Если у вас возникли сложности с курсовой, контрольной, дипломной, рефератом, отчетом по практике, научно-исследовательской и любой другой работой - мы готовы помочь.
Предоплата всего
Подписываем
Становление физической картины мира от
Галилея до Эйнштейна проблема элементарного.
План.
Введение
I. Метод Галилея
1. Анализ исторической обстановки и проблемной ситуации в науке. Новыеконцепции Галилея
2. Заслуга Галилея
II.Классическая механика
III.Максвелл: развитие и кризис механической картины мира
1.Молекулярно– кинетическая концепция
2.Теориия электромагнитного поля и кризис механической картины мира
3.Эйнштейн и рождение релятивистской физической картины мира
Введение
V.Проблема Элементарного
1.Какой объект можно назвать «самым элементарным»
2. Систематика элементарных частиц. Суперэлементарные частицы
Заключение
Список литературы
Введение.
Научную картину мира следует понимать как широкую панораму современных знаний о природе, включающуюв себя наиболее важные факты, гипотезы, теории. Функциональное значение такого рода суммарного знания видится в обеспечении синтеза знания, связи различныхразделов естествознания. При этом есть расхождения понимания того, для чего необходим синтез:
Это различие в понимании функций картины мира в свою очередь ведет к расхождению в самом подходе к еёанализу:
В противовес точке зрения авторов, выдвигающих на первый план идею синтеза, объединения разнообразныхестественнонаучных знаний, ряд исследователей считает, что научная картина мира необходима при построении каждой отдельной теории как составная часть еёфундамента. (В.С. Степин)
В.С. Степин считает, что научная (например, физическая) картина является необходимымкомпонентом каждой отдельной теории. Будучи по происхождению результатом синтеза научных знаний, частнонаучные картины мира дают, по его мнению, видениеосновных систематических характеристик предмета исследования соответствующей науки. «Такое видение. Изменяясь помере исторического развития научных знаний, выражается по средствам представлений:
1. Об элементарных объектах, из которых предполагаются построены все другие объекты, исследуемые всоответствующей науке
2. О типологии исследуемых объектов
3. О характеристике взаимодействия объектов (об особенности причинности и закономерности)
4. О пространстве – временных характеристик изучаемой реальности».
Учитывая указанные разногласия, В.А. Амбарцумян и В.В. Каротинский предполагаютразличные трактовки физической реальности в широком и узком смысле этого слова.
Физическая картина мира в узком смысле этого слова – это система фундаментальныхконструктов, характеризующих основные свойства физической реальности (пространства, время, вещество, поле, вакуум) связи между которыми представленыфизическими принципами.
Физическая картина мира в широком смысле этого слова – это наиболее общие конкретно-исторические представления о физическом мире, который с точки зрениястиля научного мышления конкретной эпохи рассматривается как наиболее важные и существенные.
II.Метод Галилея.
С именем Галилея связано начало принципиально важного этапа развития физического знания – восхождениена уровень познания.
Принятые в научном сообществе того времени методологические принципы требовали, чтобытеоретические суждения непосредственно подтверждались чувственным данным.
Исторически сложившаяся проблемная ситуация не позволяла Галилею принять порцию эмпиризма[1], согласно которой все научные утверждения возникают только в результатеобобщения непосредственно наблюдаемых фактов. Он стремился выработать и защитить существенно иное отношение исследователей к эмпирическим данным.
Требования логической (и математической) самосогласованности, системной целостности всехутверждений физической науки опирается у Галилея на важную мировоззренческую идею о целостности Вселенной, единообразии «способа действия самой природы».
Целостность, совершенство, самосогласованность научного знания (которой не смогли добитьсяни Аристотель, ни тем более его средневековые последователи) основываются на гармонии мироздания.
В методологическом плане это означает, что наука должна находить исходные, базисные формы этого порядка, обладающие к тому же высшей универсальностью ипотому позволяющие на их основе объяснить всё происходящие в мире.Так, в физике Нового времени входила идея, что общий принцип построения целостной,объясняющей все явления научной теории должен исходить из общей физической картины мира.
По Галилею, закономерности мира отражаются именно в количественных отношенияхмежду наблюдаемыми явлениями, а не в той внешней видимости отдельно взятых фактов, которые носит видимости обычно обманчивый характер. Математика, отражающаяуниверсальные формы природных законов, выступает для Галилея важнейшим средством проверки взаимной согласованности фактических данных и теоретическихпостроений.
Согласно Галилею, логические конструкции из идеализированных объектов можно рассматриватькак научно достоверные при следующих условия:
Он не только обратился к научным эксперимента, не только ввёл метод предельныхидеализаций, не только использовал математику, но прежде всего предвосхитил принципы методом построения физических теорий. Эта методология включает в себяиспользование экспериментов (как реальных, так и мысленных), создание фундаментальных идеализаций, построение с их помощью конструктивныхтеоретических моделей реальности с применением математического аппарата и самое главное, без чего теряет смысл применение всех указанных методологическихсредств, - «разработку и конструктивное использование общих представлений о принципах строения мироздания, научной картины мира на теоретическом уровне».
III. Классическая Механика.
В истории механики за работами Галилея (который также имел предшественников внакоплении эмпирических фактов и обобщений и в разработке теоретических предпосылок механики) последователи многочисленные работы целой плеяды выдающихсяучёных. Их коллективными усилиями шаг за шагом не только строилось всё здание классической механики, но и совершенствовался её концептуальный фундамент,система исходных теоретических идеализаций. Создание фундамента идеализаций явилось своеобразной, характерной для теоретического уровня познания формойлогического анализа материальной действительности. Продуктами анализа стали идеализации элементарного объекта, элементарного процесса, пространственно –временных отношений, формы детерминизма[2],отразившие конкретное содержание картины мира.
Хотя чувственные восприятия небесных тел, движения которых оказалось в центре внимания Галилея и Ньютона, с самого началаподсказывали образ точечного объекта, теоретическая идеализация материальной точки родилась не сразу. И Галилей, и Ньютон широко использовали понятие телакак движущегося объекта. Лишь позже, когда выяснилось, что поле тяготения сферически симметрического тела выглядит в точности так, как если бы вся масса этого тела быласосредоточена в его геометрическом центре, в одной точке, идея теоретического замещения материальных тел идеализированными образами материальных точек могларассматриваться как логически согласованная со всем содержанием теории.
Идеализация материальной точки широко использовалась Л. Эйлером в его программе построения механики.В основе этой программы, которую Л. Эйлеру во многом удалось реализовать, лежало принципиальное убеждение, что сложные случаи механического движениямогут быть теоретически представлены конструктивными моделями, построенными из образов взаимодействия и перемещающихся материальных точек. Логически исходнымпунктом системы механики, по Л. Эйлеру, выступают изложенные в его трактате 1736 года теория движения свободной материальной точки и динамика точкипри наличии связей.
Кроме идеализации основного элементарного объекта в логической структуре теориипринципиальное значение имеет идеализация основного элементарного процесса (в данном случае – формы движения). Галилей вплотную приблизился к выработке такойидеализации в представлениях о равномерном движении (по окружности), которое, раз начавшись, продолжается бесконечно, если этому не препятствует внешниедействия.
Р. Декарт поправил и дополнил Галилея, сформулировавший два исходных понятия:«…однажды пришедшее в движение тело продолжает двигаться, пока это движение не задержится каким-либо встречным телом.», при этом «каждая частица материи вотдельности стремится продолжать дальнейшее движение не по кривой, а исключительно по прямой…». Соединённые вмести эти два положения у И. Ньютонаприняли форму первого закона механики.
Для построения теоретических моделей механического движения существенно системапространственно – временного описания. Введение системы координат и разработка математики переменных величин вооружили учёных универсальным средствомтеоретического изображения механического движения, сочетающего в себе высокую степень абстрактности (изображение движения тела математической функцией) свысокой степенью наглядности (графики функций в заданной системе координат мог непосредственно изображать траекторию перемещения тела в пространстве стечением времени).
Теоретическое знание может выполнить свои основные функции лишь в том случае, если в нёмотражена конкретная форма детерминации исследуемых явлений, прежде всего фундаментальные законы изменения состояния, взаимодействия. И. Ньютон ввёлпонятие силы как причины изменения состояния движения по величине и по направлению (или одновременно по величине и по направлению). В механике Ньютонаисточниками и точкой приложения сил являются материальные точки.
Центральное место в системе трёх законов механики занимает второй закон Ньютона –основной закон движения. Он связан с изменением состояния материальной точки с величиной и направлением действующей на него сил: ускорение, с которымдвижется тело прямо пропорционально силе действующей на это тело и обратно пропорционально массе этого тела. Данный закон позволяет объяснить ипрогнозировать изменение механического движения тела в зависимости от величины и направления силы и от предшествующего состояния движения.
Выдающейся заслугой Ньютона явилось установление конкретного закона, определяющеговеличину действующей силы для случая гравитационного взаимодействия, - закон Всемирного тяготения.
Несмотря на ограниченность механической картины мира по её содержанию, основныеособенности методологии физического познания, проявившиеся в ходе создания и развития классической механики, воспроизводятся и в процессе построенияпоследующих физических теорий, как бы ни отличалось их конкретное содержание и даже содержание фундаментального представление картины мира от концептуального содержания классической механики. В этом отношении классическая механика до сегодняшнего дня остаётся и классическимпримером построения естественно – научной теории.
IV. Максвелл: развитие и кризис механической картины мира.
Важная мировоззренческая идея единства небесного и земного, которую мы встречаем уже вработах Галилея и Ньютона, всё в большей мере побуждала применять фундаментальные образы механической картины мира к самым различным явлениям,непосредственно окружавшие человека. В XIX веке новый принципиально важный этап в развитиимеханической картины мира оказался связан с применением её основных представлений к созданию теории, объясняющей свойства газов, а затем жидкости итвёрдых тел.
Основные этапы развития знаний о свойстве газов:
В 1643 году Э. Торричелли обнаружил, что ртуть в запаянной сверху стеклянной трубке, опущенной другим концом в сосуд с ртутью, устанавливается на высоте 46см; он дал правильное толкование этого явления: давление воздуха уравновешивается весом столбика ртуть. В результате этого открытия наука получила прибор дляизмерения давления.
Почти через 20 лет Р. Бойль установил, что при уменьшении объёма газа в замкнутомсосуде давление соответственно возрастает, при увеличении – уменьшается. Это означало, что произведение давления газа на его объём есть величина постоянная(для данной массы газа при постоянно температуре).
В 1787 году Ж. Шарль экспериментально доказал, что в замкнутом сосуде с изменением температуры на один градус давление газа изменяется на 1/273 первоначального, т.е. изменяется по линейному закону.
Через 14 лет Ж. Гей-Люссак определил опытным путём, что объём данной массы газаменяется линейно с изменением температуры (при постоянном давление).
В ходе этих эмпирических исследований перед учёными вырисовывалась целая областьсвоеобразных явлений, в которых центральную роль играли свойства и отношения, выражаемые понятия «давление», «температура», «объём». Чтобы перейти от суммычастных эмпирических законов к общей теории поведения газа, необходимо было либо найти возможность ввести теоретические представления механики с ихцентральными понятиями движущихся материальных точек, либо найти другие, специфичные для данных фундаментальные образы. Последние означало, что для теоретическогообъяснения свойств газов необходима физическая картина мира, отличающаяся от механической.
Исследования на теоретическом уровне создали предпосылки для объединения найденных ранееразрозненных эмпирических законов поведение газов. Опираясь на идеи и метод С. Карно, Б. Клайперон, в 1834 годуобъединил законы Бойля-Мариотта, Гей-Люссака и Шарля: произведение объёма газа на давление пропорционально абсолютной температуре. Найденные ранееэмпирические законы можно было вывести из объединенного закона как его частные случаи и, кроме того, он отражал тот существенный для практики случай, когдаодновременно применяются все три параметра – давление, объём и температура. Это был важный, но пока ещё формальный шаг, так как Б. Клайперон не имел адекватныхпредставлений о природе теплоты, придерживался теории теплорода и не пользовался ни какими представлениями о природе газа, с помощью которого можнобыло бы объяснить законы его поведения.
Следующий шаг – превращение термодинамики в относительно завершённую физическую теорию -во многом связан с именем В.Томсона и Р. Клаузиуса. В серии работ 50-х годов они чётко сформулировали два фундаментальных принципа термодинамики, уточним иразвили систему основных её понятий. В связи со вторым принципом термодинамики было введено понятие энтропии[3], важнейшей наряду с энергией характеристикой термодинамической процессов.
Принципы термодинамики понимались её творцами как неограниченно всеобщие, пригодные дляпонимания всех процессов в мире. Однако отождествление термодинамической картины с общей физической картиной мира рождало парадоксальный вывод о такназываемой тепловой смерти Вселенной. Парадокс состоял в том, что из второго принципа термодинамики, который подтверждался всеми исследованиямитермодинамических процессов, с неизбежностью, казалось бы, следовал вывод, что с течением времениразность температур между телами во Вселенной должна исчезнуть и тогда наступит состояние теплового равновесия, равносильное смерти, так как динамическиепроцессы, порождающие и поддерживающие сложноорганизованные системы, основаны на разности температур, возможности производить работу.
Представление так называемой аксиоматической (то есть формально построенной на основе двух основных постулатов) термодинамики не могутпретендовать на роль первичных базисных даже в своей области, а тем более в теоретическом осмысление всех процессов Вселенной.
Основополагающие работы в области молекулярно-кинетической теории теплоты принадлежат Клаузиусу. Это общийметод построения объясняющих теоретических моделей для газов, жидкостей твёрдых тел, на изображении в виде системы большого числа движущихся ивзаимодействующих материальных точек, отождествленных с атомами и молекулами. Он вводил более сложные представления о формах движения молекул: кромепоступательного движения они обладают вращением, могут испытывать колебание относительно положение равновесия в твёрдом теле, каждая молекула обладает ивнутренними движениями. В газе все направления движения равновероятны, однако Клаузиус, как отмечал позже Дж. К. Максвелл, «не определить, равны ли скоростивсех молекул одного и того же газа или, если они не равны, то имеет ли какой-нибудь закон их распределения». Как и Крёнинг, Клаузиус в своих расчётахусловно приписывал всем молекулам одинаковое значение скорости, соответствующее среднему статистическому.
Вопросы о характере движения молекул, а вместе с тем о специфике детерминизма в областимолекулярного движения были глубоко разработаны Дж. К. Максвеллом. «…распределяя молекулы по группам согласно их скорости, мы можем заменитьневыполнимую задачу наблюдения всех столкновений отдельной молекулы регистрацией увеличения или уменьшения числа молекул в различных группах.Следуя этому методу, - единственно возможному с точки зрения экспериментальной, так и математической мы переходим от строго динамических методов к методамстатистики и теории вероятности». При этом Дж. К. Масксвелл опирался на следующее важное утверждение: хотя скорость каждой молекулы будет существенно менятьсяпри каждом её столкновении с другой, число молекул, входящих в ту или иную группу, будет стабильным. А это и означало, что прослеживать «судьбу» каждойотдельной молекулы нет необходимости, даже если бы это было технически возможно.
Только переход к более последовательной системно согласованной трактовке статистического характера законов движения молекул газа позволили получитьрезультаты, согласующиеся со всеми экспериментами.
На основе статистической трактовки природы второго закона термодинамики Л. Больцман разработал последовательное разрешение парадокса «тепловой смерти»Вселенной. Современной точки зрения оно уже не является достаточно полным и достаточно убедительный, но в то время это было первым логическим согласованным«в рамках имевшихся теоретических представлений» ответом на вопрос, почему «тепловая смерть» ещё не наступила. По Л. Больцману, «тепловая смерть»наступила много раз и много раз Вселенная в большей или меньшей степени отклонилась от равновесного состояния полного молекулярного беспорядка ксостояниям неравновесным и более упорядоченным, то есть к состояниям с меньшей энтропией, с температурными различиями. Это возможно потому, что в процессах,подчинённых статистическим законам, всё время возникаю флуктуации - случайные отклонения от наиболее вероятного состояния.
Молекулярно – кинетическая концепция, в отличие от классической механики, имелапринципиально иную методологическую основу, она раскрывала реальную структуру вещества и внутренний механизм процессов, происходящих в газах, жидкостях,твёрдых телах.
Дж. К. Максвелл не только внёс вклад в развитие молекулярно – кинетической концепции,базировавшейся на представлениях механической картины мира, но и создал теорию электромагнитного поля, вызвавшую кризис и крушение этой картины.
Механическаякартина мира опиралась на представления, что силы действуют по направлениюпрямой, соединяющей взаимодействующие тела (материальные точки), то есть являются центральными силами. Другими словами в картине мира классическоймеханики все взаимодействия сводились к притяжению или отталкиванию частиц, это было, пожалуй, главным основанием для того, чтобы в рамках ньютоновской системыабстрагироваться от роли промежуточной среды в передачи взаимодействия.
С открытием Х. К. Эрстеда возникла принципиально новая ситуация противоречившаяпредставлениям механической картины мира: на определённом расстоянии от проводника с током на магнитную стрелку действовала сила, которая непритягивала и не отталкивала, а лишь стремилась вращать стрелку вокруг проводника, то есть действовала в «бок». В след за развитием Эрстеда А.Ампер доказал на опыте, что круговой электрический ток создаёт магнитное поле, направленное по оси круга. Тем самым была выявлена не только удивительнаясимметрия электрического и магнитного явления (прямолинейный проводник с током создаёт магнитное поле, направленное по кругу вокруг проводника; круговой токсоздаёт магнитное поле, направленное по оси круга), но и их глубокое внутреннее единство, взаимопорождение.
В то же время радикальное противоречие с важнейшим принципом классической физической картиной мира – принципом центральных сил – вынуждалопризнавать активную роль среды, окружающей проводники или магниты, в том числе и физического «вакуума». Таким образом, становилось необходимым существенноизменить представление в физической картине мира, включив в неё принципиальную роль промежуточной среды.
Эрстед по существу установил решающий факт, существенно повлиявший затем на переход отмеханической картины мира к новой, электромагнитной.
В 1831 году М. Фарадей установил, что в момент изменения величины тока водном контуре в расположенном рядом контуре на короткое время возникает электрический ток. В момент движения магнита около катушки в ней тоже на короткое время возникает электрический ток. Принципиально новым было здесь не только то, что процесскаким – то образом передавался через физический вакуум, которому приходилось теперь приписывать свойства особой среды. Новым по сравнению с картиной мираклассической физики было и то, что представления о постоянном воздействии одного тела на другое (как это было в случае тяготения или взаимодействияэлектрически заряженных тел) замещались представлениями импульсов или волн в момент изменения состояния одного из тел.
Электромагнитная концепция, которой захотели теперь заменить прежнюю, заключалась, прежде всего,в полнейшем отказе от всех образных представлений, от тех «механических моделей» без которых когда-то не существовало настоящей физики.
Там, где многие физики, пользовавшиеся теоретическими представлениями об электронах,взаимодействующих с электромагнитным полем, не видели проблемы. А. Эйнштейн видел принципиальную методологическую трудность.
Теория Максвелла была логически и методологически неполна по меньшей мере в двухаспектах:
Таким образом, вопреки широко распространённой точки зрения есть основания утверждать, что надежда построить соответствующий раздел физики на основеэлектромагнитной картины мира не была осуществлена, хотя представления о такой картине мира активно обсуждались.
Революция в физике, вызванная теорией Максвелла, всё же привела к рождению новойрелятивистской картины мира. Важная роль в её создании и последовательном развитии принадлежит А. Эйнштейну. Необходимость её создания диктовалосьтребованием обеспечить логическую согласованность теоретической системы, а также неодолимой силой опытных фактов. Недостающая внутренняя и внешняясогласованность теоретических представлений электродинамики в острой форме появилась с возникновением не устраненных физических парадоксов. Сегодня можнос уверенностью сказать, что их обнаружение явилось признаком кризиса физической картины мира и вместе с тем начавшейся революцией в физике.
Один из важных парадоксов состоит в следующем. Из очень общих представлений освойствах пространства и времени, казавшихся очевидными в рамках механической картины мира, непосредственно вытекали формулы преобразования координат отодной системы к другой, движущейся относительно первой (преобразования Галилея, непосредственно связанные с его принципом относительности).
Как выяснилось, уравнение Максвелла не были инвариантными относительно преобразований Галилея, то есть к электромагнитным процессам галилеевскийпринцип относительности оказался не применим. Из этого следовал вывод, что в эксперименте можно выявить скорость равномерного прямолинейного движениеобъекта относительно поля (эфира). Однако сопоставление этих теоретических следствий с экспериментальными данными обескураживал физиков: в одних опытах(например, в явлении абберации, то есть кажущиеся смещения наблюдаемых в телескоп звёзд из – за движения Земли) эфир следовала считать абсолютно неподвижным; вдругих (например, в опытах по изменению скорости света в движущейся воде) – результат был таков, как если бы эфир частично увлекался движением воды.
В формулировке А. Эйнштейна принцип относительности приобрёл более богатое физическое содержание: «Законы, по которым изменяются состояния физическихсистем, не зависят от того какой из двух координатных систем движущихся равномерно и прямолинейно относительно друг друга, отнесены эти изменениясостояния…».
А. Эйнштейн в первой публикации по основам специальной теории относительности онвводит понятие физического события в качестве фундаментального элемента новой картины мира, замещающего образ материальной точки.
Во всех последующих работах Эйнштейн будет пользоваться идеализацией точечногопространственного – временного физического события как элементарного объекта теории, представляющего в теоретических моделях физическую реальность.
Физическая картина мира Галилея – Ньютона, в которой мир отображён как множествоматериальных точек, движущихся в пространстве с течением времени, замещается в специальной теории относительности Эйнштейна картиной мира, представленноймножеством точечных пространственно – временных материальных событий. Глубокое единство материи движения, движения,пространство, времени получило здесь концентрированное выражение: на место образов вещей ставились образы материальных процессов.
Специальная теория относительности предполагает существование материальных полей иматериальных частиц, но изображает в теоретических моделях не частицы и поля непосредственно, а отношение между происходящими с ними событиями. Всвязи с этим можно сказать, что смысл теории относительности, отражённый в её наименовании, состоит не в том, что некоторые физические величины меняютчисленное значение при переходе к другой системе отсчёта (такие величины были в классической механики), а скорее в том, что эта теория отражаетзакономерности отношений между событиями.
Переход к новой картине мира сопровождался достаточно мучительным процессом исключенияиз теории фиктивных образов, в первую очередь понятие эфира с механическими свойствами.
Образ эфира, понимавшегося в соответствии с представлениями механической картинымира, был замещён образом полевых процессов, выраженным с помощью идеализационных событий. По убеждению А. Эйнштейна, и специальная, и общаятеория относительности основывается на полевых представлениях (поле и есть «эфир» в новом понимании).
Заключение.
Вопрос о неизбежной ограниченности естественно научных теорий специально рассматривался ученым физиком В. С.Барашенковым. Он убедительно доказывает, что возможность построения относительно "законченных теорий" (типа механики Ньютона,термодинамики, электродинамики Максвелла, квантовой механики, теории гравитационных полей Эйнштейна и др.), достаточно полно, описывающих различныеформы движения материи, не означает возможности в одной или нескольких таких теориях полностью "перекрыть" весь мир, исчерпать все качественноемногообразие законов природы. Каждая такая теория не учитывает многие параметры, второстепенные в данном приближении, но становящиеся важными придальнейшем углублении в суть рассматриваемых явлений. Это и привод к неизбежной ограниченности сферы применения теорий. Возможность "законченныхтеорий" означало бы возможность конца науки, дальше которого нечего было бы познавать. И, наоборот, непреодолимая ограниченность каждой отдельной теориипредполагает бесконечность всего научного познания. Известные науки, обобщающие теории составляют важные этапы её развития. Все они основаны на конкретныхпринципах, обобщающих определенный круг фактов, и допускают возможность и необходимость своего дальнейшего развития по пути создания все более общих иглубоких теорий, учитывающих новые, неизвестные ранее факты. Таков закон познания, обусловленный законами природы.
Введение.
Прежде всего, проанализируем само понятие элементарного объекта и обсудим различныекритерии элементарности. Подобный анализ особенно актуален в настоящее время, когда число частиц, называемых элементарными, достигло несколько сот. Далеекратко остановимся на характеристике основных экспериментальных и теоретических данных о структуре микрочастиц.
V.Проблема Элементарного.
В V в. до н. э. Анаксагор, по – видимому, первым высказал мысль о бесконечной делимости материи. Он представлял мир как совокупностьбесконечного числа частиц – «гомеомерий» (подобочастных), каждая из которых в свою очередь состоит из неисчерпаемоогромного количества более мелких «гомеометрий» и т. д. без конца. При этом каждая из этих частиц содержит в себе свойства Вселенной, она «бесконечновелика» и, подобно целому, заключает в себе все существующее и сущее не просто бесконечно, но бесконечно бесконечно.
Иная точка зрения сформулирована, в учении Демокрита, считавшего, что мир состоит избесконечного числа вечных, абсолютно неделимых, изначально простых частиц – атомов вещества и амеров – атомов пространства. Неисчерпаемое богатство свойствокружающего мира в такой картине реализуется благодаря бесконечному количеству различающихся по своим свойствам атомов (пирамидальных, круглых, гладких,крючковатых и т. д.), которые в силу присущей им твёрдости и непроницаемости определяют предел физической делимостивещества. Между атомами может быть лишь пустота.
Атом Демокрита – это не точка, а протяжённое тело, которое нельзя механическиразделить на компоненты, но внутри которого мысленно можно всё же выделить различающиеся между собой части: верх, низ, правое, левое, середину и т.д. Этиминимальные пространственные части, или амеры, представляют собой «истинное неделимое», лишённое каких бы то ни было частей, не имеющие ни верха, ни низа,ни правой, ни левой стороны. Из амеров (квантов пространства, если говорить сегодняшним языком) состоит пустота, из различного числа амеров слагаютсябольшие и малые атомы вещества. С современной точки зрения именно амеры («бесчастные»), они протяжённые атомыследовало бы рассматривать в качестве наипростейших элементов мира. Учение Демокрита было вершиной натурфилософских представлений о материальномпревосходстве мира.
Острая критическая ситуация возникла на рубеже XIX и XX веков, когда выяснилось, что по крайней мере часть массы электрона связана с егоэлектромагнитным полем, а в теоретических работах А. Пуанкаре и А. Эйнштейна было установлено взаимно однозначное соответствие между массой и энергией.Значительная часть учёных, не различавших до этого понятий массы, вещества и материи, восприняли эти результаты как доказательство исчезновения материи, как«растворение» её в электромагнитном поле и энергии. Отсюда делался вывод о крахе материалистической картины мира и экспериментальном доказательствеидеальной первоосновы мира.
На протяжении всей истории развития науки независимо от того, принималась ли вкачестве элементарного некая материальная субстанция или исходными элементами бытия считались некие чувственные «сущности» и «первичные идеи», - во всехслучаях элементарное всегда понималось как то основное, неизменное и первичное, «из чего состоят все вещи, из чего как первого они возникают и во что как впоследние они, погибая, превращаются»; при этом элементарное представляет собой «предельные части, на которые делимы тела, в то время как сами эти части уженеделимы на другие, отличающиеся от них по виду… Но если они и делятся, то получаются одного с ними вида части».
В течение длительного времени за наинизший известный уровень организации материипринимались атомы химических элементов, хотя уже открытие Д. И. Менделеевым периодического закона наталкивала на мысль, что в природе должно быть что – тоещё более элементарное, свойствами которого и объясняется этот закон. Первая элементарная частица была открыта Дж. Томсоном лишь в самом конце XIX века. Вначале нашего века опыты Э. Резерфордаобнаружили сложную структуру атома, а вскоре было установлено, что и ядро атома в свою очередь имеет сложное внутренние строение. В начале 30 – х годов былиуже 5 частиц, входящих в состав атома и его ядра или принимающих участие во внутри атомных взаимодействиях: фотон, электрон – позитронная пара, протон инейтрон. К настоящему времени число таких частиц достигло уже несколько сот и продолжает быстро возрастать. Оказалось, что свойства этих субъядерных частицне проще, а, наоборот, сложнее, чем у атома и его ядра. Некоторые частицы – это ультракороткоживущие, почти эфемерные[5] образования со временем жизни, в течение которого частица успевает пролететь лишь расстояние, равное радиусу ядра;другие частицы оказались неожиданно очень тяжёлыми, даже тяжелее некоторых атомов. Для описания частиц потребовались совершенно новые понятия: спин[6], гиперзаряд, барионное и лептонное числа и т.д. Эксперимент показал, чтосубъядерный уровень необычайно бога и разнообразен.
Помимо того, что все открытые частицы участвуют в субъядерных взаимодействиях, ониобладают ещё одним общим свойством. Попытки выделить среди них какие – то «более элементарные» объекты, из которых можно было бы построить все остальные,окончились неудачей. Оказалось, что каждая такая частица состоит сразу из всех других. С точки зрения критерия относительности простоты эти частицы в равнойстепени элементарны. В целом совокупность субъядерных частиц, образно говоря, напоминает некую многомерную сферу, где нет ни первого, ни последнего элементаи где каждый элемент связан со всеми остальными.
Правда, недавние исследования внесли важную поправку в эту картину. Выяснилось, чтосреди субъядерных частиц имеются такие, которые следует рассматривать как возбуждённые состояния других частиц. Так, семейство J/y - частиц представляет собой спектр («лестницу») возбуждённыхсостояний, в котором высшие состояния переходят в низшие, с меньшим массами, путём распадов. Другим аналогичным примером является семейство e - частиц, члены которого также связаны между собойцепочками последовательных распадов.
Если исключить возбуждённые частицы – состояния, которые естественно считатьболее сложными объектами, чем соответствующие им основные невозбужденные частицы – состояния, то даже в тех случаях, когда происходит распад частицы,нельзя говорить о том, что конечные частицы являются более элементарными, чем распавшаяся, а тем более утверждать, что конечные частицы входили в состависходной. Это было бы верно, если бы энергия связи (дефект масс) была значительно меньше масс участвующих в реакции частиц, а частицы – компоненты нетеряли бы своей индивидуальности внутри образуемого ими целого, подобно тому, как это имеет место в атоме, в атомном ядре и во всех макроскопическихобъектах.
К группе элементарных относят в настоящее время все частицы, которые нельзя рассматривать как возбуждённые состояния других частиц любые возможные распадыкоторых, как реальные, так и виртуальные происходят с дефектом масс.
В тоже время трудно возразить Н. И. Степанову, когда он отмечает, что «многочисленные известные сегоднямикрочастицы не потому являются элементарными, что не допускают «деления» ни по какому признаку, что они «наиболее просты» а потому, что в рамках современныхпредставлений все они, несмотря на различие свойств, могут рассматриваться как принадлежащие к одному качественно –специфическому уровню, определяющему предметную область физики элементарных частиц». Специфическою особенностью этого уровня по сравнению со всеми вышестоящими как раз и является большой дефект масс, уничтожающий индивидуальность объединяющихся частиц.
В литературе иногда обсуждаются другие критерии установления «степени элементарности», которые, по мнению их авторов, являются более универсальные.Например, Б. Я. Пахомов предлагает считать более элементарной ту частицу, «с которой связано меньшее число качественно различных форм движения», и болеесложной ту, «которая включает в себя большее число форм движения». Развивая эту идею, П. М. Румлянский приходит к выводу о том, что «более элементарными приэтом будут частицы нейтрина и фотон, способные вступать только одно взаимодействие … Нейтрино способен вступать в слабое, тогда как фотон– в электромагнитное взаимодействие. Более сложным… считается электрон, способный к вступлению как в слабое так и в электромагнитное. Ещё более сложные… p-мезоны … ». однако подобный подход трубно провести последовательно, так как, согласно современнымпредставлениям, при высоких энергиях частицы должны участвовать во всех типах взаимодействия – электромагнитном, сильном[7] и слабом[8],различие которых при этом становится уже не столь существенным, как при низких энергиях; если же не принимать во внимание всей области энергии то пришлось бы,например, признать электрически нейтральную частицу p - мезон более элементарной чем p+ и p- -мезоны, хотя эти частицы являются зарядовыми состояниями одного и того же изомультиплета[9].
Иногда за критерий относительной элементарности предлагается брать число законовсохранения, которым подчиняется тот или иной объект. Так, по мнению А. А. Бутакова, более сложной элементарной частицей является та, которая подчиняетсябольшему числу законов сохранения, поскольку более высокие формы движения связаны с большим количеством таких законов. Поскольку каждый закон сохранениясоответствует вполне определённой симметрии, то предполагаемый критерий означает, что объект тем элементарнее, чем меньшей симметрией он обладает. Вдействительности дело состоит как раз на оборот: опыт науки показывает, что переход к более глубоким материальным структурам до сих пор всегдасопровождался открытием новых типов симметрии, которые «портятся» на уровне более высокоорганизованных форм движения и в лучшем случае становятся лишьгрубоприближёнными. В ядерной физике больше симметрий, чем в электродинамике.
Проблема элементарности особенно осложнилось после того, как было установлено, чтоэлементарные частицы хотя и не делятся на простейшие в обычном геометрическом смысле и поэтому действительно должны рассматриваться как элементарные, но в тоже время обладают пространственной протяжённостью и сложной внутренней структурой. Элементарность и структурность оказались неразрывно слитыми в одноми том же объекте. Можно сказать, что каждый отдельный фрагмент структуры элементарной частицы несёт информацию о частице в целом, а информация, скрытаяв локальных деталях структуры, в свою очередь определяется свойствами объекта как целого.
Основная трудность, которая возникает при определении понятие элементарной частицысвязано с тем, что в настоящее время таких частиц оказывается очень много – значительно больше, чем атомов химических элементов. Недавно были открытычастицы в 10 раз более тяжёлые, чем протон, и приблизительно с такой же массой, как у ядра бора.
Отчаявшись выявить какую – либо иерархию в разрастающемся множестве равноэлементарныхобъектов, некоторые физики выдвинули идею бутстрапа («шнуровки», или «ядерной демократии»), согласно которой каждая элементарная частица состоит извсех других частиц (точнее, структура каждой элементарной частицы определяется взаимодействиями всех других частиц). Однако эта идея не устраняет чувства удовлетворённости из – за слишкомбольшого числа «наипростейших сущностей» последовательная формулировка идеи бутстрапа, напоминающая чем – токонцепцию Демокрита приводит к выводу о бесконечном числе элементарных объектов.
Структура микрообъектов в теории бутстрапа принимает относительный смысл – что - то вроде особой системы координат, которуюможно выбрать различным образом. Определение элементов структуры становится весьма неоднозначным. Так как одну и туже частицу можно различными способами«составить» из других частиц. Более того, остаётся неясным, можно ли вообще на этом пути сформулировать точную замкнутую систему уравнений, определяющуюразличные свойства, в том числе и структуру элементарных частиц. Теоретиками анализировались лишь очень грубые модели бутстрапа, учитывающие взаимосвязьвсего двух – трёх сортов частиц, и, хотя в ряде случаев были получены обнадёживающие качественные результаты, попытки их уточнения сразу женаталкиваются на огромные трудности. Идею бутстрапа нельзя считать удовлетворительным решением проблемы «наипростейших элементов».
Значительно более плодотворным оказался путь объединения частиц в замкнутые группы(мультиплеты), члены каждой из которых могут трактоваться как различные состояния одной и той же частицы. Руководящим принципом при этом служитвыявление симметрий в свойствах различных частиц. Такой «групповой подход», использующий хорошо разработанный математический аппарат теории групп, являетсядальнейшим развитием формализма зарядовых (изотопических) мультиплетов.
Большое значение имело открытие так называемой унитарной симметрии, позволившееобъединить изотопические мультиплеты «обычных» и странных частиц в единые октеты и декаплеты. Учёт спинов дал возможность построить ещё более сложныесемейства частиц: унитарные мультиплеты мезонов объединились в семейство, состоящее из 35 частиц («35 - плет»), а октет и декаплет барионов – в семейство из 56элементов («56 - плет»).
Дальнейшее разработка систематики частиц связана с идеей кварков. Выяснилось, чтоотдельные унитарные мультиплеты не являются совершенно изолированными друг от друга, а связаны строгими правилами симметрии. И самым поразительным было то,что эти правила предсказывали существование частиц с дробными электрическими зарядами – кварков. Вот эти – то частицы на современном уровне развитиянауки действительно можно считать «самыми элементарными», потому что из них могут быть построены всё остальное взаимодействующие частицы – иногда «простымсложением», как атомные ядра из протонов и нейтронов, а иногда рассматривая их как возбуждённые состояния уже построенных частиц, - и в то же время самикварки нельзя построить из других элементарных частиц. В этом смысле кварки существенно отличаются от всех других частиц, среди которых, как ужеотмечалось, невозможно выделить какие – либо более элементарные «строительные элементы». Кварки можно рассматривать как следующий, более глубокий,«суперэлементарный» уровень организации материи и с точки зрения величины дефекта масс, то есть плотности из упаковки внутри протонов, мезонов и других«менее элементарных» объектов.
С позиции теории кварков структурный уровень элементарных частиц – это областьобъектов, состоящих из кварков и антикварков и характеризуемых большим дефектом масс в отношении любых их распадов и виртуальных диссоциаций. Вместе с тем,хотя кварк и является «самой простейшей » известной сегодня частицей, он обладает очень сложными свойствами. От всех других известных нам частиц кваркотличается не только дробным электрическим зарядом, но и дробным барионным числом. Среди других элементарных частиц он выглядит неким кентавром: по своимсвойствам он одновременно и мезон, и барион.
Первоначально считалось, что кварк имеет три состояния: два из них различаются лишь величинойэлектрического заряда, а в третьем состоянии кварк проявляется как странная частица. Однако после открытия семейств «шармированных» (очарованных) частиц ктрём состояниям кварка пришлось добавить четвёртое – «шармом». На самом большом мире ускорителе протонов в Батавии, близ Чикаго, была обнаружена новаяудивительная частица - e-мезон. Его масса значительно превосходит массунуклона, а свойства таковы, что его приходится рассматривать как слипшиеся кварк и антикварк. При этом приходится допустить, что кварк и антикваркобладают ещё одним, пятым по счёту состоянием. Для квантового числа, характеризующего это состояние, ещё нет даже общепринятого названия (чаще всегоего называют «прелестью кварка» или соответствующим английским термином «бьюти»). Пять квантовых степеней свободы кварка принято называть его «ароматом»(некоторые авторы предпочитают говорить о пяти «степенях вкуса кварка»).
Но и эти не исчерпывается перечень свойств кварка. Анализ экспериментальных данныхпривёл к выводу, что каждый из пяти «ароматов» («вкусов») кварка имеет три «цвета», то есть каждое из пяти состояний кварка расщеплено ещё на тринезависимых состояния, характеризуемых величиной специфического квантового числа – «цвета». «Цвет» у кварка изменяется при испускании или поглощении имглюона – кванта промежуточного поля, «склеивающего» кварки и антикварки в мезоны и барионы. (Можно сказать, что глюонное поле – это «поле цвета», егокванты переносят «цвет». Термин «глюоны» происходит от английского слова glue – клей).
В настоящее время идея суперэлементарных частиц – кварков буквально пронизываютфизику энергий. С их помощью объясняется так много экспериментальных данных, что физику просто невозможно обойти без этих удивительных частиц, так же как,например, химику – без атомов и молекул. По мнению большинства физиков, если кварки не существуют в природе как реальные объекты, то это само по себеявлялось бы поразительной загадкой.
И вместе с тем кварки никогда не наблюдались в «чистом виде», хотя, с тех пор какони были введены в теорию, прошло почти два десятилетия. Все многочисленные попытки обнаружить кварки или глюоны в свободном состоянии неизменнозаканчиваются неудачей. Строго говоря, глюоны и кварки остаются пока хотя вероятными, но всё же гипотетическими объектами.
В том, что кварки и глюоны – это физические объекты, а не просто удобный феноменологический способ описания на привычном для нас корпускулярном языкекаких – то ещё непонятных аспектов структуры элементарных частиц, убеждают косвенные опыты. Прежде всего это эксперименты по «зондированию» протонов внейтрон с помощью очень быстрых электронов и нейтрино, когда налетающая частица рассеивается (отскакивает), сталкиваясь с одним из находящихся внутри частицы –мишени кварков.
С учётом кварков список сильно взаимодействующих суперэлементарных частиц сведётся к трём частицам: кварку, антикварку и связывающему их глюону. Кним следует добавить ещё приблизительно десяток «наипростейших частиц» других типов, структура которых пока ещё не проявляется в эксперименте: квантэлектромагнитного поля – фотон, уверенно предсказываемый теоретиками гравитон и семейство лептонов.
Заключение.
За прошедшие года положение в теории элементарных частиц существенно изменилось.Были открыты слабые нейтральные токи, приводящие к таким эффектам, как рассеяние мюонного нейтрино на электронах. Открыты, начиная с J/y-мезона, целая группа элементарных частиц со временемжизни, в тысячу раз превышающим время жизни резонансов. Фактически уже сейчас нужно эти частицы включить в таблицу относительно стабильных элементарных частиц.
Значительны успехи в теории элементарных частиц. Единая теория слабых и электромагнитныхвзаимодействий получила солидное экспериментальное подтверждение, хотя по-прежнему не может считаться с несомненностью достоверной. Кварковая модельстроения адронов получает всё новые и новые экспериментальные подтверждения. После многих лет застоя большой прогресс достигнут втеории сильныхвзаимодействий, которые теперь рассматриваются как межкварковые взаимодействия.
Очень вероятно, что подлинно элементарными частицами, неделимыми уже дальше, являютсялептоны и кварки. Всё огромное множество адронов построено из кварков. Модель четырёх цветных кварков и чётырёх лептонов позволяет в общих чертах понятьструктуру материи. Учёные вплотную подошли к решению новой проблемы, проблемы структуры элементарных частиц.
При бомбардировке протонами высокой энергии неподвижной мишени обнаружены сверхтяжелые нейтральные мезоны, названные «ипсилонами» с массой порядка 9,4ГэВ. Найдено три модификации этих мезонов с близкими массами. Чтобы включить ипсилоны в рамки кварковой модели, надо предположить, что существуют кваркиболее массивные, чем с-кварк. Для сохранения кварк-лептонной симметрии требуется введение двух новых кварков, соответствующие паре t-лептон, ut-нейтрино. Эти кварки уже получили наименование: топ(вершина по-английски) и боттом (дно).
Итак, с увеличением энергии сталкивающихся частиц обнаруживается рождение новых всёболее и более тяжёлых частиц. Это усложняет и без того непростую картину мира элементарных частиц. Появляются новые проблемы, хотя множество старых проблемостаётся нерешёнными.
Вероятно, основной нерешённой проблемой следует считать проблему кварков: могут ли онибыть свободными или же пленение их внутри адронов является абсолютным. Если же кварки принципиально не могут быть выделены и обнаружены в свободномсостоянии, то как убедиться, что они с несомненностью существуют?
Далее остаётся недоказанным экспериментально существование промежуточных векторныхбозонов W+ , W- и W0, столь необходимых для уверенности в справедливости единой теории слабых иэлектромагнитных взаимодействий.
Несомненно, что выяснение строения элементарных частиц будет представлять собой столь жезначительный шаг, как и открытие строения атома и ядра.
Список литературы:
1. Барашенков В. С. Существуют ли границы науки: количественная и качественная неисчерпаемость материального мира. – М.: Мысль, 1982. – 208с. –(Философия и естествознание).
2. Большая Советская Энциклопедия Гл. ред. А. М. Прохоров. Изд. 3-е. М., «Советская энциклопедия », 1974г. Т.8, Т.10, Т.17, Т.23, Т.30.
3. Мякишев Г. Я. Элементарные частицы 3-е изд., испр. и доп.- М.: Наука, 1979. – 176с.
4. Пахомов Б. Я. Становление современной физической картины мира. – М.: Мысль, 1985. – 270с. - (Философия и естествознание).
[1] Направление в теории познания, признающие чувственныйопыт источником знания и считающее, что содержание знания может быть представлено либо как описание этого опыта, либо сведено к нему.
[2] Философское учение об объективной закономернойвзаимосвязи и взаимообусловленности материального и духовного мира
[3] Понятие, впервые введённое в термодинамики дляопределения меры необратимого рассеяния энергии.
[4] Неизменность, независимость от физических условий.
[5] Недолговечные, мимолётные, скоропереходящие.
[6] Свойство элемента частиц, которое позволяет особо строгим образом ориентироваться впространстве
[7] Одно из основных фундаментальных (элементарных)взаимодействий природы. Одно из проявлений сильного взаимодействия – ядерные силы, сзывающие нуклоны в атомных ядрах.
[8] Один из четырёх типов известных фундаментальных взаимодействий междуэлементарными частицами. Сильное взаимодействие слабее не только сильного, но и электромагнитного взаимодействия, но гораздо сильнее гравитационного.
[9] Мультиплет – число возможных ориентацией в пространстве полного спина атома или молекулы