эйнштейна, утверждала, что свет есть постоянно распространяющееся в мировом пространстве волновое явление. [5, C. 120-124] И вместе с тем световая энергия, чтобы быть физически действенной, концентрируется лишь в определенных местах, поэтому свет имеет прерывную структуру. Свет может рассматриваться как поток неделимых энергетических зерен, световых квантов, или фотонов. Их энергия определяется элементарным квантом действия Планка и соответствующим числом колебаний. Свет различной окраски состоит из световых квантов различной энергии. Эйнштейновское представление о световых квантах помогло понять и наглядно представить явление фотоэлектрического эффекта, суть которого заключается в выбивании электронов из вещества под действием электромагнитных волн. Эксперименты показали, что наличие или отсутствие фотоэффекта определяется не интенсивностью падающей волны, а ее частотой. Если предположить, что каждый электрон вырывается одним фотоном, то становится ясно следующее: эффект возникает лишь в том случае, если энергия фотона, а следовательно, и его частота достаточно велика для преодоления сил связи электрона с веществом. Правильность такого толкования фотоэлектрического эффекта (за эту работу Эйнштейн в 1922 г. получил Нобелевскую премию по физике) через 10 лет получила подтверждение в экспериментах американского физика Р.Э. Милликена. Открытое в 1923 г. американским физиком А.Х. Комптоном явление (эффект Комптона), которое отмечается при воздействии очень жесткими рентгеновскими лучами на атомы со свободными электронами, вновь и уже окончательно подтвердило квантовую теорию света. Эта теория относится к наиболее подтвержденным экспериментально физическим теориям. Но волновая природа света была уже твердо установлена опытами по интерференции и дифракции. Возникла парадоксальная ситуация: обнаружилось, 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. При этом фотон оказался корпускулой совершенно особого рода. Основная характеристика его дискретности – присущая ему порция энергии – вычислялась через чисто волновую характеристику – частоту у (Е == hy). Как и все великие естественно-научные открытия, новое учение о свете имело фундаментальное теоретико-познавательное значение. Старое положение о непрерывности природных процессов, которое было основательно поколеблено М. Планком, Эйнштейн "отбросил" в гораздо более обширной области физических явлений. Представление о квантах электромагнитного поля – фотонах – один из наиболее фундаментальных вкладов в разработку квантовой теории. Уже поэтому А. Эйнштейн должен рассматриваться как один из величайших ее создателей. Теория А. Эйнштейна, развивающая взгляды М. Планка, позволила Н. Бору разработать модель атома.

      3. Теория  атома Н. Бора

 В 1913 г. великий  датский физик Н. Бор применил принцип квантования при решении  вопроса о строении атома и  характеристике атомных спектров, устранив тем самым противоречия, которые  возникали при планетарной модели атома Э. Резерфорда. Модель атома, предложенная Резерфордом в 1911 г., напоминала солнечную систему: в центре находится атомное ядро, а вокруг него по своим орбитам движутся электроны. Ядро имеет положительный заряд, а электроны – отрицательный. Вместо сил тяготения, действующего в Солнечной системе, в атоме действуют электрические силы. Электрический заряд ядра атома, численно равный порядковому номеру в периодической системе Менделеева, уравновешивается суммой зарядов электронов – атом электрически нейтрален. Неразрешимое противоречие этой модели заключалось в том, что электроны, чтобы не потерять устойчивость, должны двигаться вокруг ядра. В то же время они, согласно законам электродинамики, обязательно должны излучать электромагнитную энергию. Но в таком случае электроны очень быстро потеряли бы всю свою энергию и упали на ядро. [3, C. 98-102] Следующее противоречие связано с тем, что спектр излучения электрона должен быть непрерывным, так как электрон, приближаясь к ядру, менял бы свою частоту. Опыт же показывает, что атомы излучают свет только определенных частот. Именно поэтому атомные спектры называют линейчатыми. Другими словами, планетарная модель атома Резерфорда оказалась несовместимой с электродинамикой Дж. К. Максвелла. Модель атома Н. Бора, разрешавшая эти противоречия, базировалась на планетарной модели Э. Резерфорда и на разработанной им самим квантовой теории строения атома. Н. Бор выдвинул гипотезу строения атома, основанную на двух постулатах, совершенно несовместимых с классической физикой:

     1) в каждом атоме существует  несколько стационарных состояний  (говоря языком планетарной модели, несколько стационарных орбит)  электронов, двигаясь по которым  электрон может существовать, не  излучая; 

     2) при переходе электрона из  одного стационарного состояния в другое атом излучает или поглощает порцию энергии.

     Постулаты Бора объясняют устойчивость атомов: находящиеся в стационарных состояниях электроны без внешней на то причины  не излучают электромагнитной энергии. Становится понятным, почему атомы химических элементов не испускают излучения, если их состояние не изменяется: объясняются и линейчатые спектры атомов: каждой линии спектра соответствует переход электрона из одного состояния в другое. Теория атома Н. Бора позволяла дать точное описание атома водорода, состоящего из одного протона и одного электрона, достаточно хорошо согласующееся с экспериментальными данными. Дальнейшее же распространение теории на многоэлектронные атомы и молекулы столкнулось с непреодолимыми трудностями. Чем подробнее теоретики пытались описать движение электронов в атоме, определить их орбиты, тем большим было расхождение теоретических результатов с экспериментальными данными. Как стало ясно в ходе развития квантовой теории, эти расхождения главным образом были связаны с волновыми свойствами электрона. Длина волны движущегося в атоме электрона равна примерно 10"⁸ см, т.е. она того же порядка, что и размер атома. Движение частицы, принадлежащей какой-либо системе, можно с достаточной степенью точности описывать как механическое движение материальной точки по определенной орбите (траектории) только в том случае, если длина волны частицы пренебрежимо мала по сравнению с размерами системы. Другими словами, следует учитывать, что электрон не точка и не твердый шарик, он обладает внутренней структурой, которая может изменяться в зависимости от его состояния. При этом детали внутренней структуры электрона неизвестны. Следовательно, точно описать структуру атома на основании представления об орбитах точечных электронов принципиально невозможно, поскольку таких орбит в действительности не существует. Вследствие своей волновой природы электроны и их заряды как бы размазаны по атому, однако не равномерно, а таким образом, что в некоторых точках усредненная по времени электронная плотность заряда больше, а в других – меньше. Описание распределения плотности электронного заряда было дано в квантовой механике: плотность электронного заряда в определенных точках дает максимум. Кривая, связывающая точки максимальной плотности, формально называется орбитой электрона. Траектории, вычисленные в теории Н.Бора для одноэлектронного атома водорода, совпали с кривыми максимальной средней плотности заряда, что и обусловило согласованность с экспериментальными данными. Теория Н.Бора представляет собой как бы пограничную полосу первого этапа развития современной физики. Это последнее усилие описать структуру атома на основе классической физики, дополняя ее лишь небольшим числом новых предположений. Введенные Бором постулаты ясно показали, что классическая физика не в состоянии объяснить даже самые простые опыты, связанные со структурой атома. Постулаты, чужеродные классической физике, нарушили ее цельность, но позволили объяснить лишь небольшой круг экспериментальных данных. -Создавалось впечатление, что постулаты Н. Бора отражают какие-то новые, неизвестные свойства материи, но лишь частично. Ответы на эти вопросы были получены в результате развития квантовой механики. Выяснилось, что атомную модель Н. Бора не следует понимать буквально, как это было вначале. [1, C. 139-141] Процессы в атоме, в принципе, нельзя наглядно представить в виде механических моделей по аналогии с событиями в макромире. Даже понятия пространства и времени в существующей в макромире форме оказались неподходящими для описания микрофизических явлений. Атом физиков-теоретиков все больше и больше становился абстрактно-ненаблюдаемой суммой уравнений.

     4. Корпускулярно-волновой  дуализм в современной  физике

 Представления А. Эйнштейна о квантах света, послужившие в 1913 г. отправным пунктом теории Н. Бора, через 10 лет снова оказали плодотворное воздействие на развитие атомной физики. Они привели к идее о "волнах материи" и тем самым заложили основу новой стадии развития квантовой теории. В 1924 г. произошло одно из величайших событий в истории физики: французский физик Л. де Бройль выдвинул идею о волновых свойствах материи. В своей работе "Свет и материя" он писал о необходимости использовать волновые и корпускулярные представления не только в соответствии с учением А. Эйнштейна в теории света, но также и в теории материи. Д. де Бройль утверждал, что волновые свойства, наряду с корпускулярными, присущи всем лицам материи: электронам, протонам, атомам, молекулам и даже макроскопическим телам. В 1926 г. австрийский физик Э. Шредингер нашел математическое уравнение, определяющее поведение волн материи, так называемое уравнение Шредингера. Английский физик П. Дирак обобщил его. Смелая мысль Л. де Бройля о всеобщем "дуализме" частицы и волны позволила построить теорию, с помощью которой можно было охватить свойства материи и света в их единстве. Кванты света становились при этом особым моментом всеобщего строения микромира. Волны материи, которые первоначально представлялись как наглядно-реальные волновые процессы по типу волн акустики, приняли абстрактно-математический облик и получили благодаря немецкому физику М. Борну символическое значение как "волны вероятности". Однако гипотеза де Бройля нуждалась в опытном подтверждении. Наиболее убедительным свидетельством существования волновых свойств материи стало обнаружение в 1927 г. дифракции электронов американскими физиками К. Дэвисоном и Л. Джермером. В дальнейшем были выполнены опыты по обнаружению дифракции нейтронов, атомов и даже молекул. Во всех случаях результаты полностью подтверждали гипотезу де Бройля. Еще более важным было открытие новых элементарных частиц, предсказанных на основе системы формул развитой волновой механики. Корпускулярно-волновой дуализм в современной физике стал всеобщим. Любой материальный объект характеризуется наличием как корпускулярных, так и волновых свойств. Тот факт, что один и тот же объект проявляется и как частица и как волна, разрушал традиционные представления. Форма частицы подразумевает сущность, заключенную в малом объеме или в конечной области пространства, тогда как волна распространяется по его огромным областям. В квантовой физике эти два описания реальности являются взаимоисключающими, но равно необходимыми для того, чтобы полностью описать рассматриваемые явления. ” Квантово-механическое описание микромира основывается на соотношении неопределенностей, установленном немецким физиком В. Гейзенбергом, и принципе дополнительности Н. Бора. Суть соотношения неопределенностей В. Гейзенберга заключается в следующем. Допустим, ставится задача определить состояние движущейся частицы. Если бы можно было воспользоваться законами классической механики, то ситуация была бы простой: следовало лишь определить координаты частицы и ее импульс (количество движения). Но законы классической механики для микрочастиц применяться не могут: невозможно не только практически, но и вообще с одинаковой точностью установить место и величину движения микрочастицы. Только одно из этих двух свойств можно определить точно. В своей книге "Физика атомного ядра" В. Гейзенберг раскрывает содержание соотношения неопределенностей. Он пишет, что никогда нельзя одновременно точно знать оба параметра – координату и скорость. Никогда нельзя одновременно знать, где находится частица, как быстро и в каком направлении она движется. [4, C. 225-228] Если ставится эксперимент, который точно показывает, где частица находится в данный момент, то движение нарушается в такой степени, что частицу после этого невозможно найти. И наоборот, при точном измерении скорости нельзя определить место расположения частицы. С точки зрения классической механики, соотношение неопределенностей представляется абсурдом. Чтобы лучше оценить создавшееся положение, нужно иметь в виду, что мы, люди, живем в макромире и, в принципе, не можем построить наглядную модель, которая была бы адекватна микромиру. Соотношение неопределенностей есть выражение невозможности наблюдать микромир, не нарушая его. Любая попытка дать четкую картину микрофизических процессов должна опираться либо на корпускулярное, либо на волновое толкование. При корпускулярном описании измерение проводится для того, чтобы получить точное значение энергии и величины движения микрочастицы, например, при рассеивании электронов. При экспериментах, направленных на точное определение места, напротив, используется волновое объяснение, в частности, при прохождении электронов через тонкие пластинки или при наблюдении отклонения лучей. Существование элементарного кванта действия служит препятствием для установления одновременно и с одинаковой точностью величин "канонически связанных", т.е. положения и величины движения частицы.

     Фундаментальным принципом квантовой механики, наряду с соотношением неопределенностей, является принцип дополнительности, которому Н.Бор дал следующую формулировку: "Понятие частицы и волны дополняют друг друга и в то же время противоречат друг другу, они являются дополняющими картинами происходящего".

     Противоречия  корпускулярно-волновых свойств микрообъектов являются результатом неконтролируемого взаимодействия микрообъектов и макроприборов. Имеется два класса приборов: в одних квантовые объекты ведут себя как волны, в других – подобно частицам. В экспериментах мы наблюдаем не реальность как таковую, а лишь квантовое явление, включающее результат взаимодействия прибора с микрообьектом„М. Борн образно заметил, что волны и частицы – это "проекции" физической реальности на экспериментальную ситуацию. С теоретической точки зрения, микрообъекты, для которых существенным является квант действия М. Планка, не могут рассматриваться так же, как объекты макромира, ведь для них планковская константа h из-за ее малой величины не имеет значения. В микромире корпускулярная и волновая картины сами по себе не являются достаточными, как в мире больших тел. [1, C. 105-107] Обе "картины" законны, и противоречие между ними снять нельзя. Поэтому корпускулярная и волновая картины должны дополнять одна другую, т.е. быть комплементарными. Только при учете обоих аспектов можно получить общую картину микромира.  

      5. Элементарные  частицы как глубинный  уровень структурной  организации материи

 Дальнейшее проникновение  в глубины микромира связано  с переходом от уровня атомов к  уровню элементарных частиц. В качестве первой элементарной частицы в Конце XIX в. был открыт электрон, а затем в первые десятилетия XX в. – фотон, протон, позитрон и нейтрон. После второй мировой войны, благодаря использованию современной экспериментальной техники, и прежде всего мощным ускорителям, в которых создаются условия высоких энергий и громадных скоростей, было установлено существование большого числа элементарных частиц – свыше 300. Среди них имеются как экспериментально обнаруженные, так и теоретически вычисленные, включая резонансы, кварки и виртуальные частицы. Термин "элементарная частица" первоначально означал простейшие, далее ни на что не разложимые частицы, лежащие в основе любых материальных образовании. Позднее физики осознали всю условность термина "элементарный" применительно к микрообьекгам. Сейчас уже не подлежит сомнению, что частицы имеют ту или иную структуру, но тем не менее исторически сложившееся название продолжает существовать. Основными характеристиками элементарных частиц являются масса, заряд, среднее время жизни, спин и квантовые числа. Массу покоя элементарных частиц определяют по отношению к массе покоя электрона. Существуют элементарные частицы, не имеющие массы покоя, – фотоны. Остальные частицы по этому признаку делятся на лептоны – легкие частицы (электрон и нейтрино); мезоны – средние частицы с массой в пределах от одной до тысячи масс электрона; барионы – тяжелые частицы, чья масса превышает тысячу масс электрона и в состав которых входят протоны, нейтроны, гипероиы и многие резонансы. Электрический заряд является другой важнейшей характеристикой элементарных частиц. Все известные частицы обладают положительным, отрицательным либо нулевым зарядом. Каждой частице, кроме фотона и двух мезонов, соответствуют античастицы с противоположным зарядом. Приблизительно в 1963–1964 гг. была высказана гипотеза о существовании кварков – частиц с дробным электрическим зарядом. Экспериментального подтверждения эта гипотеза пока не нашла. По времени жизни частицы делятся на стабильные и нестабильные. Стабильных частиц пять: фотон, две разновидности нейтрино, электрон и протон. Именно стабильные частицы играют важнейшую роль в структуре макротел. Все остальные частицы нестабильны, они существуют около 10^-10 – 10^-24 с, после чего распадаются. Элементарные частицы со средним временем жизни 10^-23 – 10^-22 с называют резонансами. Вследствие краткого времени жизни они распадаются еще до того, как успеют покинуть атом или атомное ядро. Резонансные состояния вычислены теоретически, зафиксировать их в реальных экспериментах не удается. Помимо заряда, массы и времени жизни, элементарные частицы описываются также понятиями, не имеющими аналогов в классической физике: понятием "спина", или собственного момента количества движения микрочастицы, и понятием "квантовых чисел", выражающих состояние элементарных частиц. В характеристике элементарных частиц существует еще одно важное представление – взаимодействия. [3, C. 152-155] Различают четыре вида фундаментальных взаимодействий в природе: сильное, электромагнитное, слабое и гравитационное. Свойства элементарных частиц определяются в основном первыми тремя видами взаимодействия. Сильное взаимодействие происходит на уровне атомных ядер и представляет собой взаимное притяжение и отталкивание их составных частей. Оно действует на расстоянии порядка 10^-13 см. При определенных условиях сильное взаимодействие очень прочно связывает частицы, в результате чего образуются материальные системы с высокой энергией связи – атомные ядра. Именно по этой причине ядра атомов являются весьма устойчивыми, их трудно разрушить. Электромагнитное взаимодействие примерно в тысячу раз слабее сильного, но значительно более дальнодействуюшее. Взаимодействие такого типа свойственно электрически заряженным частицам. Носителем электромагнитного взаимодействия является не имеющий заряда фотон – квант электромагнитного поля. В процессе электромагнитного взаимодействия электроны и атомные ядра соединяются в атомы, атомы – в молекулы. В определенном смысле это взаимодействие является f основным в химии и биологии. Слабое взаимодействие возможно между различными частицами. Оно простирается на расстояние порядка 10^-15 – 10^-22 ем и связано главным образом с распадом частиц, например, с происходящими в атомном ядре превращениями нейтрона в простои, электрон и антинейтрино. Согласно современному уровню знаний, большинство частиц нестабильны именно благодаря слабому взаимодействию. Гравитационное взаимодействие – самое слабое, не учитываемое в теории элементарных частиц. Однако на ультрамалых расстояниях (порядка 10^-33 см) и при ультрабольших энергиях гравитация вновь приобретает существенное значение поскольку гравитационное взаимодействие по своей силе становится сравнимым с остальными видами взаимодействия. В космических масштабах гравитационное взаимодействие (тяготение) имеет решающее значение. Радиус его действия не ограничен. В природе, как правило, проявляется не один, а одновременно несколько типов взаимодействия, и свойства многих частиц определяются всеми четырьмя его типами. Например, протон – частица с сильным взаимодействием, но наличие электрического заряда заставляет его принимать участие также в электромагнитном взаимодействии. А так как он мог возникнуть вследствие (3-распада нейтрона, т.е. процесса слабого взаимодействия, то протон связан и со слабым взаимодействием. [6, C. 188-191] И, наконец, он участвует в гравитационном взаимодействии, поскольку тела, в состав атомов которых входит протон, имеют вес. Некоторые частицы могут принимать участие в одних видах взаимодействия и не участвовать в других. Частицы типа электрона или мюона не принимают участие в сильных взаимодействиях. Фундаментальные взаимодействия приводят к превращению частиц: их уничтожению и созданию. Например, при столкновении нейтрона и протона могут возникнуть два нейтрона и П⁺ –мезон. От силы взаимодействия зависит время, в течение которого совершается превращение элементарных частиц. Ядерные реакции, связанные с сильными взаимодействиями, происходят в течение 10^-24 – 10^-23 с. Это приблизительно тот кратчайший интервал времени, за который частица, ускоренная до высоких энергий, до скорости, близкой скорости света, проходит через элементарную частицу размером порядка 10^-13 см. Изменения, обусловленные электромагнитными взаимодействиями, осуществляются в течение 10^-19 – 10^-21 с, а слабыми (например, распад элементарных частиц) – в основном 10^-10 с. По времени различных превращений можно судить о силе связанных с ними взаимодействий. Взаимодействия элементарных частиц осуществляются посредством соответствующих физических полей, квантами которых они являются. В современной квантовой теории поля под полем понимается система с переменным число частиц (квантов поля). Наинизшее энергетическое состояние поля, в котором вообще нет квантов поля, называется вакуумом. В вакуумном состоянии при отсутствии возбуждения электромагнитное поле не содержит частиц (фотонов). В этом состоянии оно не обладает механическими свойствами, присущими корпускулярному веществу (например, тела при движении в нем не испытывают трения). Вакуум не содержит обычных видов материи, однако он не пуст в прямом смысле слова, поскольку при соответствующем возбуждении в нем появляются фотоны – кванты электромагнитного поля, посредством которых осуществляется электромагнитное взаимодействие. В вакууме присутствуют и другие физические поля, в частности гравитационное, кванты которого, гравитоны, предсказаны теоретически, но экспериментально пока не зарегистрированы. Квантовое поле представляет собой совокупность квантов и носит дискретный характер, так как все взаимодействия элементарных частиц: взаимопревращение, излучение и поглощение фотонов происходит дискретно, квантованным образом. В результате возникает вопрос: а в чем проявляется непрерывность поля, его континуальность? Состояние поля в квантовой электродинамике, как и в квантовой механике, задается волновой функцией, которая связана с реальными наблюдаемыми явлениями не строго однозначно, а посредством понятия вероятности. Квадрат модуля функции дает вероятность наблюдения того или иного физического явления. Если провести целый комплекс опытов, то в итоге получится картина, напоминающая результат волнового процесса. Основная проблема квантовой теории поля – проблема взаимодействия частиц разного типа. Пока она решена лишь в квантовой электродинамике, описывающей взаимодействие электронов, позитронов и фотонов. Квантовая теория поля для сильных и слабых взаимодействий до сих пор не разработана. Они описываются посредством нестрогих методов, хотя ясно, что без соответствующей теории невозможно понять структуру элементарных частиц, которая определяется именно их взаимодействиями. Поэтому окончательно не решен и вопрос о структуре элементарных частиц. С одной стороны, понятно, что элементарные частицы обладают собственной структурой, а с другой – характер этой структуры остается во многом невыясненным. Элементарные частицы на самом деле не элементарны, т.е. не "неделимы", как думали раньше, а обладают внутренней структурой, могут распадаться и превращаться одна в другую. Об их строении пока мало что известно. Тем не менее на основе некоторых фактов можно утверждать, что элементарные частицы представляют собой вид материи, качественно отличный от более сложных частиц. Различие между ними так велико, что к элементарным частицам неприменимы категории простого и сложного, составной части и структурного целого, т.е. понятие "внутренней структуры", к которой мы привыкли при рассмотрении атомных ядер, атомов, молекул и макроскопических тел. Такие понятия, как "простое и сложное", "составная часть" и "структурное целое", вообще весьма относительны. Например, атом сложен и обладает структурой по отношению к ядру и электронной оболочке. Но по отношению к молекулам он является простой частицей. В структурной иерархии материальных систем свой единственный структурный уровень образуют и атомное ядро, и атом, и молекула, и макроскопические тела. Поэтому составляющие тела, с одной стороны, относительно просты по сравнению с телами следующего уровня и являются их составными частями. С другой стороны, они относительно сложны по сравнению с телами, лежащими на более низком уровне, и являющимися в свою очередь их составными частями. Все тела, начиная с атомных ядер до материальных тел самого большого размера, обладают следующим общим свойством: в каждом из них можно выделить относительно простые структурные элементы, которые образуют данное тело и в структурной иерархии лежат непосредственно под ними. Каждое тело можно разделить на части, из которых оно возникло. Процессы соединения и разделения по сути своей равнозначны. Например, молекула данного химического вещества может быть образована из некоторого числа определенных атомов и разложена точно на такие же атомы. [4, C. 149-152] Сложное целое обладает большей массой, чем масса каждой из его составляющих. Для элементарных частиц это положение недействительно. Продукты распада элементарной частицы не более просты, чем распавшаяся, точнее, "преобразовавшаяся" частица. Они так же являются элементарными частицами. Следовательно, согласно современным представлениям, продукты распада находятся на том же уровне структурной иерархии, что и породившая их частица. Например, из нейтрона при определенных условиях возникают протон, электрон и нейтрино. Но нейтрон не более сложен и не более прост, чем протон, электрон или нейтрино. Кроме того, протон и электрон можно получить и в других реакциях. Почти каждая элементарная частица может быть "составной частью" любой другой элементарной частицы. На элементарном уровне .структурное целое не обязательно больше, чем каждая из его составляющих. Более того, его масса может быть и намного меньше. Например, в некоторых случаях из нуклона и антинуклона образуется мезон, масса которого значительно меньше массы нуклона. Это обусловлено тем, что высвобождающаяся при возникновении элементарной частицы энергия Е уносит такую массу , что продукт реакции С² уже не похож на первоначальную частицу. Понятия "простого и сложного", "составной части" и "структурного целого" в мире элементарных частиц имеют совершенно иное содержание, чем в атомной или классической физике. Специфика элементарных частиц проявляется и в энергетических взаимодействиях. Энергия материальных тел, от макроскопических объектов до атомных ядер, складывается из двух составляющих: собственной энергии, соответствующей массе тела, и суммы энергий связей составных элементов. Хотя эти два вида энергий и неотделимы друг от друга, они в корне различны по своей природе. Собственная энергия объектов намного превышает энергию связи составных частей. Энергия связи элементов такова, что при помощи несколько большей энергии вполне возможно однозначное деление структуры на составные части. Например, можно разложить молекулу на атомы, но в самих атомах при этом не происходит заметных изменений. [2, C. 116-117] С элементарными частицами дело обстоит совершенно иначе. Энергия элементарных частиц не раскладывается на собственную энергию и энергию связи. Поэтому элементарные частицы не могут разлагаться на составные части, хотя, несомненно, имеют внутреннюю структуру, которую пока невозможно описать. Элементарные частицы не содержат частиц, из которых они возникли в более или менее неизменной форме. Согласно современным представлениям, структура элементарных частиц описывается посредством непрерывно возникающих и снова распадающихся "виртуальных" частиц. Например, мезон строится из виртуального нуклона и антинуклона, которые в процессе аннигиляции (лат. annihildtio, букв. уничтожение) непрерывно исчезают, а затем образуются снова. Формальное привлечение виртуальных частиц означает, что внутреннюю структуру элементарных частиц невозможно описать через другие частицы. Удовлетворительной теории происхождения и структуры элементарных частиц пока нет. Многие учёные считают, что такую теорию можно создать только при учете космологических обстоятельств. Большое значение имеет исследование рождения элементарных частиц из вакуума в сильных гравитационных и электромагнитных полях, поскольку здесь устанавливается связь микро- и мегамиров. Фундаментальные взаимодействия во Вселенной в мегамире определяют структуру элементарных частиц и их превращения. Очевидно, потребуется выработка новых понятий для адекватного описания структуры материального мира.