Структурные уровни организации материи

Классификация элементарных частиц

Элементарными частицами называют фундаментальные, т.е. неделимые, количества вещества или энергии. В соответствии с этим определением проводят наиболее общую классификацию элементарных частиц, которая выделяет элементарные частицы, представляющие собой структурные единицы вещества, и элементарные частицы, передающие фундаментальные взаимодействия и являющиеся квантами соответствующих полей.

Элементарные частицы вещества являются фермионами (т.е. имеют полуцелый спин) и бывают двух типов: кварки – основной строительный материал таких частиц, как протоны, нейтроны и – лептоны, к числу которых относятся электроны, мюоны и нейтрино.

Элементарные частицы, передающие взаимодействие, являются бозонами (обладают целым спином) и бывают четырех типов: гравитоны, передающие гравитационное взаимодействие, фотоны, передающие электромагнитное взаимодействие, слабые бозоны – для слабого взаимодействия и глюоны – для сильного ядерного взаимодействия.

Согласно современным представлениям, кварки являются теми самыми "кирпичиками", из которых построена материя.

Сейчас их считают “самыми элементарными” в том смысле, что из них могут быть “построены” все сильно взаимодействующие частицы. С позиции теории кварков уровень элементарных частиц – это область объектов, состоящих из кварков и антикварков. При этом хотя последние и считаются на данном уровне познания простейшими, самыми элементарными из известных частиц, сами они обладают сложными свойствами – зарядом, “очарованием”, “цветом” и другими необычными свойствами. Как в химии не обойтись без понятий “атом” и “молекула”, так и физика элементарных частиц не может обойтись без понятия “кварк”.

Считают, что при Большом Взрыве возникли не атомы и атомные частицы, а именно первичный строительный материал – кварки, из которого потом сформировались другие частицы. Большая заслуга в открытии кварков принадлежит американскому ученому Гелл Манну, который впервые предположил, что протоны, нейтроны, мезоны построены из кварков. Теория кварков наилучшим образом объясняет поведение атомов. Известно несколько разновидностей кварков, называемых "ароматами":  u -кварк,  d -кварк, странный кварк, очарованный кварк,  b -кварк,  t -кварк. Кварк каждого "аромата" может быть еще трех "цветов" – красного, зеленого, синего. Протон и нейтрон состоят из трех кварков различных цветов. В протоне содержатся два  u -кварка и один  d -кварк, в нейтроне – два  d -кварка и один u -кварк.

Таким образом, согласно современным воззрениям, ни атомы, ни находящиеся внутри атомов протоны с нейтронами не являются неделимыми.

Обратимся еще раз к атомистической концепции, но уже с позиций наших знаний об элементарных частицах. Атомистическая концепция опирается на представление о дискретном строении материи, согласно которому объяснение свойств физического тела можно, в конечном счете, свести к свойствам составляющих его мельчайших частиц, которые на определенном этапе познания считаются неделимыми. Исторически такими частицами сначала признавались атомы, затем элементарные частицы и кварки. Трудности, которые возникают при таком подходе с общей мировоззренческой точки зрения связаны, во-первых, с абсолютизацией аспекта дискретности, неограниченной делимости материи, во-вторых, с полной редукцией сложного к простому, при которой не учитываются качественные различия между ними.

Поэтому с философской точки зрения особенно интересными представляются новые подходы к изучению строения материи, которые основываются не на поиске последних, неделимых ее части, а скорее на выявлении их внутренних связей для объяснения целостных свойств других материальных образований. По-видимому, на объединении концепции дискретности и атомизма, с одной стороны, и непрерывности, целостности и системного подхода, с другой стороны, следует ждать дальнейшего прогресса в познании фундаментальных физических свойств материи. Во всяком случае редукционистская тенденция, связанная с попытками сведения свойств и закономерностей разнообразных сложных объектов и явлений к простым свойствам составляющих их элементов, в настоящее время наталкивается на серьезные трудности, преодоление которых возможно путем поиска альтернативных путей исследования.

Структурность и системная организация материи относятся к числу ее важнейших атрибутов. Они выражают упорядоченность существования материи и те конкретные формы, в которых она проявляется. Под структурой материи обычно понимается ее строение в микромире, т.е. существование в виде молекул, атомов, элементарных частиц и т.д.

Но если рассматривать материю в целом, во всех доступных и потенциально возможных формах ее существования, то понятие структуры материи будет охватывать также различные макроскопические тела, все космические системы мегамира, причем в любых, сколь угодно больших пространственно-временных масштабах. С этой точки зрения структура материи проявляется в ее существовании в виде бесконечного многообразия целостных систем, тесно связанных между собой в закономерном движении и взаимодействии, в упорядоченном строении каждой системы. Эта структура неисчерпаема и бесконечна в количественном и качественном отношениях.

Проявлениями структурной бесконечности материи выступают:

· неисчерпаемость объектов и процессов микромира;

· бесконечность пространства и времени;

· бесконечность изменений и развития материи.

Но из всего этого многообразия форм объективной реальности эмпирически доступна для наблюдений всегда лишь конечная область материального мира. О свойствах и законах движения материи за пределами наблюдаемости мы судим на основе экстраполяции объективно верных научных знаний на предполагаемые области. Причем если эта экстраполяция производится в отношении всеобщих атрибутов и универсальных законов бытия материи, то она может не заключать в себе большой ошибки (хотя и требует теоретического обоснования); если же экстраполируются частные,специфические свойства и законы, то ошибка, начиная с некоторых масштабов, будет неизбежна и картина реальности окажется искаженной.

В доступных пространственно-временных масштабах структурность материи проявляется в ее системной организации, существовании в виде множества иерархически взаимосвязанных систем, начиная от элементарных частиц и кончая Метагалактикой. Последнюю иногда отождествляют со всей Вселенной,но для этого нет никаких оснований, ибо Вселенная в целом, понимаемая в предельно широком смысле этого слова, тождественна всему материальному миру и движущейся материи, которая может включать в себя бесконечное множество Метагалактик или других космических систем.Понятие же Вселенной,используемое в различных космологических моделях, обозначает наблюдаемую Вселенную (Метагалактику) либо же различные аспекты последней, как они представляются через содержание принятых моделей.

Система – это внутреннее (или внешнее) упорядоченное множество взаимосвязанных (в том числе взаимодействующих) элементов,определенная целостность, проявляющая себя как нечто единое по отношению к другим объектам либо внешним условиям. Упорядоченность множества означает наличие закономерных отношений между элементами системы,проявляющихся в виде законов структурной организации.Внутренняя упорядоченность имеется у всех природных систем,возникающих в результате взаимодействия тел и естественного саморазвития материи.

Между элементами любых систем существует взаимосвязь и взаимная обусловленность, которая в материальных системах проявляется в виде взаимодействия элементов путем обмена материей и движением, а в случае самоорганизующихся систем – также и обмена определенной информацией.Во всех целостных системах связь между элементами является более устойчивой,упорядоченной и внутренне необходимой, чем связь каждого из элементов с окружающей средой. В неживой природе множество объектов будет целостной системой лишь в том случае,если энергия связи между ними больше суммарной кинетической энергии совместно с энергией внешних воздействий,направленных на разрушение системы. В противном случае система не возникает или распадается. Энергия внутренних связей – это общая энергия, которую нужно было бы приложить последовательно к каждому из элементов, чтобы удалить его из системы на большое расстояние, т.е. "растащить" систему. Поскольку эта энергия не может возникнуть «из ничего», и каждый из элементов существует в некоторой "потенциальной яме", то стабильность и целостность систем оказывается косвенно обусловленной действиемзакона сохранения энергии.

Внутренняя энергия связи может иметь различное значение в зависимости от характера сил,объединяющих тела в системы.С переходом от космических систем к макроскопическим телам,молекулам и атомам к гравитационным силам добавляются электромагнитные силы,во много раз превышающие гравитационные. Чем меньше размеры материальных систем, тем более прочно связаны их элементы. Этому соответствует возрастание дефекта масс. При переходе к элементарным частицам энергия внутренних связей и соответствующий ей дефект масс возрастают.Между кварками существуют настолько мощные силы взаимодействия, переносимые глюонами, что дефект масс кварков как бы "погашает" большую часть их собственной массы,

Дата добавления: 2014-11-16