Лекция 7. Структура микромира

1. Материя и ее структура.

2. Концепция атомизма.

3. Элементарные частицы.

4. Единая теория поля.

5. Вакуум.

С момента возникновения теоретического мышления, в истории человеческих представлений о природе вещества постоянно соперничали две концепции, два общих объяснительных подхода. Первый из них, корпускулярный («корпускула» означает «частица»), основан на представлении о том, что мир дискретен, и все на свете состоит из мельчайших частиц, атомов,движущихся в пустоте. Второй подход, континуальный («континуальный» означает «непрерывный, без разрывов или неоднородностей»), исходит из представления о том, что основой вещей является некая непрерывная, бесконечно делимая субстанция, не имеющая определенных границ и заполняющая вселенную без пустот.

Споры между атомистами и сторонниками представлений о непрерывности и бесконечной делимости материи стали одной из основных движущих сил развития картины мира. В конце концов оказалось, что дискретность («дискретный» — прерывный, состоящий из отдельных частей) и непрерывность (континуальность) являются не взаимоисключающими, а взаимодополняющими атрибутами материи.

Материя. Понятие «Материя» многозначно. Его используют для обозначения того или иного вида ткани. Иногда ему придают иронический смысл, говоря о «высоких материях». Под материей понимают также окружающий человека мир, действительность. Атрибутами материи – ее неотъемлемыми свойствами – являются такие понятия как пространство, время, движение. Материя несотворима и неуничтожима, существует вечно и бесконечно, а также разнообразна по форме своих проявлений. Но у всех предметов и явлений, окружающих человека, несмотря на их разнообразие, есть общая черта: все они существуют вне сознания человека и независимо от него, т.е. являются материальными.

Люди постоянно открывают все новые и новые свойства природных тел, производят множество не существующих в природе вещей, следовательно, материя неисчерпаема. Но материальный мир един. Все его части – от неодушевленных предметов до живых существ, от небесных тел до человека как члена общества – так или иначе связаны. Т.е. все явления в мире обусловлены естественными материальными связями и взаимодействиями, причинными отношениями и законами природы. В этом смысле в мире нет ничего сверхъестественного и противостоящего материи. Человеческая психика и сознание тоже определяются материальными процессами, происходящими в мозгу человека, и являются высшей формой отражения внешнего мира.

Материи свойственна структурность. Структурность – внутренняя расчлененность материального бытия, которая выражается в упорядоченности существования материи и ее конкретных форм, и предполагает дифференциацию составляющих ее элементов. Истоки идеи структурности универсума относятся к античной философии (атомистика Демокрита, Лукреция Кара).

Структура определяется как совокупность устойчивых, закономерных связей и отношений между элементами системы, обеспечивающих сохранение ее основных свойств. Понятие структуры материи охватывает макроскопические тела, все космические системы. С этой точки зрения понятие «структура» проявляется в том, что она существует в виде бесконечного многообразия целостных систем, тесно взаимосвязанных между собой, а также в упорядоченности строения каждой системы. Такая структура бесконечна в количественном и качественном отношении. Проявлениями структурной бесконечности материи выступают:

1) неисчерпаемость объектов и процессов микромира.

2) бесконечность пространства и времени.

3) бесконечность изменений и развития процессов.

Современные представления о структурированности Вселенной касаются мега-, макро- и микромира. И Метагалактика, и макромир, и микрочастица в свою очередь, тоже структурированы. Поэтому деление материи на структурные уровни носит относительный характер. Внутри этих уровней доминирующими являются координационные отношения, а между уровнями – субординационные. Переход от одной области действительности к другой связан с изменением числа факторов, обеспечивающих упорядоченность и трансформацией самих структур. В доступных пространственно-временных масштабах структурность материи проявляется в ее системной организации, существовании в виде множества иерархически взаимодействующих систем от элементарных частиц до Метагалактики.

В современном естествознании структурированность материи оформилась в научно обоснованную концепцию системной организации мира. Структурная организация, т.е. системность, является способом существования материи. Единство организованности (упорядоченности) – системности – и внутренней расчлененности – структурности – определяет существование мира как системы систем: систем объектов, систем свойств или отношений и т.п.

Системой является то, что определенным образом связано между собой и подчинено соответствующим законам. В переводе с греческого языка система – это целое, составленное из частей, соединение. Система – это внутреннее или внешнее упорядоченное множество взаимосвязанных и взаимодействующих элементов. Она фиксирует преобладание в мире организованности над хаотичными изменениями. Все материальные объекты универсума обладают внутренне упорядоченной, системной организацией. Упорядоченность подразумевает наличие закономерных отношений между элементами системы, которое проявляется в виде законов структурной организации. Внутренняя упорядоченность имеется у всех природных систем, возникающих в результате взаимодействия тел и естественного саморазвития материи, внешняя характерна для искусственных систем, созданных человеком: технических, производственных, концептуальных, информационных и т.п. Системы бывают объективно существующими и теоретическими, или концептуальными, т.е. существующими лишь в сознании человека.

Существует несколько десятков определений понятия «система», однако классическим признано определение, данное основоположником теории систем Людвигом фон Берталанфи: система – это комплекс взаимодействующих элементов. Ключевым понятием в этом определении является понятие «элемент». Элемент понимается как неразложимый компонент системы при определенном, заданном способе ее рассмотрения. Если меняется угол зрения, то явления или события, которые рассматривались в качестве элемента системы, сами могут становиться системами.

Например, элементами системы «газ» выступают молекулы газа. Однако, сами молекулы в свою очередь могут рассматриваться в качестве, элементами которых являются атомы. Атом – тоже система, однако принципиально другого уровня, чем газ.

Элементами системы признаются только те явления или процессы, которые участвуют в формировании свойств. Комплекс элементов системы может складываться в подсистемы разного уровня, которые выполняют частные программы и представляют собой промежуточные звенья между элементами и системой.

По характеру связей между элементами все системы делятся на суммативные и целостные. В суммативных системах связь между элементами выражена слабо, они автономны по отношению друг к другу и системе в целом. Качество такого образования равно сумме качеств составляющих его элементов.

Примерами суммативной системы являются груда камней, куча песка и т.д. Несмотря на высокую степень автономности элементов, образования, аналогичные груде камней, все же рассматриваются как системы, поскольку могут сохранять устойчивость длительное время и существовать в качестве самостоятельных совокупностей. Кроме того, существует предел количественных изменений таких систем, превышение которого приводит к изменению их качества. У суммативных систем есть собственная программа существования, которая выражается в структурности.

В целостных системах четко выражена зависимость их возникновения и функционирования от составляющих элементов, и наоборот, каждый элемент такой системы в своем возникновении, развитии и функционировании зависит от всей целостности, и, в свою очередь, система зависит от каждого из своих элементов. Примером целостной системы является живой организм, общество. Под действием определенных факторов суммативные системы могут преобразовываться в целостные, и наоборот.

В зависимости от характера взаимодействия со средой выделяют системы открытые и закрытые (замкнутые) системы. В закрытых системах не происходит обмена энергией и веществом с внешним миром. В открытых системах при определенных условиях из хаоса могут самопроизвольно возникать новые упорядоченные структуры, а система в целом повышает уровень своей структурной организации.

Современное миропонимание предполагает упорядоченность и организованность мира, а проблема самоорганизации бытия является одной из самых важных в науке и философии. Бытие представляет собой сложноорганизованную иерархию систем, все элементы которой находятся в закономерной связи друг с другом. Кажущаяся неоформленность изменений в каком-то одном отношении оказывается упорядоченностью в другом. Именно это обстоятельство выражается в понятии системности.

Структурные уровни организации материи. Объективная действительность состоит из трех основных сфер: неорганической природы, живой природы, общества. Например, при классификации неорганического типа выделяют элементарные частицы и поля, атомные ядра, атомы, молекулы, макроскопические тела, геологические образования.

Каждая из сфер объективной действительности включает в себя ряд взаимосвязанных структурных уровней. Структурные уровни материи образованы из какого-либо вида и характеризуются особым типом взаимодействия между составляющими их элементами. Критериями для выделения различных структурных уровней служат следующие признаки:

1) пространственно-временные масштабы;

2) совокупность важнейших свойств и законов изменения

3) степень относительной сложности, возникшей в процессе исторического развития материи в данной области мира.

В сфере неорганической природы можно вычленить три структурных уровня:

мегамир – мир космоса (планеты, звездные комплексы, галактики, метагалактики и неограниченные масштабы до 10²⁸ см);

макромир – мир устойчивых форм и соразмерных человеку величин (а также кристаллические комплексы молекул, организмы, сообщества организмов, т.е. макроскопические тела размером 10^-6 – 10⁷ см);

микромир – мир атомов и элементарных частиц, где неприменим принцип «состоит из» (область порядка 10^{-15 см).}

Пространственные масштабы нашей Вселенной и размеры основных материальных образований, в том числе и микрообъектов, можно представить из следующей таблицы, где размеры даны в метрах (для простоты приведены лишь порядки чисел, т. е. приближенные числа в пределах одного порядка):

Из этих данных видно, что отношение самого большого к самому малого размеру, доступному сегодняшнему эксперименту, составляет 44 порядка. С развитием науки данное отношение постоянно возрастало и будет возрастать по мере накопления новых знаний об окружающем нас материальном мире. Эмпирически доступна для человека лишь конечная область материального мира: в масштабах от 10^-15 до 10²⁸ см, а во времени – до 2*10⁹ лет.

На разных структурных уровнях неорганической материи мы сталкиваемся с особенными проявлениями пространственно-временных отношений, с различными видами движения. Микромир описывается законами квантовой механики. В макромире действуют законы классической механики. Мегамир связан с законами теории относительности и релятивистской космологии. Разные уровни материи характеризуются разными типами связей:

1) в масштабах 10^{-13 см – сильные взаимодействия, целостность ядра обеспечивается ядерными силами.}

2) целостность атомов, молекул, макротел обеспечивается электромагнитными силами.

3) в космических масштабах – гравитационными силами.

С увеличением размеров энергия взаимодействия уменьшается. Чем меньше размеры материальных систем, тем более прочно связаны между собой их элементы.

Внутри каждого из структурных уровней существуют отношения субординации (молекулярный уровень включает атомарный, а не наоборот). Всякая высшая форма возникает на основе низшей, включает ее в себя в снятом виде. Это означает по существу, что специфика высших форм может быть познана только на основе содержания высшей по отношению к ней форме материи. Закономерности новых уровней не сводимы к закономерностям уровней, на базе которых они возникли, и являются ведущими для данного уровня организации. Кроме того, неправомерен перенос свойств высших уровней материи на низшие. Каждый уровень материи обладает своей качественной спецификой. В высшем уровне материи низшие его формы представлены не в чистом виде, а в синтезированном (снятом) виде.

Например, нельзя перенести законы животного мира на общество, даже если на первый взгляд кажется, что в нем господствует «закон джунглей». Хотя жестокость человека может быть несравненно больше жестокости хищников, тем не менее, хищникам незнакомы такие человеческие чувства как, например, любовь.

С другой стороны, безосновательны попытки отыскания на низших уровнях элементов высших уровней. Например, трудно представить себе мыслящий булыжник. Это гипербола. Но были попытки ученых-биологов, в которых они пытались создать обезьянам «человеческие» условия, рассчитывая через 100-200 лет обнаружить в их потомстве антропоида.

Структурные уровни материи взаимодействуют между собой как часть и целое. Взаимодействие части и целого состоит в том, что одно предполагает другое, они едины, и друг без друга существовать не могут. Не бывает целого без части и нет частей вне целого. Часть приобретает свой смысл только благодаря целому так же, как и целое есть взаимодействие частей. Во взаимодействии части и целого определяющая роль принадлежит целому. Однако это не означает, что части лишены своей специфики. Определяющая роль целого предполагает не пассивную, а активную роль частей, направленную на обеспечение нормальной жизни универсума как целого. Подчиняясь в общем системе целого, части сохраняют свою относительную самостоятельность и автономность. С одной стороны, они выступают как компоненты целого, а с другой – они сами являются своеобразными целостными структурами, системами. Например, факторами, обеспечивающими целостность систем в неживой природе, являются ядерные, электромагнитные и другие силы, в обществе – производственные отношения, политические, национальные и т.д.

Органика как тип материальной системы тоже имеет несколько уровней своей организации:

1) доклеточный уровень включает в себя ДНК, РНК, нуклеиновые кислоты, белки;

2) клеточный – самостоятельно существующие одноклеточные организмы;

3) многоклеточный – органы и ткани, функциональные системы (нервная, кровеносная), организмы (растения и животные);

4) организм в целом;

5) популяции (биотоп) – сообщества особей одного вида, которые связаны общим генофондом (могут скрещиваться и производить себе подобных) стая волков в лесу, стая рыб в озере, муравейник, кустарник;

6) биоценоз – совокупность популяций организмов, при которых продукты жизнедеятельности одних становятся условиями жизни и существования других, населяющих участок суши или воды. Например, в лесу популяции живущих в нем растений, а также животных, грибов, лишайников и микроорганизмов взаимодействуют между собой, образуя целостную систему;

7) биосфера – глобальная система жизни, та часть географической среды (нижняя часть атмосферы, верхняя часть литосферы и гидросферы), которая является средой обитания живых организмов, обеспечивая необходимые для их выживания условия (температуру, почву и т.п.) образованная в результате взаимодействия биоценозов.

Общая основа жизни на биологическом уровне – органический метаболизм (обмен веществом, энергией, информацией с окружающей средой), которая проявляется на любом из выделенных подуровней:

1) на уровне организмов обмен веществ означает ассимиляцию и диссимиляцию при посредстве внутриклеточных превращений;

2) на уровне биоценоза он состоит из цепи превращений вещества, первоначально ассимилированного органами-производителями при посредстве организмов-потребителей и организмов-разрушителей, относящимся к разным видам;

3) на уровне биосферы происходит глобальный круговорот вещества и энергии при непосредственном участии факторов космического масштаба.

В рамках биосферы начинает развиваться особый вид материальной системы, который образован благодаря способности особых популяций живых существ к труду – человеческое сообщество.

Социальная материя включает в себя следующие подуровни: индивид, семья, группа, коллектив, социальная группа, классы, нации, государство, система государств, общество в целом.

Общество существует лишь благодаря деятельности людей. Структурный уровень социальной действительности находится в неоднозначно-линейных связях между собой (например, уровень нации и уровень государства). Переплетение разных уровней структуры общества не означает отсутствия упорядоченности и структурированности общества. В обществе можно выделить фундаментальные структуры – главные сферы общественной жизни: материально-производственную, социальную, политическую, духовную и т.д., имеющие свои законы и структуры. Все они в определенном смысле субординированы, структурированы и обусловливают генетическое единство общества в целом. Таким образом, любая из областей объективной действительности образуется из ряда специфических структурных уровней, которые находятся в строгой упорядоченности в составе той или иной области действительности. Переход от одной области к другой связан с усложнением и увеличением множества образованных факторов, обеспечивающих целостность систем, т.е. эволюция материальных систем происходит в направлении от простого к сложному, от низшего к высшему.

Уровни организации естественных знаний. Наши знания о природе накапливаются и развиваются не хаотично, а в строгой последовательности, обусловленной иерархией уровней организации материи. Природа едина по своей сути и деление знаний о ней на отдельные естественные дисциплины, например, химию или физику часто бывает достаточно условным: физические идеи находят свое отражение в объяснении химических процессов, а изучение химических превращений веществ друг в друга приводят физиков к открытию новых физических закономерностей и явлений, например, открытию высокотемпературной сверхпроводимости или открытию солитонов.

Это обусловлено, прежде всего, существованием общего для химиков и физиков объекта исследования - вещества. Но есть и существенные различия между этими двумя науками: во-первых, круг объектов исследования физики по сравнению с химией более широк - от микромира до масштабов Вселенной; во-вторых, законы физики более универсальны и применимы к целому ряду природных явлений. Об этом свидетельствует развитие большого количества смежных с ней наук - физической химии, геофизики, биофизики, астрофизики и т.д. В этих науках ученые пытаются объяснить химические, биологические и все прочие природные явления и процессы с точки зрения основных физических законов.

Описанием явлений и процессов природы занимаются феноменологи­ческие науки. Целью таких знаний является описание природных явлений на макроскопическом уровне, т.е. на уровне, доступном восприятию органами чувств человека. Однако, современная экспериментальная наука, использующая разнообразные методы исследования и новейшее оборудование: электронные микроскопы ЯМР - томографы, высокоразрешимую спектроскопическую аппаратуру, включая рентгеноспект­ральную и другие современные методы исследования, позволяет значительно углубиться внутрь изучаемого предмета – спуститься с макроуровня на микроуровни.

Существует некая иерархия знаний, когда сложные явления и процессы описываются с точки зрения более простых и знакомых. Вспомните еще раз уже известную вам схему связей физических, химических и биологических наук:

ФИЗИКА ———> ХИМИЯ ————> БИОЛОГИЯ

Но эта связь не является чисто механической, придуманной кем-то схемой, она отражает иерархию организации материи, которая действительно существует в природе:

ЭЛЕМЕНТАРНЫЕ ЧАСТИЦЫ ———> АТОМ ——> МОЛЕКУЛА —> МАКРОМОЛЕКУЛА ——> НАДМОЛЕКУЛЯРНЫЕ КОМПЛЕКСЫ —-> ОРГАНЕЛЛЫ КЛЕТКИ —————> ЖИВАЯ КЛЕТКА

Концепция атомизма. Концепция атомизма – концепция дискретного, квантованного строения материи – пронизывает естествознание на протяжении всей его истории: от античной натурфилософии Левкиппа и Демокрита через классическую философию Лукреция Кара до современных учений физики, химии, биологии и других наук. В начале ХIХ в. химикам в лучшем случае удавалось выделить лишь чистые химические элементы. Но многие ведущие физики и химики даже в конце XIX в. не верили в реальность существования атомов. Еще в начале XX века выдающийся физик Эрнст Мах (1891 – 1976) каждого, кто на заседании его семинара заговаривал об атомах, прерывал вопросом: «А сами-то вы видели хотя бы один атом?», давая понять, что считает их недоказанной гипотезой. Мах был противником атомизма: поскольку атомы в то время были недоступны наблюдению, Мах рассматривал их как своего рода гипотезу для объяснения ряда физических и химических явлений, без которой можно обойтись. К тому же многие экспериментальные результаты химии и рассчитанные в соответствии с кинетической теорией газов данные утверждали другое понятие для мельчайших частиц – молекулы.

Мах утверждал, что поскольку молекулы являются мыслительными конструктами и их существование не может быть проверено прямым наблюдением, нет никакой необходимости представлять их в пространстве трёх, а не другого, большего числа измерений. В эпистемологии Махом было введено понятие о мысленном эксперименте.

Людвиг Больцман – автор молекулярно-кинетической теории газов – первый, кто применил атомистические представления, показав, что тепловая энергия какого-нибудь тела есть не что иное как ансамбль незаметных, быстрых, беспорядочных, неправильных движений отдельных молекул. Открытие закона простых кратных (прерывистых) отношений как общего закона состава и строения химически сложных веществ превратило атомистическую идею древних греков в закон химической атомистики.

В начале XIX века английский ученый-самоучка Джон Дальтон показал, что каждый химический элемент состоит из колоссального количества крайне ничтожных частиц, или атомов, связанных между собой более или менее значительной в зависимости от обстоятельств силой притяжения и неделимых никакими известными в то время способами. Атомы различных элементов имеют разные веса, а атомы одного и того же элемента тождественны, имеют один и тот же неизменный вес (заметим, однако, что уже Эпикур различал атомы не только по форме и величине, но и по весу). Атомы способны соединяться между собой в простых кратных отношениях, т.е. так, что один атом присоединяет только целое, но никак не дробное число других атомов.

Д.И.Менделеев, не признававший абсолютной дискретности, тем не менее примкнул к атомистической теории, не сомневаясь в реальном существовании атомов, и даже считая, что атомы простых тел образованы сложением некоторых еще меньших частей (ультиматов) и неделимы только обычными химическими силами и что переход от одного элемента к другому в результате постепенного нарастания атомного веса происходит не плавно, а резким скачком, путем перерыва постепенности.

Это был период, когда мало кто сомневался в том, что кирпичиками мироздания являются атомы. Мысль о том, зачем природе нужно такое солидное количество разнокалиберных кирпичиков – от маленького водорода до большого урана – никого особенно не волновала.

Самой маленькой частицей сложного вещества, состоящей из атомов одного или нескольких элементов, которая все еще сохраняет индивидуальные свойства вещества, считалась молекула. Реальное существование молекул, в состав которых входят атомы, было окончательно подтверждено в 1906 г. опытами французского физика Жана Перрена по изучению закономерностей броуновского движения. В каком соотношении находятся между собой атомы и молекулы? Насколько те и другие малы? Действительно ли они существуют? Только в начале XX в. были получены ответы на эти вопросы. На пороге ХХ века было установлено, что все бесконечное разнообразие окружающей нас природы представляет собой различные комбинации относительно небольшого числа основных элементов.

В современном представлении молекула – наименьшая частица вещества, обладающая его основными химическими свойствами и состоящая из атомов, соединенных между собой химическими связями. С физической точки зрения молекула - это некоторая совокупность атомов, которая обладает рядом характерных отличительных свойств. К характерным свойствам молекулы относятся качественный и количественный состав, пространственное расположение атомов, энергия взаимодействия атомов и др. Структура молекулы является обобщением этих и других свойств. При делении молекула распадается на составляющие ее атомы, и свойства первоначального вещества бесследно исчезают.

Атом – составная часть молекулы. Число атомов в молекуле составляет от двух (Н_2, О_2, HF, НC l) до сотен и тысяч (некоторые витамины, гормоны и белки). Атомы инертных газов часто называют одноатомными молекулами. Если молекула состоит из тысяч и более повторяющихся единиц (одинаковых или близких по строению групп атомов), ее называют макромолекулой.

Число атомов в вышеупомянутой совокупности не ограничено. Молекулы газов могут содержать 1 атом (вещество Ar), два атома (O₂), небольшое число атомов (S₈), много атомов (молекула вещества “найлон” содержит до 10000 атомов) и очень большое количество атомов (алмаз - практически представляет молекулу-кристалл). Молекула не обязательно должна существовать при н.у.

До конца XIX в. неделимость атома не вызывала серьезных возражений. Однако физические опыты конца XIX и начала XX столетий не только подвергли сомнению неделимость атома, но и доказали существование его структуры. К концу ХIХ столетия набралось много доказательств в пользу того, что атомы имеют более или менее сложное строение. К ним относятся результаты исследования электролиза, открытия электрона, наличие химического сродства – все они имели под собой глубокую основу. Развитие науки об электричестве сначала привело к появлению идеи зернистости, а потом к открытию английским физиком Джозефом Томсоном (1856 – 1940) в 1897 году электрона. Открытие электрона не поколебало идею о неделимости атома. Электрон был первой открытой элементарной частицей, но авторитет атома был так высок, что его часто называли «атомом электричества». В 1898 г. Томсон также определил заряд электрона, он весил исчезающе мало, во много раз легче самого из легких атомов – водорода: всего 9,106* 10 ^-28 г.

В 1903 г. Томсон предложил одну из первых моделей атома. Атом рисовался тогда физикам как сфера, или сферическое облако, равномерно заряженное положительным электричеством, «что-то вроде пудинга с изюмом», как однажды выразился сам Томсон. Согласно томсоновской модели, атом в целом нейтрален: сумма всех отрицательных зарядов электронов всегда равна величине положительного заряда сферы. При этом электроны, по мнению Томсона, должны быть расположены в атоме симметрично, но под влиянием внешних условий они могут смешаться в сторону, колебаться около равновесных положений. Лишь потеря атомом одного или нескольких электронов приводит к образованию положительного тока.

Томсоновскую модель атома нельзя было непосредственно проверить, но в ее пользу свидетельствовали всевозможные аналогии. Трудность заключалась в том, чтобы найти прямой подход к исследованию атомов. Такой подход появился не в результате целенаправленных поисков, а благодаря случайному наблюдению явления совсем иного рода: это было открытие радиоактивности, сделанное в 1896 г. Антуаном Анри Беккерелем (1852 – 1908). После открытия различных источников естественной радиоактивности встал вопрос о природе нового вида лучей. Узкий пучок лучей от радиоактивного источника пропустили между полюсами сильного магнита: если частицы заряжены, путь их полета неизбежно искривится. Излучение разделилось на три части. Менее отклоняющийся поток был назван альфа-излучением, не изменившийся лучевой поток получил название гамма-лучей, наиболее искривившийся поток стал называться бета-излучением. Каждый вид изучили отдельно. Оказалось, что альфа и бета-лучи, представляющие собой потоки заряженных корпускул, не могут называться лучами в строгом смысле слова. Естественно было попробовать направить эти лучи на атомы обычного, нерадиоактивного вещества. В случае, если атомы вещества окажут сопротивление потоку корпускул, то последним придется вести себя как пыльце в броуновском движении, ежесекундно меняя направление в результате сотен и тысяч столкновений.

Но их поведение оказалось сложным и противоречивым. Большинство альфа-частиц проходило сквозь вещество, почти не отклоняясь. Это как будто свидетельствовало о проницаемости атомов. Но некоторые частицы отклонялись, и весьма значительно, иногда даже отскакивая назад. Оставалось предположить, что неведомая сила отталкивания концентрируется в ничтожно малом, по сравнению с размерами самого атома, объеме. Так английский физик Эрнест Резерфорд (1871 – 1937) пришел к выводу, что атомы имеют ядро. В результате в 1911 г. предложил другую модель строения атома.

Согласно этой модели атом уподоблялся миниатюрной солнечной системе. Планетарная модель атома представляла атом как положительно заряженное ядро, вокруг которого вращаются отрицательно заряженные электроны. Возникающая при движении электронов по орбитам сила уравновешивается притяжением между положительно заряженным ядром и отрицательно заряженными электронами. Атом в целом электрически нейтрален, общий заряд атома равен нулю, поскольку заряды ядра и электронов равны друг другу. Почти вся масса атома сосредоточена в его ядре, а масса электронов ничтожно мала. С помощью планетарной модели было объяснено явление отклонения альфа-частиц при прохождении через атом.

Поскольку размеры атома велики по сравнению с размерами электронов и ядра, постольку альфа-частица без препятствий проходит через него. Отклонение наблюдается тогда, когда альфа-частица проходит близко от ядра, в этом случае электрическое отталкивание вызывает ее резкое отклонение от первоначального пути.

Однако, атомная система Резерфорда была неустойчивой: вращающиеся электроны, в конце концов, должны были упасть на ядро. Но опыт показал, что атомы являются весьма устойчивыми образованиями и что для их разрушения требуются огромные силы. В связи с этим прежняя модель строения атома впоследствии была усовершенствована датским физиком Нильсом Бором (1885 – 1962), который на основе квантовой теории предположил, что поскольку энергии орбит дискретны и постоянны, то при переходе с одной из них на другую всегда испускается или поглощается определенная порция энергии.

Ø первый постулат – постулат стационарных состояний – гласит, что при вращении по так называемым стационарным орбитам электроны не излучают энергию;

Ø второй постулат – правило частот – гласит, что энергия излучается или поглощается в виде кванта энергии при переходе электрона с одной орбиты на другую.

Предложенная Бором теория атома водорода открыла новую эру в атомной физике. Вскоре после опубликования теории Арнольд Зоммерфельд предложил более усовершенствованную модель атомных орбит: теория разрешила электрону двигаться не по круговым, а по эллиптическим орбитам. А в 1925 г. Уленбек и Гоудсмит для объяснения некоторых свойств электронной структуры щелочных металлов выдвинули гипотезы о вращающемся электроне.

Появление первой элементарной частицы вызвало к жизни другие. В 1919 г. Э. Резерфорд подверг бомбардировке альфа-частицами атомы азота и установил, что расщепленные ядра испускают частицы, названные протонами, что значит «простейшие». Факт, что протоны входят в состав атомных ядер различных элементов и поэтому могут считаться элементарными частицами, можно было считать экспериментально доказанным.

Первый шаг к открытию положительно заряженной изюмины был уже сделан незадолго до появления атома Томсона. Просто обеим теориям предстояло некоторое время развиваться параллельно, чтобы потом соединиться и предстать в новом качестве – теории атома Бора.

Предполагалось, что ядро атома состоит из отрицательно заряженных электронов и положительно заряженных протонов. Физики попробовали создать модель атомного ядра на основе уже имеющихся «первокирпичиков», без привлечения новых частиц. Однако в 1932 г. Джеймс Чэдвик обнаружил, что в ядре есть еще и другие частицы, масса которых почти равна массе протона, но которые не заряжены, поэтому их назвали нейтронами.

. В 1930 г.при наблюдении радиоактивного распада частиц была открыта еще одна частица. При этом обнаружились явления, которые, казалось бы, противоречили закону сохранения энергии. Дело в том, что в процессе распада часть энергии «исчезала». Паули предположил, что в процессе радиоактивного распада вещества вместе с электроном выделяется частица, обладающая высокой проникающей способностью. Позже эта частица была названа нейтрино («нейтрончик», с легкой руки итальянского физика Э.Ферми). Экспериментальное доказательство существования нейтрино появилось только в 1954 г. Оказалось, что в результате слабых взаимодействий нейтроны, входящие в состав атомного ядра, распадаются на три типа частиц: положительно заряженные протоны, отрицательно заряженные электроны и нейтральные нейтрино.

Открытие волновой природы электрона раскрыло новый, своеобразный мир явлений. Как говорилось выше, частицы могут себя вести и подобно волне (корпускулярно-волновой дуализм). В 1928 г. английским физиком Полем Дираком была предложена изящная теория электрона, которая дает нам возможность определить, когда электрон сходен с частицей, а когда – с волной. Одна из посылок теории Дирака об электроне заключалась в том, что должна существовать элементарная частица, обладающая такими же свойствами, как и электрон, но с положительным зарядом. Такая античастица была обнаружена Андерсоном. Античастицы имеют такую же массу, но противоположный электрический заряд по сравнению с парными им обычными частицами. Так, антиэлектрон заряжен положительно, поэтому его и назвали позитроном, а антипротон – отрицательно.

Из теории Дирака также следовало, что позитрон и электрон, взаимодействуя между собой, образует пару фотонов, т.е. квантов электромагнитного излучения. Это явление получило название аннигиляции. Возможен и обратный процесс (процесс рождения), когда фотон, взаимодействуя с ядром, превращается в пару электрон-позитрон. Кроме того, электрон и позитрон могут возникать и исчезать не только совместно, но и по отдельности - при взаимных превращениях нейтронов и протонов или их античастиц, т.е. антинейтронов и антипротонов.

Антиматерия и обычная материя при соприкосновении аннигилируют, превращаясь, как правило в гамма-излучение. И наоборот, энергия может превращаться в равное количество вещества и антивещества. Считается, что так родилась материя из тепловой энергии Большого взрыва. Но антиматерия, которая так же при этом рождалась, ставит пред физиками серьезную проблему: она должна была привести к аннигиляции всей материи. Что-то сместило равновесие в пользу обычной материи, но что и почему – загадка.

Теоретики предполагают, что в законах физики «зашито» небольшое различие в поведении вещества и антивещества. Одним из следствий может быть то, что хотя вещество и антивещество в равных пропорциях возникли в первые мгновения Большого взрыва, небольшое количество вещества смогло пережить начавшуюся сразу вслед за этим Великую аннигиляцию. Это небольшое количество и образовало наблюдаемую Вселенную.

Столкновения частиц в БАКе дают представление об уровне энергии, характерном для первых мгновений после Большого взрыва. Если суметь повторить условия, соответствующие великой аннигиляции, то можно отыскать свидетельства того, что вещество и антивещество ведут себя по-разному – либо в том как они возникают, либо в особенностях распада. Но в чем может заключаться это различие – вопрос открытый

Элементарные частицы. Элементами структуры микромира выступают элементарные частицы. Достижения в области исследования элементарных частиц способствовали дальнейшему развитию концепции атомизма. Элементарные частицы, в точном значении этого термина, - это первичные, далее неразложимые частицы, из которых, по предположению, состоит вся материя. В современной физике к группе элементарных относятся уже более 400 частиц, различающихся массой, зарядом, спином, временем жизни и еще целым рядом физических характеристик, и их число продолжает расти.

Частицы обладают массой. Масса элементарной частицы – это масса ее покоя, которая определяется по отношению к массе покоя электрона. Частицы с нулевой массой покоя движутся со скоростью света (фотон). По массе элементарные частицы делятся на барионы (тяжелые), мезоны (промежуточные) и лептоны (легкие). Если бы у частиц не было массы, то не существовало бы таких структур, как атомы, а вместе с ними и нас. Размеры атома, от которых зависят строение вещества, его химические свойства и жизнь, определяется тем фактом, что электрон обладает массой. Будь электрон безмассовым, атомы имели бы бесконечные размеры, иначе говоря, их не существовало бы. Но происхождение массы у электрона тоже является загадкой. Фундаментальные физические взаимодействия переносятся частицами, и здесь масса тоже играет ключевую роль.

Так, электромагнитные силы, соединяющие атомы, переносятся фотонами, не имеющими массы. А слабое взаимодействие, которое вызывает некоторые радиоактивности и регулирует превращение водорода в гелий на Солнце, переносится обладающим массой W-бозона.

Заряд элементарной частицы всегда равен заряду электрона (-1), который рассматривается в качестве единицы. Существуют, однако, элементарные частицы, которые не имеют заряда (фотон).

Время жизни частицы определяет ее стабильность или нестабильность. По времени жизни частицы делятся на стабильные, квазистабильные и нестабильные. Большинство элементарных частиц нестабильно. Нестабильные частицы живут несколько микросекунд, стабильные не распадаются долгое время. нестабильные распадаются в результате сильного и слабого взаимодействия. Стабильными частицами считаются фотон, нейтрино, нейтрон, протон и электрон. При этом нейтрон стабилен только в ядре, в свободном состоянии он также распадается. Сейчас высказываются предположения о возможной нестабильности протона. Квазистабильные частицы распадаются в результате электромагнитного и слабого взаимодействий, иначе их называют резонансными. Резонансные частицы были открыты в начале 60-х гг. ХХ в. Время жизни резонансов – порядка 10 ^{– 22} с.

Все элементарные частицы имеют вращательную характеристику – спин. Это собственный момент импульса частицы. По вращательной характеристике все известные частицы во Вселенной можно разделить на две группы:

частицы с дробным спином ½ – фермионы, из которых состоит любое вещество во Вселенной (нейтроны, протоны, легкие частицы - лептоны и тяжелые частицы – гипероны) и частицы с целочисленным спином 0, 1 и 2 – бозоны, создающие силы, действующие между частицами вещества (к ним относятся фотоны и мезоны).

Когда все состояния электрона были теоретически определены и охарактеризованы разными числами (например, спиновое число и др.), открылось новое качество элементарных частиц. Оно было сформулировано в 1925 г. в знаменитом принципе австрийского физика Вольфганга Паули (1900 – 1958). Принцип запрета Паули гласит, что две одинаковые частицы не могут существовать в одном и том же состоянии, т.е. не могут иметь координаты и скорости, одинаковые с той точностью, которая задается принципом неопределенности. Если частицы вещества имеют очень близкие значения координат, то их скорости должны быть разными и, следовательно, они не смогут долго находиться в точках с этими координатами.

В современной физике фундаментальную роль играет релятивистская квантовая теория физических систем с бесконечным числом степеней свободы - квантовая теория поля. Эта теория построена для описания одного из самых общих свойств микромира - универсальной взаимопревращаемости элементарных частиц. Наиболее важное квантовое свойство всех элементарных частиц - это способность рождаться и уничтожаться (испускаться и поглощаться) при взаимодействии с другими частицами. Все процессы с элементарными частицами протекают через последовательность актов их поглощения и испускания. Характерное для волновой механики вероятностное распределение рассматриваемых частиц в случае атомных ядер позволяет составляющим эти ядра нуклонам (т.е. протонам и нейтронам) «просачиваться» через непреодолимый для них потенциальный барьер наружу - это так называемый квантово-механический туннельный эффект.

Для описания такого рода процессов требовался переход к квантовому волновому полю. Согласно квантовой теории поля все многообразие элементарных частиц можно разделить на три группы: частицы, участвующие в сильном взаимодействии – адроны, частицы, не участвующие в сильном взаимодействии – лептоны, а также частицы – переносчики взаимодействий.

К лептонам относятся электроны, мюоны, тау-лептоны, нейтрино, электронные нейтрино, мюонные нейтрино, тау-нейтрино. Заряженные лептоны участвуют в электромагнитном и слабом взаимодействии, а нейтральные – только в слабом.

Частицы-переносчики, которыми обмениваются частицы вещества, называются виртуальными, потому что в отличие от реальных их нельзя непосредственно зарегистрировать при помощи детектора частиц. Виртуальные частицы отличаются от реальных тем, что обнаружить их во время существованияневозможно. Непосредственно зарегистрировать виртуальный фотон, например, по зрительному ощущению на сетчатке глаза, нельзя. Однако они существуют, потому что они создают эффекты, поддающиеся измерению. Об их существовании и свойствах можно судить только косвенно,post factum, — например, по силе переносимого ими взаимодействия.

Различные процессы с элементарными частицами заметно отличаются по интенсивности протекания. Частицы-переносчики можно классифицировать на четыре типа в зависимости от величины переносимого ими взаимодействия и от того, с какими частицами они взаимодействовали. В соответствии с различной интенсивностью протекания взаимодействия элементарных частиц феноменологически делят на несколько классов: сильное, электромагнитное и слабое. Кроме того, все элементарные частицы обладают гравитационным взаимодействием.

1.Гравитационное взаимодействие – очень слабая сила, которую мы вообще не заметили бы, если бы не два ее специфических свойства: гравитационные силы действуют на больших расстояниях и всегда являются силами притяжения. Это означает, что всякая частица находится под действием гравитационной силы, величина которой зависит от массы и энергии частицы. Для больших тел все гравитационные воздействия складываются и могут преобладать над другими силами. В квантово-механическом подходе к гравитационному полю считается, что гравитационная сила, действующая между двумя частицами материи, переносится частицей со спином 2, которая называется гравитоном.

2.Э лектромагнитное взаимодействие действует между электрически заряженными частицами (но не отвечают за взаимодействие таких незаряженных частиц как гравитоны). Электромагнитное взаимодействие отличается от других участием электромагнитного поля. Электромагнитное поле либо излучается, либо поглощается при взаимодействии, либо переносит взаимодействие между телами. В отличие от гравитационных сил, которые являются силами притяжения, электромагнитные силы являются как силами притяжения, так и отталкивания. Это означает, что электрические взаимодействия между большими телами гасят друг друга, но на уровне атомов и молекул они преобладают. Электромагнитное взаимодействие обеспечивает связь ядер и электронов в атомах и молекулах вещества, и тем самым определяет (на основе законов квантовой механики) возможность устойчивого состояния таких микросистем. Электромагнитные силы ответственны за все в химии и биологии. Это тоже дальнодействующая сила, она гораздо сильнее, чем гравитация: электромагнитная cила, действующая между двумя электронами, примерно в 10⁴⁰ раз больше. Переносчиками электромагнитного взаимодействия являются фотоны.

3. Взаимодействие третьего типа называется слабым ядерным взаимодейст­вием. Слабое взаимодействие элементарных частиц вызывает очень медленно протекающие процессы с элементарными частицами, в том числе распады квазистабильных частиц. Оно отвечает за радиоактивность и играет определяющую роль в образовании химических элементов внутри звезд и в ранней Вселенной. Слабое взаимодействие значительно меньше электромагнитного, но больше гравитационного, и в отличие от них распространяется на небольших расстояниях – не более чем 10^–22 см. Переносчиками слабого взаимодействия являются три частицы со спином 1, которые вместе называются тяжелыми векторными бозонами.

4. Сильное ядерное взаимодействие элементарных частиц представляет собой взаимодейст­вие четвертого типа.Сильное взаимодействие, как и слабое, было открыто только в ХХ веке. Оно вызывает процессы, протекающие с наибольшей, по сравнению с другими процессам, интенсивностью и приводит к самой сильной связи элементарных частиц. Сильное взаимодействие осуществляется на расстояниях не более чем 10^{– 13} см и отвечает за устойчивость ядер. Сильное ядерное взаимодействие – это источник энергии для Солнца и ядерной энергетики, но с этим взаимодействием, так же, как и со слабым, мы непосредственно не сталкиваемся.

Сильное взаимодействие ответственно за образование атомных ядер, в нем участвует только тяжелые частицы: протоны и нейтроны. Именно оно обусловливает связь протонов и нейтронов в ядрах атомов (удерживая кварки внутри протона и нейтрона, а протоны и нейтроны – внутри атомного ядра). Ядерные взаимодействия не зависят от заряда частиц, переносчиками этого типа взаимодействий являются глюоны, частицы со спином 1. Глюоны объединены в глюонное поле, благодаря которому и осуществляется сильное взаимодействие.

По своей мощи сильное взаимодействие превосходит другие известные и является источником огромной энергии. Примером сильного взаимодействия выступают термоядерные реакции на Солнце и других звездах. Принцип сильного взаимодействия использован при создании водородного оружия. Ядра элементов, находящиеся в конце таблицы Менделеева, неустойчивы, поскольку их радиус велик и. соответственно, сильное взаимодействие теряет свою интенсивность. Такие ядра подвержены распаду, который и называется радиоактивным.

Класс элементарных частиц, подверженных сильному взаимодействию, называется адронами (от греч. - большой, сильный). К адронам относятся нейтроны, протоны, барионы, мезоны. Адроны, в отличие от лептонов, фотонов и векторных бозонов (переносчиков слабого взаимодействия), не относятся к истинно элементарным частицам, а состоят из более фундаментальных микроскопических объектов - кварков и глюонов.

К середине 60-х годов число известных адронов превысило сотню. В связи с этим возникла гипотеза, согласно которой наблюдаемые частицы не отражают предельный уровень материи. В 1964 г. была создана теория строения адронов, которая, не являясь ни законченной, ни общепризнанной, позволяет объяснить их основные свойства. Теорию сильного взаимодействия называют квантовой хромодинамикой. Авторы этой теории физик-теоретик Мюррей Гелл-Манн (р.1929) и Джордж Цвейг (р.1937).

Основные положения теории заключаются в следующем. Адроны, в отличие от лептонов (например, электрона или нейтрино), фотонов и векторных бозонов (переносчиков слабого взаимодействия), не относятся к истинно элементарным частицам, а состоят из более фундаментальных микроскопических объектов - кварков и глюонов. Кварки представляют собой истинно элементарные частицы и поэтому бесструктурны. Кварки – это гипотетические материальные объекты, их экспериментальное наблюдение пока невозможно, однако, теоретические положения кварковой гипотезы оказались плодотворными, а теория в целом эвристичной. Она позволила систематизировать известные частицы и предсказать существование новых.

Кварки объединяются между собой благодаря сильному взаимодействию. Переносчиками сильного взаимодействия выступают глюоны, которые как бы «склеивают» кварки между собой. Силы между кварками обусловлены обменом глюонами, т.е. сильным ядерным взаимодействием. Глюоны взаимо­действуют только с кварками и с другими глюонами, в результате чего обеспечивается связь кварков в адронах.

Частицы были классифицированы по электрическому заряду и изоспину; затем (в 1953 году) Мюрреем Гелл-Манном и Кадзухико Нисидзимой — по странности. Для лучшего понимания общих закономерностей адроны были объединены в группы и по другим сходным свойствам: массам, времени жизни и прочим. В 1963 году Гелл-Манн и, независимо от него, Джордж Цвейг высказали предположение, что структура этих групп (фактически, SU(3)-мультиплетов) может быть объяснена существованием более элементарных структурных элементов внутри адронов. Эти частицы были названы кварками. Всё многообразие известных на тот момент адронов могло быть построено всего из трёх кварков: u, d и s. Впоследствии было открыто ещё три более массивных кварка., названного его ароматом.

Главная особенность кварков – дробный заряд. Кроме того, кварки различаются спином, ароматом и цветом. Все обнаруженные адроны состоят из кварков шести различных типов – ароматов (каждый из этих кварков является носителем определённого квантового числа, названного ароматом). Известно несколько разновидностей кварков: предполагают, что существует по крайней мере шесть ароматов, которым отвечают u – кварк (up – верхний), d – кварк (down – нижний), s -кварк (strange – странный) c -кварк(charm – очарованный), b – кварк (beauty – прелестный) и t – кварк (top – верхний).

Теория кварков позволяет построить стройную и гармоничную модель строения атома. Согласно этой модели, атом состоит из тяжелого ядра (протоны и нейтроны, связанные глюонными полями) и электронной оболочки. Протон состоит из двух t-кварков и одного d-кварка. Нейтрон состоит из одного t-кварка и двух d-кварков. Поскольку длины световых волн значительно больше размеров атома, у нас нет надежды «увидеть» составные части атома обычным способом. Для этой цели необходимы значительно меньшие длины волн.

Кварк каждого аромата может иметь еще один из трех возможных цветов – красный, зеленый, синий (или обладать тремя различными цветовыми зарядами). Цвет кварка не имеет отношения к обычному оптическому цвету в макромире, т.к. размер кварков значительно меньше длины волны видимого света и поэтому цвета в обычном смысле слова у них нет. Цвет кварка, как и аромат – условное название для определенной физической характеристики. Гипотеза о существовании цвета у кварков была высказана в 1965 г. независимо Н.Боголюбовым, Б.Струминским, А.Тавхелидзе, О.Гринбергом, Ёитиро Намбу, Мо Ён Ханом. Впоследствии она получила значительное число экспериментальных подтверждений. Согласно этой теории каждому кварку соответствует антикварк с противоположным цветом (антикрасный, антизеленый и антисиний). Кварки соединяются тройками, образуя барионы(протон, нейтрон), или парами, образуя мезоны. Мезон состоит из кварка и антикварка. Антикварки, соединяясь тройками, образуют, соответственно, антибарионы. Из барионов построена подавляющая часть наблюдаемого нами вещества – это нуклоны, составляющие ядро атома, представленные протоном и нейтроном. К барионам относятся также многочисленные гипероны – более тяжёлые и нестабильные частицы, получаемые на ускорителях элементарных частиц. К мезонам относятся пионы (π-мезоны), каоны (κ-мезоны) и многие более тяжёлые мезоны.

Суммарный цвет объединившихся кварков или антикварков, независимо от того, объединены три кварка (барионы), три антикварка (антибарионы), или кварк и антикварк (мезоны), должен быть белым (или бесцветным, т.е. беззарядовым). Это необычное свойство называется конфайнментом (от англ. confinement- ограничение, удержание), который состоит в том, что частицы всегда удерживаются в бесцветных комбинациях. Один кварк не может существовать сам по себе, потому что тогда он должен иметь цвет (красный, зеленый, синий). Белый цвет дает сумма красного, зеленого, синего или красного – антикрасного, синего – антисинего и т.п. таким образом, можно говорить о цветовой симметрии в микромире.

Следствием конфайнмента является то, что мы не можем наблюдать отдель­ный кварк или глюон, потому что сильное взаимо­действие характеризуется еще одним свойством, которое называется асимпто­тической свободой. Это свойство состоит в том, что при высоких энергиях сильное взаимодействие заметно ослабевает и кварки, и глюоны начинают вести себя почти также, как свободные частицы.

Глюоны тоже имеют цвета, но в отличие от кварков их цвета смешанные, например, красный – антисиний и т.п., т.е. глюон состоит из цвета и антицвета. Испускание или поглощение глюона меняет цвет кварка, но сохраняет аромат. Известно восемь типов глюонов. Предполагается, что кварки участвуют даже в электромагнитных и слабых взаимодействиях. В электромагнитном взаимодействии кварки не меняют свой цвет и аромат. В слабых взаимодействиях – меняют аромат, но сохраняют свой цвет.

Единая теория поля: проблема полноты квантовой механики. Единая теория поля – физическая теория, задачей которой является полное описание всех элементарных частиц (или хотя бы группы частиц), выведение свойств этих частиц, законов их движения, их взаимных превращений из неких универсальных законов, описывающих единую «первоматерию», различные состояния которой и соответствует различным частицам. Работа по созданию такой теории называется объединением физики. Но ученые надеются на то, что, в конце концов, будет найдена полная, непротиворечивая теория, в которую все частные теории будут входить в качестве приближений.

Первым примером была попытка Х.А.Лоренца объяснить всю инерцию электрона (т.е. вывести значение его массы) на основе классической электродинамики. Сам электрон выступал при этом в роли «сгустка» электромагнитного поля, так что управляющие его движением законы в конечном итоге должны были сводиться к законам, описывающим это поле. Последовательное проведение этой программы оказалась невозможным, но сама попытка «примирить» дискретное (электрон рассматривался как материальная точка) и непрерывное (электромагнитное поле), попытка единого описания разных фундаментальных видов материи возобновлялась и в более позднее время.

Еще один подход – его можно назвать модельным – ведет свое начало от работ Л.де Бройля по нейтринной теории света. В этих работах предполагается, что фотоны – кванты света – представляют собой пары слившихся нейтрино. Нейтрино не имеет электрического заряда, его масса покоя равна нулю и спин равен ½. Сливаясь, два нейтрино могут образовать нейтральную частицу с нулевой массой и спином 1, т.е. с характеристиками фотона.

Нейтринная теория света, хотя и не свободная от недостатков, была первой в ряду моделей составных частиц. Среди них – модель Э.Ферми, Ян Чженьнина, рассматривающая пи-мезон как связанное состояние нуклона и антинуклона, модель Сеити Саката, М.А.Маркова и Л.Б.Окуня, в которой все сильно взаимодействующие частицы строились их трех фундаментальных частиц и др.

Большинство физиков верят в создание единой теории, в которой все четыре силы оказались бы разновидностью одной. Большую стимулирующую роль сыграла в этом отношении теория относительности А.Эйнштейна. Общая теория относительности связала гравитацию с геометрическими свойствами пространства-времени. В этой теории и законы тяготения, и уравнения движения притягивающихся масс получаются как следствие общих законов, определяющих гравитационное поле. Но такой «геометрический» подход не дал существенного продвижения. Последние годы своей жизни Эйнштейн целиком посвятил поискам единой теории, но время для этого тогда еще не пришло. К тому же Эйнштейн отказывался верить в реальность квантовой механики, несмотря на ту огромную роль, которую сам сыграл в ее развитии.

Было предложено несколько вариантов таких теорий, когда физики учились, как использовать первые квантово-полевые теории для вычисления тонкой структуры атомных уровней. Но у теорий, использующих квантовую теорию поля, был весьма существенный недостаток: в них возникали бесконечные значения энергий, масс. Этот метод не позволяет теоретически предсказать действительные значения масс и сил. И их приходится «подгонять» под эксперимент. В результате мы имеем теорию, в которой кривизна пространства-времени должна быть бесконечной, несмотря на то, что эта величина явно конечна. Такая ситуация обычно означает, что теория либо ужасно испорчена, либо находится вне пределов своей применимости.

Эти бесконечности пытались убрать чисто техническим (математическим) путем, называемым перенормировкой (калибровкой). Метод перенормировки в квантовой теории поля разработан американскими физиками Р. Фейнманом, Ю. Швингером, Ф. Дайсоном в 1944—49 гг. и завершён Н. Н. Боголюбовым в 1955 — 57 гг. В квантовой теории поля перенормировка – это процедура изменения параметров, входящих в уравнения движения квантовой теории поля (КТП).

В качестве таких параметров обычно выступают массы частиц, константы связи, нормировка векторов состояния.Метод состоит в том, что бесконечные величины при помощи переопределения или "перенормировки" включались в некоторые физические постоянные типа заряда и массы электрона. (Минимальная версия Стандартной Модели с одной скалярной частицей имеет 18 таких констант). Теории, в которых эта процедура работала, назывались перенормируемыми и имели более простую структуру чем неперенормируемые теории.

Идея калибровочной симметрии оказалась наиболее плодотворной в единой теории слабого и электромагнитного взаимодействий, которая была создана в 1967 г. американскими физиками Стивеном Вайнбергом (род. 1933), и пакистанским физиком Абдус Саламом (1926 – 1996). Создание рассматриваемой теории означало, что объединенные в классической физике XIX века, в рамках теории Фарадея-Максвелла, электричество, магнетизм и свет в последней трети ХХ века дополнились феноменом слабого взаимодействия. Позднее эта теория получила название стандартной теорииэлектрослабого взаимодействия.

Теория электрослабого взаимодействия рассматривает два типа фундаментальных взаимодействий как проявления единого, более глубокого. Например, если на расстоянии более 10^–17 см преобладает электромагнитный аспект явлений, то на меньших расстояниях в одинаковой степени важны и электромагнитный, и слабый аспекты. Физики также высказали предположение о том, что в дополнение к фотону существует еще три частицы со спином 1, которые вместе называются тяжелыми векторными бозонами, получившие обозначения W⁺, W