Их свойства
оказались весьма необычными, резко отличающимися от свойств
макротел, с которыми мы сталкиваемся в повседневном опыте.
Все элементарные частицы обладают одновременно и корпуску-
лярными. и волновыми свойствами, а закономерности их движения,
изучаемые квантовой физикой, отличаются от закономерностей
движения макротел, описанных в классической физике.
До открытия элементарных частиц и их взаимодействий
разграничивали два вида материи - вещество и поле.
СХЕМА ИЕРАРХИЧЕСКОЙ ОРГАНИЗАЦИИ МАТЕРИИ
Представления науки о строении материи (80-е годы XX в.)
МЕТАГАЛАКТИКА
Системы галактик
Галактики БИОСФЕРА
человеческое общество.
Планетные системы
Общественная жизнь
Планеты биоценозы
популяции

многоклеточные организмы
клетки
Молекулы одноклеточный уровень
(ДНК, РНК. белки)
Атомы
элементарные частицы, физический вакуум
Еще в конце XIX - начале XX века поле определяли как не-
прерывную материальную среду, а вещество - как прорывное,
состоящее из дискретных частиц. Однако развитие квантовой
физики выявило относительность разграничительных линий
между веществом и полем. Только на макроуровне, когда можно 1
не принимать во внимание квантовые свойства полей, их можно
считать непрерывными средами. Но на микроуровне поля пред-
стают как состоящие из квантов, которые можно рассматривать
в качестве частиц, обладающих одновременно и корпускулярными,
и волновыми характеристиками. Например, электромагнитное поле
можно представить как систему фотонов, а гравитационное
поле - как систему гравитонов - гипотетических частиц, которые
предсказывает квантовая теория (в отличие от фотонов гравитоны
еще не зафиксированы экспериментально). В то же время и ча-
стицы вещества - электроны и позитроны, мезоны и др. в целом
ряде задач физика рассматривает как кванты соответствующих
полей (электронно-позитронного, мезонного и т. п.).
Элементарные частицы участвуют в четырех типах взаимо-
действия - сильном, слабом, электромагнитном и гравитацион-
ном. Только два последних типа взаимодействий проявляют
себя на любых сколь угодно больших расстояниях, и поэтому
им подчинены процессы не только микромира, но и макротел,
планет, звезд и галактик (макро- и мегамир). Что же касается
сильных и слабых взаимодействий, то они характерны только
для процессов микромира. Одним из самых удивительных откры-
тий последней трети XX века было обнаружение того, что элект-
ромагнитные и слабые взаимодействия представляют собой сторо-
ны, различные проявления единой сущности - электрослабого
взаимодействия.
Элементарные частицы можно классифицировать по типам
взаимодействия. Адроны (тяжелые частицы - протоны, нейтроны,
мезоны и др.) участвуют во всех взаимодействиях. Лептоны
(от греч.- легкий, например, электрон, нейтрино и др.)
не участвуют в сильных, а только в электрослабых и гравитацион-
ных. Гипотетические гравитоны выступают носителями только
гравитационных сил. В сильных взаимодействиях многие адроны
неразличимы, они как бы на одно лицо. Например, неотличимы
друг от друга нуклоны - нейтроны и протоны, все И-мезонЫ
выступают как одна частица. Но когда включаются электромаг-
нитные силы, то нуклоны расщепляются на две составляющие,
а П-мезоны на три . Такое расщепление позволяет
рассматривать частицы как проявления некоторой глубинной
структуры. Поиск таких структур составляет главную цель современной физики.
На этом пути она стремится обнаружить те глубинные свойства и состояния
материи, которые в конечном счете
вселенной особенности взаимодействия
Первым большим успехом на этом пути было открытие квар-
ковой структуры адронов. Кварки оказались весьма экзотически-
ми объектами не только потому, что у них дробный электриче-
ский заряд (/з или /з от заряда электрона, принимаемого за 1).
Само взаимодействие кварков, осуществляемое благодаря обмену
глюонами, таково, что увеличение расстояния между кварками
внутри адронов приводит к резкому возрастанию связывающих их
сил. Поэтому в отличие от ранее известных элементарных частиц
(протонов, нейтронов, электронов и др.) кварки пока не обнаруже-
ны в свободном состоянии. Они оказываются как бы запертыми
внутри адронов. Но в эксперименте их можно прозондировать:
при столкновении частиц больших энергий внутри адронов обна-
руживается несколько своеобразных центров, на которых происхо-
дит рассеяние частиц и которые физика отождествляет с кварками.
-. Кварки и лептоны выступают в качестве базисных объектов
в системе элементарных частиц. Они являются главным строитель-
ным материалом для вещества нашего мира, поскольку ядра ато-
мов существуют благодаря взаимодействию кварков, а формирова-
ние электронных оболочек вокруг ядра приводит к образованию
-атомов.
Единой теории элементарных частиц физика пока не создала,
иа пути к ней сделаны лишь первые, но существенные шаги.
Выявление общих глубинных структур частиц, участвующих в
сильных взаимодействиях, и установление единства слабого и
электромагнитного взаимодействий стимулировали разработку
идеи объединения сильных, электрослабых и гравитационных
ваимодействий в рамках единой теории. Иными словами, речь
уже идет об исследовании субэлементарного уровня организации
материи, о выяснении единой природы всех элементарных частиц.
повидимому, именно в закономерностях этого уровня вскрыты
основные тайны нашей Вселенной, предопределившие особенности
В. эволюции. Вообще для современной науки характерно, что
чем глубже она проникает в микромир, тем больше возможностей
Срывается для понимания крупномасштабной структуры Все-
ленной. Последняя не является вечной и неизменной, а представ-
ляет собой результат развития материи, своеобразную реализацию
тех потенциальных возможностей, которые были заложены в
глубинах микромира.
1. Элементарный уровень организации материи включает наряду
элементарными частицами еще и такой необычный физический
объект, как вакуум. Физический вакуум-не пустота, -а особое
состояние материи. В вакуум погружены все частицы и все физи-
ческие тела. В нем постоянно происходят сложные процессы,
связанные с непрерывным появлением и исчезновением так назы-
емых <виртуальных частиц>.
Виртуальные частицы - это своеобразные потенции соответ-
вующих типов элиментарных частиц, их <вакуумные корни>.
частицы, готовые к рождению, но не рождающиеся, возникающие
и исчезающие в очень короткие промежутки времени. При опре-
деленных условиях они могут вырваться из вакуума, превращаясь
в <нормальные> элементарные частицы, которые живут относи-
тельно независимо от породившей их среды и могут взаимодей-
ствовать с ней.
Первые шаги по пути исследования субэлементарного уровня
материи привели к принципиально новым идеям о качественном
многообразии вакуума. Выяснилось, что физический вакуум спо-
собен скачком перестраивать свою структуру. Такие переходы
из одного состояния к другому, связанные с резким изменением
характеристик системы, в физике называют фазовыми (извест-
ным их примером служат переходы воды в пар и лед). Физический
вакуум тоже оказался способным к фазовым скачкам.
Эти новые идеи современной физики микромира послужили
опорой необычных представлений о развитии нашей астрономи-
ческой Вселенной, о ее возникновении путем взрыва, связанного
с массовым рождением элементарных частиц в результате одного
из фазовых переходов вакуума. Взаимодействие объектов субэле-
ментарного уровня и возникающих на их основе элементарных
частиц служит фундаментом для образования более сложных ма-
териальных систем. Из элементарных частиц строятся атомы,
которые являются качественно специфическим видом материи.
Элементарные частицы, ядра атомов, ионы (атомы, потеряв-
шие часть электронов на электронных оболочках) могут образо-
вать особое состояние материи, подобие газа, которое называется
плазмой. Огромные плазменные тела, стянутые электромагнит-
ными гравитационными полями, образуют звезды, представляющие
особый уровень организации материи. В их недрах протекают
ядерные реакции, в ходе которых одни частицы превращаются
в другие, и за счет этого звезды постоянно излучают энергию.
Звезды выступают как своеобразная кузница атомов. Благода-
ря протекающим в них превращениям элементарных частиц об-
разуются ядра атомов, а на периферии и в окрестностях звезд,
при понижении температуры, а также в результате выбросов
вещества из звезд при их взрывах, возникают атомы. В результате
взаимодействия атомов формируется следующий уровень орга-
низации материи - молекулы. За молекулами следует уровень
макротел (жидких, твердых, газообразных). Особый тип макротел,
который можно считать специфическим видом материи, образуют
планеты - тела со сложной внутренней структурой, имеющие
ядро, литосферу, а в ряде случаев атмосферу и гидросферу.
Звезды и планеты составляют планетные системы.
Огромные скопления звезд, планетных систем, межзвездной
пыли и газа, взаимодействующих между собой, образуют особые
объекты, которые называют галактиками. Земля принадлежит
к одной из таких галактик, которая представляет собой гигант-
Современная наука о строении материи
И скую эллипсовидную спиралеобразную систему. Основная масса
звезд, относящихся к нашей галактике, сосредоточена в диске
размером 100 тыс. световых лет по диаметру и толщиной в 1500
световых лет (напомним, что скорость света около 300 тыс. км/с).
Наше Солнце находится на окраине галактики и вращается
вокруг ее ядра, делая полный оборот за 200 млн лет (так называе-
мый галактический год).
Ядро галактики, состоящее из очень плотного скопления звезд,
разогретого межзвездного газа и пыли, а возможно, и включающее
гипотетические сверхплотные тела, мы непосредственно наблю-
дать не можем. Солнце движется в настоящее время в той части
галактического пространства, где ядро закрыто от Земли обширной
пылевой туманностью. Через несколько миллионов лет Земля вый-
дет из-за этого <экрана>, и тогда она будет подвержена излу-
чениям, идущим от ядра. Сейчас ядро нашей галактики спокой-
ное; оно излучает постоянный поток энергии. Но в принципе
-ядра галактик могут быть и активными, способными к выбросам
за короткий промежуток времени (за несколько месяцев и даже
недель) чрезвычайно больших количеств энергии. Не исключено,
что ядро нашей галактики через определенные (хотя и весьма
длительные) промежутки времени тоже может проявлять взрыв-
ную активность. Возможно, что если бы в периоды взрывных про-
цессов Земля не была экранирована пылевыми туманностями, а
была открыта, то излучения ядра влияли бы на состояние и разви-
тие жизни на ней. Важно осознавать, что и земная жизнь, и чело-
вечество как ее часть зависят от организации космоса. Поэтому
знание принципов его организации столь необходимо для пони-
ймания и происхождения земной жизни, и наших взаимодействий
с природой.
<. Галактики разных типов образуют скопления - системы га-
ЩЛактик, которые представляют собой особые объекты, обладаю-
Щие свойствами целостности. Если, несмотря на огромные расстоя-
Йия между галактиками (в десятки, сотни миллионов и более
.световых лет), провести аналогию между молекулами макротела
и галактиками в скоплениях, то оказывается: такие скопления
Цможно уподобить весьма вязкой среде.
Наконец, кроме скопления галактик есть еще более высокий
1Уровень организации материи - Метагалактика, представляющая
Лобоц систему взаимодействующих скоплений галактик. При этом
Взаимодействуют они так, что удаляются друг от друга с очень
большими скоростями. И чем дальше отстоят они друг от друга,
тем больше скорость их взаимного разбегания. Этот процесс
называется расширением Метагалактики и представляет ее особое
системное свойство, определяющее ее бытие. Расширение Мета-
-лактики началось с момента ее возникновения. Согласно пред-
ставлениям современной космологии, Метагалактика возникла
примерно 20 млрд лет назад в результате Большого Взрыва.
Глава VI. Материя
Сам этот взрыв наука связывает с перестройками структуры
физического вакуума, с его фазовыми переходами от одного состоя-
ния к другому, которые сопровождались выделением огромных
энергий. Так что рождение нашей Вселенной (Метагалактики) -
не акт ее творения из ничего (как это пытаются трактовать сов-
ременные теологи), а результат развития, качественных преобра-
зований одного состояния материи в другое.
Современная наука допускает возможность возникновения и
сосуществования множества миров, подобных нашей Метагалак-
тике и называемых Внеметагалактическими объектами. Их слож-
ные взаимоотношения образуют многоярусную Большую Вселен-
ную - материальный мир с его бесконечным разнообразием форм
и видов материи. Причем не во всех этих мирах возможно то
многообразие видов материи, которое возникает в истории нашей
Метагалактики.
Представления
о строении материи
на биологическом
и социальном
уровнях
На определенном этапе развития Метагалактики, в рамках
некоторых планетных систем, создаются условия для формиро-
вания из молекул неживой природы материальных носителей
жизни. Как и неживая природа, жизнь имеет ряд уровней своей
материальной организации. Можно выделить: системы доклеточ-
ного уровня - нуклеиновые кислоты (ДНК и РНК) и белки;
клетки как особый уровень биоорганизации, самостоятельно су-
ществующей в виде одноклеточных организмов; многоклеточные
организмы (растения, животные). Особые уровни организации
живой материи образуют надорганизменные структуры. К ним от-
носятся прежде всего популяции - сообщества особей одного вида,
которые связаны между собой общим генофондом, скрещиваются
и воспроизводят себя в потомстве.
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60 61 62 63 64 65 66 67 68 69 70 71 72 73 74 75 76 77 78 79 80 81 82 83 84 85 86 87 88 89 90 91 92 93 94 95 96 97 98 99 100 101 102 103 104 105