4.2.1. Квантово-механическая концепция описания микромира

При переходе к исследованию микромира обнаружилось, что физическая реальность едина и нет пропасти между веществом и полем.

Изучая микрочастицы, ученые столкнулись с парадоксальной с точки зрения классической науки ситуацией: одни и те же объекты обнаруживали как волновые, так и корпускулярные свойства.

Первый шаг в этом направлении был сделан немецким физиком М. Планком. Как известно, в конце XIX в. в физике возникла трудность, которая получила название «ультрафиолетовой катаст рофы». В соответствии с расчетами по формуле классической электродинамики интенсивность теплового излучения абсолютно черного тела должна была неограниченно возрастать, что явно противоречило опыту. В процессе работы по исследованию теплового излучения, которую М. Планк назвал самой тяжелой в своей жиз ни, он пришел к ошеломляющему выводу о том, что в процессах излучения энергия может быть отдана или поглощена не непре рывно и не в любых количествах, а лишь в известных неделимых порциях - квантах. Энергия квантов определяется через число колебаний соответствующего вида излучения и универсальную ес тественную константу, которую М. Планк ввел в науку под симво лом h : Е= h у.

Если введение кванта еще не создало настоящей квантовой теории, как неоднократно подчеркивал М. Планк, то все же 14 декабря 1900 г., в день опубликования формулы, был заложен ее фундамент. Поэтому в истории физики этот день считается днем рож дения квантовой физики. А поскольку понятие элементарного кванта действия служило в дальнейшем основой для понимания всех свойств атомной оболочки и атомного ядра, то 14 декабря 1900 г. следует рассматривать и как день рождения всей атомной физики и начало новой эры естествознания.

Первым физиком, который восторженно принял открытие элементарного кванта действия и творчески развил его, был А. Эйнштейн. В 1905 г. он перенес гениальную идею квантованного поглощения и отдачи энергии при тепловом излучении на излу чение вообще и таким образом обосновал новое учение о свете.

Представление о свете как о потоке быстро движущихся квантов было чрезвычайно смелым, почти дерзким, в правильность которого вначале поверили немногие. Прежде всего, с расширением квантовой гипотезы до квантовой теории света был не согласен сам М. Планк, относивший свою квантовую формулу только к рассматриваемым им законам теплового излучения черного тела.

А. Эйнштейн предположил, что речь идет о естественной закономерности всеобщего характера. Не оглядываясь на господ ствующие в оптике взгляды, он применил гипотезу Планка к свету и пришел к выводу, что следует признать корпускулярную структуру света.

Квантовая теория света, или фотонная теория А Эйнштейна, утверждала, что свет есть постоянно распространяющееся в мировом пространстве волновое явление. И вместе с тем световая энергия, чтобы быть физически действенной, концентрируется лишь в определенных местах, поэтому свет имеет прерывную структуру. Свет может рассматриваться как поток неделимых энергетических зерен, световых квантов, или фотонов. Их энергия определяется элементарным квантом действия Планка и соответствующим чис лом колебаний. Свет различной окраски состоит из световых квантов различной энергии.

Эйнштейновское представление о световых квантах помогло понять и наглядно представить явление фотоэлектрического эффекта, суть которого заключается в выбивании электронов из ве щества под действием электромагнитных волн. Эксперименты показали, что наличие или отсутствие фотоэффекта определяется не интенсивностью падающей волны, а ее частотой. Если предполо жить, что каждый электрон вырывается одним фотоном, то становится ясно следующее: эффект возникает лишь в том случае, если энергия фотона, а следовательно, и его частота, достаточно велика для преодоления сил связи электрона с веществом.

Правильность такого толкования фотоэлектрического эффекта (за эту работу Эйнштейн в 1922 г. получил Нобелевскую премию по физике) через 10 лет получила подтверждение в экспериментах американского физика Р.Э. Милликена. Открытое в 1923 г. амери канским физиком А.Х. Комптоном явление (эффект Комптона), которое отмечается при воздействии очень жесткими рентгенов скими лучами на атомы со свободными электронами, вновь и уже окончательно подтвердило квантовую теорию света. Эта теория относится к наиболее подтвержденным экспериментально физическим теориям. Но волновая природа света была уже твердо уста новлена опытами по интерференции и дифракции.

Возникла парадоксальная ситуация: обнаружилось, что свет ведет себя не только как волна, но и как поток корпускул. В опытах по дифракции и интерференции проявляются его волновые свойства, а при фотоэффекте - корпускулярные. При этом фотон оказался корпускулой совершенно особого рода. Основ ная характеристика его дискретности - присущая ему порция энергии - вычислялась через чисто волновую характеристику - частоту у (Е= Ну).

Как и все великие естественно-научные открытия, новое учение о свете имело фундаментальное теоретико-познавательное значение. Старое положение о непрерывности природных процессов, которое было основательно поколеблено М. Планком, Эйнштейн исключил из гораздо более обширной области физических явлений.

Развивая представления М. Планка и А. Эйнштейна, француз ский физик Луи де Брошь в 1924 г.выдвинул идею о волновых свойствах материи. В своей работе «Свет и материя» он писал о необходимости использовать волновые и корпускулярные пред ставления не только в соответствии с учением А. Эйнштейна в теории света, но также и в теории материи.

Л. де Бройль утверждал, что волновые свойства, наряду с кор пускулярными, присущи всем видам материи: электронам, прото нам, атомам, молекулам и даже макроскопическим телам.

Согласно де Бройлю, любому телу с массой т, движущемуся со скоростью V, соответствует волна:

Фактически аналогичная формула была известна раньше, но только применительно к квантам света - фотонам.

В 1926 г. австрийский физик Э. Шредингер нашел математиче ское уравнение, определяющее поведение волн материи, так называемое уравнение Шредингера. Английский физик П. Дирак обобщил его.

Смелая мысль Л. де Бройля о всеобщем «дуализме» частицы и волны позволила построить теорию, с помощью которой можно было охватить свойства материи и света в их единстве. Кванты света стано вились при этом особым моментом всеобщего строения микромира.

Волны материи, которые первоначально представлялись как наглядно-реальные волновые процессы по типу волн акустики, приняли абстрактно-математический облик и получили благодаря немецкому физику М. Борну символическое значение как «волны вероятности».

Однако гипотеза де Бройля нуждалась в опытном подтвер ждении. Наиболее убедительным свидетельством существования волновых свойств материи стало обнаружение в 1927 г. дифрак ции электронов американскими физиками К. Дэвиссоном и Л. Джер- мером. В дальнейшем были выполнены опыты по обнаружению дифракции нейтронов, атомов и даже молекул. Во всех случаях результаты полностью подтверждали гипотезу де Бройля. Еще бо лее важным было открытие новых элементарных частиц, предска занных на основе системы формул развитой волновой механики.

Признание корпускулярно-волнового дуализма в современной физике стало всеобщим. Любой материальный объект характери зуется наличием как корпускулярных, так и волновых свойств.

Тот факт, что один и тот же объект проявляется и как частица и как волна, разрушал традиционные представления.

Форма частицы подразумевает сущность, заключенную в ма лом объеме или в конечной области пространства, тогда как вол на распространяется по его огромным областям. В квантовой физике эти два описания реальности являются взаимоисключающими, но равно необходимыми для того, чтобы полностью описать рассматриваемые явления.

Окончательное формирование квантовой механики как по следовательной теории произошло благодаря работам немецкого физика В. Гейзенберга, установившего принцип неопределенности? и датского физика Н. Бора, сформулировавшего принцип дополнительности, на основании которых описывается поведе ние микрообъектов.

Суть соотношения неопределенностей В. Гейзенберга заключает ся в следующем. Допустим, ставится задача определить состояние движущейся частицы. Если бы можно было воспользоваться зако нами классической механики, то ситуация была бы простой: следовало лишь определить координаты частицы и ее импульс (количество движения). Но законы классической механики для микрочастиц применяться не могут: невозможно не только практически, но и вообще с одинаковой точностью установить место и величину движения микрочастицы. Только одно из этих двух свойств можно определить точно. В своей книге «Физика атомного ядра» В. Гей-зенберг раскрывает содержание соотношения неопределенностей. Он пишет, что никогда нельзя одновременно точно знать оба пара метра - координату и скорость. Никогда нельзя одновременно знать, где находится частица, как быстро и в каком направлении она движется. Если ставится эксперимент, который точно показы вает, где частица находится в данный момент, то движение нарушается в такой степени, что частицу после этого невозможно найти. И наоборот, при точном измерении скорости нельзя определить место расположения частицы.

С точки зрения классической механики, соотношение неопре деленностей представляется абсурдом. Чтобы лучше оценить создавшееся положение, нужно иметь в виду, что мы, люди, живем в макромире и в принципе не можем построить наглядную модель, которая была бы адекватна микромиру. Соотношение неопределен ностей есть выражение невозможности наблюдать микромир, не нарушая его. Любая попытка дать четкую картину микрофизиче ских процессов должна опираться либо на корпускулярное, либо на волновое толкование. При корпускулярном описании измере ние проводится для того, чтобы получить точное значение энергии и величины движения микрочастицы, например, при рассеивании электронов. При экспериментах, направленных на точное опреде ление места, напротив, используется волновое объяснение, в част ности, при прохождении электронов через тонкие пластинки или при наблюдении отклонения лучей.

Существование элементарного кванта действия служит препят ствием для установления одновременно и с одинаковой точностью величин «канонически связанных», т.е. положения и величины движения частицы.

Фундаментальным принципом квантовой механики наряду с соотношением неопределенностей является принцип дополнитель ности, которому Н. Бор дал следующую формулировку: «Понятия частицы и волны дополняют друг друга и в то же время противоречат друг другу, они являются дополняющими картинами про исходящего»1.

Противоречия корпускулярно-волновых свойств микрообъек тов являются результатом неконтролируемого взаимодействия микрообъектов и макроприборов. Имеется два класса приборов: в одних квантовые объекты ведут себя как волны, в других - подоб но частицам. В экспериментах мы наблюдаем не реальность как таковую, а лишь квантовое явление, включающее результат взаимо действия прибора с микрообъектом. М. Борн образно заметил, что волны и частицы - это «проекции» физической реальности на экс периментальную ситуацию.

Ученый, исследующий микромир, превращается, таким обра зом, из наблюдателя в действующее лицо, поскольку физическая реальность зависит от прибора, т.е. в конечном счете от произвола наблюдателя. Поэтому Н. Бор и считал, что физик познает не саму реальность, а лишь собственный контакт с ней.

Существенной чертой квантовой механики является вероятно стный характер предсказаний поведения микрообъектов, которое описывается при помощи волновой функции Э. Шредингера. Волновая функция определяет параметры будущего состояния микро объекта с той или иной степенью вероятности. Это означает, что при проведении одинаковых опытов с одинаковыми объектами каждый раз будут получаться разные результаты. Однако некоторые значения будут более вероятными, чем другие, т.е. будет известно лишь вероятностное распределение значений.

С учетом факторов неопределенности, дополнительности и ве роятности Н. Бор дал так называемую «копенгагенскую» интер претацию сути квантовой теории: «Раньше было принято считать, что физика описывает Вселенную. Теперь мы знаем, что физика описывает лишь то, что мы можем сказать о Вселенной»1.

Позицию Н. Бора разделяли В. Гейзенберг, М. Борн, В. Пау ли и ряд других менее известных физиков. Сторонники копенгагенской интерпретации квантовой механики не признавали при чинность или детерминизм в микромире и считали, что в основе физической реальности лежит фундаментальная неопределен ность - индетерминизм.

Представителям копенгагенской школы резко возражали Г.А. Лоренц, М. Планк, М. Лауэ, А. Эйнштейн, П. Ланжевен и др. А. Эйнштейн писал по этому поводу М. Борну: «В наших на учных взглядах мы развились в антиподы. Ты веришь в играю щего в кости Бога, а я - в полную закономерность объективно сущего... В чем я твердо убежден, так это в том, что в конце кон цов остановятся на теории, в которой закономерно связанными будут не вероятности, но факты»2. Он выступал против принципа неопределенности, за детерминизм, против той роли, которую в квантовой механике отводят акту наблюдения. Дальнейшее раз витие физики показало правоту Эйнштейна, который считал, что квантовая теория в существующем виде просто является незакон ченной: то, что физики пока не могут избавиться от неопреде ленности, свидетельствует не об ограниченности научного метода, как утверждал Н. Бор, а лишь о незавершенности квантовой механики. Эйнштейн приводил все новые и новые аргументы в подтверждение своей точки зрения.

Наиболее известен так называемый парадокс Эйнштейна - По дольского - Розена, или ЭПР-парадокс, при помощи которого они хотели доказать незавершенность квантовой механики. Парадокс представляет собой мысленный эксперимент: что случится, если состоящая из двух протонов частица распадется так, что протоны разлетятся в противоположные стороны? Из-за общности происхожде ния их свойства связаны или, как говорят физики, коррелируют друг с другом. По закону сохранения импульса, если один протон полетит вверх, то второй - обязательно вниз. Измерив импульс одного протона, мы обязательно узнаем и импульс другого, даже если он улетел на другой конец Вселенной. Между частицами существует нелокальная связь, которую Эйнштейн назвал «дейст вием призраков на расстоянии», при котором каждая частица в каждый любой момент времени знает, где находится другая и что с ней происходит.

ЭПР-парадокс несовместим с неопределенностью, постулируемой в квантовой механике. Эйнштейн считал, что есть какие- то скрытые параметры, которые не учтены. Вопросы: существует ли детерминизм и причинность в области микромира; полна ли квантовая механика; существуют ли скрытые параметры, которые она не учитывает, были предметом дискуссий физиков более по лувека и нашли свое разрешение на теоретическом уровне только в конце XX в.

В 1964 г. Дж. С. Бела обосновал положение, согласно которо му квантовая механика предсказывает более сильную корреляцию между взаимно связанными частицами, чем та, о которой говорил Эйнштейн.

Теорема Белла утверждает: если некоторая объективная Все ленная существует и если уравнения квантовой механики струк турно подобны этой Вселенной, то между двумя частицами, когда- либо входившими в контакт, существует некоторый вид нелокаль ной связи1. Суть теоремы Белла заключается в том, что не существует изолированных систем: каждая частица Вселенной находится в «мгновенной» связи со всеми остальными частицами. Вся система, даже если ее части разделены огромными расстояниями и между ними отсутствуют сигналы, поля, механические силы, энер гия и т.д., функционирует как единая система.

В середине 80-х годов А. Аспект (Парижский университет) проверил эту связь экспериментально, изучая поляризацию пар фо тонов, испускаемых одним источником в направлении изолиро ванных детекторов. При сравнении результатов двух серий измере ний между ними обнаружилась согласованность. С точки зрения известного физика Д. Бома, эксперименты А. Аспекта подтвердили теорему Белла и поддержали позиции нелокальных скрытых переменных, существование которых предположил А. Эйнштейн. В трактовке квантовой механики Д. Бомом нет неопределенности координат частицы и ее импульса.

Учеными было высказано предположение, что связь осуществляется через передачу информации, носителями которой высту пают особые поля.

4.2.2. Волновая генетика

Открытия, сделанные в квантовой механике, оказали плодо творное воздействие не только на развитие физики, но и на дру гие области естествознания, прежде всего на биологию, в рамках которой была разработана концепция волновой, или квантовой, генетики.

Когда в 1962 г. Дж. Уотсон, А. Уилсон и Ф. Крик получили Нобелевскую премию за открытие двойной спирали ДНК, несущей наследственную информацию, то генетикам показалось, что основ ные проблемы передачи генетической информации близки к разре шению. Вся информация записана в генах, совокупность которых в клеточных хромосомах определяет программу развития организма. Ставилась задача расшифровки генетического кода, под которым понималась вся последовательность нуклеотидов в ДНК.

Однако действительность не оправдала ожиданий ученых. После открытия структуры ДНК и детального рассмотрения участия этой молекулы в генетических процессах основная проблема феномена жизни - механизмы ее воспроизведения - осталась, по сути, нераскрытой. Расшифровка генетического кода дала возможность объяснить синтез белков. Классические генетики исходили из того, что генетические молекулы, ДНК, имеют ве щественную природу и работают как вещество, представляя со бой вещественную матрицу, на которую записан вещественный генетический код. В соответствии с ним нарабатывается плот ский, вещественный и материальный организм. Но вопрос о том, каким образом в хромосомах кодируется пространственно- временная структура организма, на основе знания последовательности нуклеотидов решить нельзя. Советскими учеными А.А. Лю бищевым и А.Г. Гурвичем еще в 20-30-е годы была высказана мысль о том, что рассмотрение генов как чисто вещественных структур явно недостаточно для теоретического описания фено мена жизни.

А.А. Любищев в своем труде «О природе наследственных фак торов», изданном в 1925 г., писал о том, что гены не являются ни кусками хромосомы, ни молекулами автокаталитических фермен тов, ни радикалами, ни физической структурой. Он считал, что нужно признать ген как потенциальную субстанцию. Лучшему пониманию идей А.А. Любищева способствует аналогия генети ческой молекулы с нотной записью. Нотная запись сама по себе вещественна и представляет собой значки на бумаге, но реали зуются эти значки не в вещественном виде, а в звуках, которые являются акустическими волнами.

Развивая эти идеи, А.Г. Гурвич утверждал, что в генетике «не обходимо ввести понятие биологического поля, свойства кото рого формально заимствованы из физических представлений»1. Главная идея А.Г. Гурвича заключалась в том, что развитие эм бриона происходит по заранее установленной программе и прини мает те формы, которые уже имеются в его поле. Он первый объяснил поведение компонентов развивающегося организма как це лого на основе полевых представлений. Именно в поле содержатся формы, принимаемые эмбрионом в процессе развития. Виртуальную форму, определяющую результат процесса развития в любой его момент, Гурвич назвал динамически преформированной фор мой и тем самым ввел в первоначальную формулировку поля элемент телеологии. Разработав теорию клеточного поля, он распро странил идею поля как принципа, регулирующего и координи рующего эмбриональный процесс, также и на функционирование организмов. Обосновав общую идею поля, Гурвич сформулировал ее как универсальный принцип биологии. Им было открыто био фотонное излучение клетки.

Идеи русских биологов А.А. Любищева и А.Г. Гурвича являются гигантским интеллектуальным достижением, опередившим свое время. Суть их мыслей заключена в триаде:

Гены дуалистичны - они вещество и поле одновременно.

Полевые элементы хромосом размечают пространство - время организма - и тем самым управляют развитием биосистем.

Гены обладают эстетически-образной и речевой регулятор- ными функциями.

Эти идеи оставались недооцененными вплоть до появления работ В.П. Казначеева в 60-е годы XX в., в которых эксперимен тально были подтверждены предвидения ученых о наличии по левых форм передачи информации в живых организмах. Научное направление в биологии, представленное школой В.П. Казначее ва, сформировалось как результат многочисленных фундаменталь ных исследований по так называемому зеркальному цитопатическо-му эффекту, выражавшемуся в том, что живые клетки, разделенные кварцевым стеклом, не пропускающим ни единой молекулы веще ства, тем не менее обмениваются информацией. После работ Казначеева существование волнового знакового канала между клетками биосистем уже не вызывало сомнения.

Одновременно с экспериментами В.П. Казначеева китайский исследователь Цзян Каньчжен провел серию супергенетических экс периментов, которые перекликались с предвидением А.Л. Любищева и А.Г. Гурвича. Отличие работ Цзян Каньчжена в том, что он проводил эксперименты не на клеточном уровне, а на уровне организма. Он исходил из того, что ДНК - генетический материал - существует в двух формах: пассивной (в виде ДНК) и активной (в виде электромагнитного поля). Первая форма сохраняет генетиче ский код и обеспечивает стабильность организма, а вторая в со стоянии его изменить путем воздействия на него биоэлектриче скими сигналами. Китайский ученый сконструировал аппаратуру, которая была способна считывать, передавать на расстояние и вво дить волновые супергенетические сигналы с биосистемы-донора в организм-акцептор. В результате он вывел немыслимые гибриды, «запрещенные» официальной генетикой, которая оперирует поня тиями только вещественных генов. Так появились на свет животные и растительные химеры: куро-утки; кукуруза, из початков которой росли пшеничные колосья, и т.д.

Выдающийся экспериментатор Цзян Каньчжен интуитивно понимал некоторые стороны фактически созданной им экспери ментальной волновой генетики и считал, что носителями полевой геноинформации являются сверхвысокочастотные электромагнитные излучения, используемые в его аппаратуре, однако теоретиче ского обоснования он дать не смог.

После экспериментальных работ В.П. Казначеева и Цзян Кань чжена, которые не могли быть объяснены в терминах традиционной генетики, возникла настоятельная необходимость в теоретическом развитии модели волнового генома, в физико-математическом и теоретико-биологическом осмыслении работы хромосомы ДНК в полевом и вещественном измерении.

Первые попытки решить эту проблему предприняли россий ские ученые П.П. Гаряев, А.А. Березин и А.А. Васильев, которыми были поставлены следующие задачи:

показать возможность дуалистической трактовки работы генома клетки на уровнях вещества и поля в рамках физико-матема тических моделей;

показать возможность обычных и «аномальных» режимов ра боты генома клетки с использованием фантомно-волновых образно- знаковых матриц;

Найти экспериментальные доказательства правильности пред лагаемой теории.

В рамках теории, разработанной ими, получившей название волновой генетики, было выдвинуто, обосновано и экспериментально подтверждено несколько основных положений, которые значительно расширили понимание феномена жизни и процессов, происходящих в живой материи.

Гены - не только вещественные структуры, но и волновые матрицы, по которым, как по шаблонам, строится организм.

Взаимная передача информации между клетками, помогающая формироваться организму как целостной системе и корректировать слаженную работу всех систем организма, происходит не только химическим путем - синтезом разнообразных ферментов и других «сигнальных» веществ. П.П. Гаряев предположил, а затем экспери ментально доказал, что клетки, их хромосомы, ДНК, белки передают информацию с помощью физических полей - электромагнит ными и акустическими волнами и трехмерными голограммами, читаемыми лазерным хромосомным светом и излучающими этот свет, который трансформируется в радиоволны и передает наследствен ную информацию в пространстве организма. Геном высших организмов рассматривается как биоголографический компьютер, формирующий пространственно-временную структуру биосистем. В качестве носителей полевых матриц, по которым строится организм, выступают волновые фронты, задаваемые геноголограммами, и так называемые солитоны на ДНК - особый вид акустических и элек тромагнитных полей, продуцируемых генетическим аппаратом са мого организма и способных к посредническим функциям по обмену стратегической регуляторной информацией между клетками, тканями и органами биосистемы.

В волновой генетике были подтверждены идеи Гурвича - Лю бищева - Казначеева - Цзян Каньчжена о полевом уровне гено- информации. Иными словами, дуализм совмещающего единства «волна - частица» или «вещество - поле», принятый в квантовой электродинамике, оказался применимым и в биологии, что и предсказывали в свое время АГ. Гурвич и АА. Любищев. Ген-вещество и ген-поле не исключают друг друга, но взаимно дополняют.

Живая материя состоит из неживых атомов и элементарных частиц, которые совмещают в себе фундаментальные свойства волны и частицы, но эти же свойства используются биосистемами в качестве основы для волнового энергоинформационного обмена. Иначе гово ря, генетические молекулы излучают информационно-энергетическое поле, в котором закодирован весь организм, его физическое тело и душа.

Гены - это не только то, что составляет так называемый генети ческий код, но и вся остальная, большая часть ДНК, которая раньше считалась бессмысленной.

Но именно эта большая часть хромосом анализируется в рамках волновой генетики как главная «интеллектуальная» структура всех клеток организма: «Некодирующие регионы ДНК - это не просто junk (мусор), а структуры, предназначенные для каких-то целей с неясным пока назначением... некодирующие после-довательности ДНК (а это 95-99% генома) являются стратегическим информационным содержа нием хромосом... Эволюция биосистем создала генетические тексты и геном - биокомпьютер - биокомпьютер как квазиразумный «субъ ект», на своем уровне «читающий и понимающий» эти «тек сты»1. Этот компонент генома, который получил название супергено-континуум, т.е. сверхген, обеспечивает развитие и жизнь человека, животных, растений, а также программирует естественное умирание. Между генами и супергенами нет резкой и непреодолимой границы, они действуют как единое целое. Гены дают материальные «репли ки» в виде РНК и белков, а супергены преобразуют внутренние и внешние поля, формируя из них волновые структуры, в которых кодируется информация. Генетическая общность людей, животных, растений, простейших состоит в том, что на уровне белков эти варианты практически не отличаются или слабо отличаются у всех организмов и кодируются генами, составляющими всего несколько процентов общей длины хромосомы. Но они отличаются на уровне «мусорной части» хромосом, составляющей почти всю их длину.

Собственной информации хромосом недостаточно для развития организма. Хромосомы по некоторому измерению обращены в физиче ский вакуум, дающий главную часть информации для развития эм бриона. Генетический аппарат способен сам и с помощью вакуума генерировать командные волновые структуры типа голограмм, обеспе чивающих развитие организма.

Значительными для более глубокого понимания жизни как кос-мо-планетарного явления стали экспериментальные данные, полу ченные П.П. Гаряевым, которые доказали недостаточность генома клетки для полноценного воспроизведения программы развития организма в условиях биополевой информационной изоляции. Эксперимент состоял в том, что было построено две камеры, в ка ждой из которых созданы все природные условия для развития го ловастиков из лягушачьей икры - необходимый состав воздуха и воды, температура, режим освещения, прудовой ил и т.д. Различия заключались лишь в том, что одна камера была сделана из перма- лоя - материала, не пропускающего электромагнитные волны, а вторая - из обычного металла, который для волн не помеха. В каждую камеру было помещено равное количество оплодотворенной лягушачьей икры. В результате эксперимента в первой камере появились сплошь уроды, которые через несколько дней погибли, во второй камере в положенный срок вылупились и нормально развились головастики, превратившиеся потом в лягушек.

Ясно, что для нормального развития головастиков в первой камере им не хватало какого-то фактора, несущего недостающую часть наследственной информации, без которой организм не может быть «собран» в полном виде. А так как стенки первой каме ры отсекали головастиков только от излучений, которые свобод но пронизывали вторую камеру, то естественно предположить, что фильтрация или искажение естественного информационного фона вызывает уродство и гибель эмбрионов. Это означает, что коммуникации генетических структур с внешним информацион ным полем, безусловно, необходимы для гармоничного развития организма. Внешние (экзобиологические) полевые сигналы несут дополнительную, а может быть, и главную информацию в гено- континуум Земли.

Тексты ДНК и голограммы хромосомного континуума могут читаться в многомерном пространственно-временном и семантическом вариантах. Существуют волновые языки генома клеток, сходные с человеческими.

Особого внимания заслуживает в волновой генетике обоснование единства фрактальной (повторяющей самою себя в разных масштабах) структуры последовательностей ДНК и человеческой речи. То, что четыре буквы генетического алфавита (аденин, гуа нин, цитозин, тимин) в ДНК-текстах образуют фрактальные струк туры, было обнаружено еще в 1990 г. и не вызвало особой реак ции. Однако открытие геноподобных фрактальных структур в че ловеческой речи явилось неожиданностью и для генетиков и для лингвистов. Стало очевидно, что принятое и уже привычное сравнение ДНК с текстами, носившее метафорический характер после открытия единства фрактальной структуры и человеческой речи, вполне оправдано.

Совместно с сотрудниками Математического института РАН группа П.П. Гаряева разработала теорию фрактального представ ления естественных (человеческих) и генетических языков. Прак тическая проверка этой теории в области «речевых» характери стик ДНК показала стратегически верную ориентацию исследо ваний.

Так же, как и в экспериментах Цзян Каньчжена, группой П.П. Гаряева был получен эффект трансляции и введения волно вой супергенетической информации от донора к акцептору. Были созданы устройства - генераторы солитонных полей, в которые можно было вводить речевые алгоритмы, например, на русском или английском языках. Такие речевые структуры превращались в солитонные модулированные поля - аналоги тех, которыми опе рируют клетки в процессе волновых коммуникаций. Организм и его генетический аппарат «узнает» такие «волновые фразы» как свои собственные и поступает в соответствии с введенными человеком извне речевыми рекомендациями. Удалось, например, создавая определенные речевые, вербальные алгоритмы, восстановить радиационно поврежденные семена пшеницы и ячменя. Причем семена растений «понимали» эту речь вне зависимости от того, на каком языке она произносилась - русском, немецком или английском. Эксперименты были проведены на десятках тысяч клеток.

Для проверки эффективности стимулирующих рост волно вых программ в контрольных экспериментах в геном растений через генераторы вводили бессмысленные речевые псевдокоды, которые никак не влияли на обмен веществ растений, в то вре мя как смысловое вхождение в биополевые семантические пла сты генома растений давало эффект резкого, но кратковремен ного ускорения роста.

Распознавание геномами растений человеческой речи (вне зависимости от языка) полностью соответствует положению лингвистической генетики о существовании праязыка генома биосистем на ранних этапах их эволюции, общего для всех ор ганизмов и сохранившегося в общей структуре генофонда Зем ли. Здесь видно соответствие идеям классика структурной лин гвистики Н. Хомского, считавшего, что все естественные языки имеют глубинную врожденную универсальную грамматику, ин вариантную для всех людей и, вероятно, для их собственных супергенетических структур.

4.2.3. Атомистическая концепция строения материи

Атомистическая гипотеза строения материи, выдвинутая в ан тичности Демокритом, была возрождена в XVIII в. химиком Дж. Дальтоном, который принял атомный вес водорода за единицу и сопоставил с ним атомные веса других газов. Благодаря трудам Дж. Дальтона стали изучаться физико-химические свойст ва атома. В XIX в. Д.И. Менделеев построил систему химических элементов, основанную на их атомном весе.

В физику представления об атомах как о последних недели мых структурных элементах материи пришли из химии. Собствен но физические исследования атома начинаются в конце XIX в., когда французским физиком А.А. Беккерелем было открыто явление радиоактивности, которое заключалось в самопроизвольном превращении атомов одних элементов в атомы других элементов. Изучение радиоактивности было продолжено французскими фи зиками супругами Пьером и Марией Кюри, открывшими новые радиоактивные элементы полоний и радий.

История исследования строения атома началась в 1897 г. благо даря открытию Дж. Томсоном электрона - отрицательно заряжен ной частицы, входящей в состав всех атомов. Поскольку электро ны имеют отрицательный заряд, а атом в целом электрически нейтрален, то было сделано предположение о наличии помимо электрона и положительно заряженной частицы. Масса электрона со ставила по расчетам 1/1836 массы положительно заряженной час тицы - протона.

Исходя из огромной, по сравнению с электроном, массы по ложительно заряженной частицы, английский физик У. Томсон (лорд Кельвин) предложил в 1902 г. первую модель атома - поло жительный заряд распределен в достаточно большой области, а электроны вкраплены в него, как «изюм в пудинг». Эта идея была развита Дж. Томсоном. Модель атома Дж. Томсона, над которой он работал почти 15 лет, не устояла перед опытной проверкой.

В 1908 г. Э. Марсден и X . Гейгер, сотрудники Э. Резерфорда, провели опыты по прохождению альфа-частиц через тонкие пла стинки из золота и других металлов и обнаружили, что почти все они проходят через пластинку, будто нет препятствия, и только 1/10 000 из них испытывает сильное отклонение. По модели Дж. Томсона это объяснить не удавалось, но Э. Резерфорд нашел выход. Он обратил внимание на то, что большая часть частиц отклоняется на малый угол, а малая - до 150°. Э. Резерфорд пришел к выводу, что они ударяются о какое-то препятствие, это препят ствие представляет собой ядро атома - положительно заряженную микрочастицу, размер которой (10-12 см) очень мал по сравнению с размерами атома (10-8 см), но в ней почти полностью сосредоточе на масса атома.

Модель атома, предложенная Э. Резерфордом в 1911 г., напо минала Солнечную систему: в центре находится атомное ядро, а вокруг него по своим орбитам движутся электроны.

Ядро имеет положительный заряд, а электроны - отрицательный. Вместо сил тяготения, действующих в Солнечной системе, в атоме действуют электрические силы. Электрический заряд ядра атома, численно равный порядковому номеру в периодической системе Менделеева, уравновешивается суммой зарядов электро нов - атом электрически нейтрален.

Неразрешимое противоречие этой модели заключалось в том, что электроны, чтобы не потерять устойчивость, должны двигаться вокруг ядра. В то же время они, согласно законам электродинами ки, обязательно должны излучать электромагнитную энергию. Но в таком случае электроны очень быстро потеряли бы всю свою энергию и упали на ядро.

Следующее противоречие связано с тем, что спектр излучения электрона должен быть непрерывным, так как электрон, прибли жаясь к ядру, менял бы свою частоту. Опыт же показывает, что атомы излучают свет только определенных частот. Именно поэто му атомные спектры называют линейчатыми. Другими словами, планетарная модель атома Резерфорда оказалась несовместимой с электродинамикой Дж. К. Максвелла.

В 1913 г. великий датский физик Н. Бор применил принцип квантования при решении вопроса о строении атома и характе ристике атомных спектров.

Модель атома Н. Бора базировалась на планетарной модели Э. Резерфорда и на разработанной им самим квантовой теории строения атома. Н. Бор выдвинул гипотезу строения атома, осно ванную на двух постулатах, совершенно несовместимых с класси ческой физикой:

1) в каждом атоме существует несколько стационарных со стояний (говоря языком планетарной модели, несколько стацио нарных орбит) электронов, двигаясь по которым, электрон, мо жет существовать, не излучая;

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

Постулаты Бора объясняют устойчивость атомов: находящиеся в стационарных состояниях электроны без внешней на то причины не излучают электромагнитной энергии. Становится понят ным, почему атомы химических элементов не испускают излуче ния, если их состояние не изменяется. Объясняются и линейча тые спектры атомов: каждой линии спектра соответствует переход электрона из одного состояния в другое.

Теория атома Н. Бора позволяла дать точное описание атома водорода, состоящего из одного протона и одного электрона, достаточно хорошо согласующееся с экспериментальными данными. Дальнейшее же распространение теории на многоэлектронные атомы и молекулы столкнулось с непреодолимыми трудностями. Чем подробнее теоретики пытались описать движение электронов в атоме, определить их орбиты, тем большим было расхождение теоретических результатов с экспериментальными данными. Как стало ясно в ходе развития квантовой теории, эти расхождения были связаны главным образом с волновыми свойствами элек трона. Длина волны движущегося в атоме электрона равна при мерно 10-8 см, т.е. она того же порядка, что и размер атома. Дви жение частицы, принадлежащей какой-либо системе, можно с достаточной степенью точности описывать как механическое движение материальной точки по определенной орбите (траекто рии) только в том случае, если длина волны частицы пренебре жимо мала по сравнению с размерами системы. Другими слова ми, следует учитывать, что электрон не точка и не твердый шарик, он обладает внутренней структурой, которая может изменяться в зависимости от его состояния. При этом детали внутренней струк туры электрона неизвестны.

Следовательно, точно описать структуру атома на основании представления об орбитах точечных электронов принципиально невозможно, поскольку таких орбит в действительности не существует. Вследствие своей волновой природы электроны и их заря ды как бы размазаны по атому, однако не равномерно, а таким образом, что в некоторых точках усредненная по времени электронная плотность заряда больше, а в других - меньше.

Описание распределения плотности электронного заряда было дано в квантовой механике: плотность электронного заряда в оп ределенных точках дает максимум. Кривая, связывающая точки максимальной плотности, формально называется орбитой электрона. Траектории, вычисленные в теории Н. Бора для одноэлектронного атома водорода, совпали с кривыми максимальной средней плотности заряда, что и обусловило согласованность с экспериментальными данными.

Теория Н. Бора представляет собой как бы пограничную полосу первого этапа развития современной физики. Это последнее усилие описать структуру атома на основе классической физики, дополняя ее лишь небольшим числом новых предположений. Вве денные Бором постулаты ясно показали, что классическая физика не в состоянии объяснить даже самые простые опыты, связанные со структурой атома. Постулаты, чужеродные классической физике, нарушили ее цельность, но позволили объяснить лишь небольшой круг экспериментальных данных.

Создавалось впечатление, что постулаты Н. Бора отражают ка кие-то новые, неизвестные свойства материи, но лишь частично. Ответы на эти вопросы были получены в результате развития квантовой механики. Выяснилось, что атомную модель Н. Бора не следует понимать буквально, как это было вначале. Процессы в атоме в принципе нельзя наглядно представить в виде механиче ских моделей по аналогии с событиями в макромире. Даже поня тия пространства и времени в существующей в макромире форме оказались неподходящими для описания микрофизических явле ний. Атом физиков-теоретиков все больше и больше становился абстрактно-ненаблюдаемой суммой уравнений.

4.2.4. Элементарные частицы и кварковая модель атома

Дальнейшее развитие идей атомизма было связано с исследованием элементарных частиц. Частицы, входящие в состав прежде «неделимого» атома, называют элементарными. К ним относят и те частицы, которые получают в условиях эксперимента на мощ ных ускорителях. В настоящее время открыто более 350 микрочастиц.

Термин «элементарная частица» первоначально означал про стейшие, далее ни на что не разложимые частицы, лежащие в основе любых материальных образований. Позднее физики осознали всю условность термина «элементарный» применительно к микрообъектам. Сейчас уже не подлежит сомнению, что частицы имеют ту или иную структуру, но тем не менее исторически сложившееся название продолжает существовать.

Основными характеристиками элементарных частиц являют ся масса, заряд, среднее время жизни, спин и квантовые числа.

Массу покоя элементарных частиц определяют по отношению к массе покоя электрона. Существуют элементарные частицы, не имеющие массы покоя, - фотоны. Остальные частицы по этому признаку делятся на: лептоны - легкие частицы (электрон и ней трино); мезоны - средние частицы с массой в пределах от одной до тысячи масс электрона; барионы - тяжелые частицы, чья масса превышает тысячу масс электрона и в состав которых входят про тоны, нейтроны, гипероны и многие резонансы.

Электрический заряд является другой важнейшей характери стикой элементарных частиц. Все известные частицы обладают положительным, отрицательным либо нулевым зарядом. Каждой частице, кроме фотона и двух мезонов, соответствуют античастицы с противоположным зарядом. В 1967 г. американский физик М. Гелл- Манн высказал гипотезу о существовании кварков - частиц с дробным электрическим зарядом.

По времени жизни частицы делятся на стабшьные и нестабиль ные. Стабильных частиц пять: фотон, две разновидности нейтрино, электрон и протон. Именно стабильные частицы играют важней шую роль в структуре макротел. Все остальные частицы нестабиль ны, они существуют около 10-10 - 10-24 , после чего распадаются.

Помимо заряда, массы и времени жизни, элементарные час тицы описываются также понятиями, не имеющими аналогов в классической физике: понятием «спин», или собственный момент количества движения микрочастицы, и понятием «квантовые чис ла», выражающим состояние элементарных частиц.

Согласно современным представлениям, все элементарные частицы делятся на два класса: фермионы (названные в честь Э. Фер ми) и бозоны (названные в честь Ш. Бозе).

К фермионам относятся кварки и лептоны, к бозонам - кван ты полей (фотоны, векторные бозоны, глюоны, гравитино и грави тоны). Эти частицы считаются истинно элементарными, т.е. далее неразложимыми. Остальные частицы классифицируются как условно элементарные, т.е. составные частицы, образованные из кварков и соответствующих квантов полей. Фермионы составляют вещество, бозоны переносят взаимодействие.

Элементарные частицы участвуют во всех видах известных взаи модействий. Различают четыре вида фундаментальных взаимодействий в природе: сильное, электромагнитное, слабое и гравитационное.

Сильное взаимодействие происходит на уровне атомных ядер и представляет собой взаимное притяжение их составных частей. Оно действует на расстоянии порядка 10-13 см. При определенных условиях сильное взаимодействие очень прочно связывает частицы, в результате чего образуются материальные системы с высокой энергией связи - атомные ядра. Именно по этой причине ядра атомов являются весьма устойчивыми, их трудно разрушить.

Электромагнитное взаимодействие примерно в тысячу раз слабее сильного, но значительно более дальнодействующее. Взаимодействие такого типа свойственно электрически заряженным частицам. Носителем электромагнитного взаимодействия является не имеющий заряда фотон - квант электромагнитного поля. В процессе электромагнитного взаимодействия электроны и атомные ядра соединяются в атомы, атомы - в молекулы. В определенном смысле это взаимодействие является основным в химии и биологии.

Слабое взаимодействие возможно между различными частица ми. Оно простирается на расстояние порядка 10-15- 10-22см и связано главным образом с распадом частиц, например с происходящими в атомном ядре превращениями нейтрона в протон, электрон и антинейтрино. В соответствии с современным уровнем знаний большинство частиц нестабильны именно благодаря слабому взаимодействию.

Гравитационное взаимодействие - самое слабое, не учитывае мое в теории элементарных частиц, поскольку на характерных для них расстояниях порядка 10-13 см оно дает чрезвычайно малые эффекты. Однако на ультрамалых расстояниях (порядка 10-33 см) и при ультрабольших энергиях гравитация вновь приобретает существенное значение. Здесь начинают проявляться необычные свойства физического вакуума. Сверхтяжелые виртуальные частицы создают вокруг себя заметное гравитационное поле, которое начи нает искажать геометрию пространства. В космических масштабах гравитационное взаимодействие имеет решающее значение. Радиус его действия не ограничен.

От силы взаимодействия зависит время, в течение которого совершается превращение элементарных частиц. Ядерные реакции, связанные с сильными взаимодействиями, происходят в течение 10-24-10- 23 с. Это приблизительно тот кратчайший интервал вре мени, за который частица, ускоренная до высоких энергий, до скоро сти, близкой скорости света, проходит через элементарную частицу размером порядка 10-13см. Изменения, обусловленные электромаг нитными взаимодействиями, осуществляются в течение 10-19-10-21 с, а слабыми (например, распад элементарных частиц) - в основ ном 10 - 10 с.

По времени различных превращений можно судить о силе связанных с ними взаимодействий.

Все четыре взаимодействия необходимы и достаточны для по строения разнообразного мира.

Без сильных взаимодействий не существовали бы атомные яд ра, а звезды и Солнце не могли бы генерировать за счет ядерной энергии теплоту и свет.

Без электромагнитных взаимодействий не было бы ни атомов, ни молекул, ни макроскопических объектов, а также тепла и света.

Без слабых взаимодействий не были бы возможны ядерные реакции в недрах Солнца и звезд, не происходили бы вспышки сверхновых звезд и необходимые для жизни тяжелые элементы не могли бы распространиться во Вселенной.

Без гравитационного взаимодействия не только не было бы га лактик, звезд, планет, но и вся Вселенная не могла бы эволюцио нировать, поскольку гравитация является объединяющим фактором, обеспечивающим единство Вселенной как целого и ее эволюцию.

Современная физика пришла к выводу, что все четыре фундаментальных взаимодействия, необходимые для создания из элементарных частиц сложного и разнообразного материального мира, можно получить из одного фундаментального взаимодействия - суперсилы. Наиболее ярким достижением стало доказательство того, что при очень высоких температурах (или энерги ях) все четыре взаимодействия объединяются в одно.

При энергии в 100 ГэВ (100 млрд электрон-вольт) объединяются электромагнитное и слабое взаимодействия. Такая тем пература соответствует температуре Вселенной через 10 - 10с по сле Большого взрыва. При энергии 1015 ГэВ к ним присоединя ется сильное взаимодействие, а при энергии 1019 ГэВ происхо дит объединение всех четырех взаимодействий.

Это предположение носит чисто теоретический характер, поскольку экспериментальным путем его проверить невозможно. Косвенно эти идеи подтверждаются астрофизическими данны ми, которые можно рассматривать как экспериментальный ма териал, накопленный Вселенной.

Достижения в области исследования элементарных частиц способствовали дальнейшему развитию концепции атомизма. В настоящее время считают, что среди множества элементарных частиц можно выделить 12 фундаментальных частиц и столько же античастиц1. Шесть частиц - это кварки с экзотическими назва ниями: «верхний», «нижний», «очарованный», «странный», «ис тинный», «прелестный». Остальные шесть - лептоны: электрон, мюон, тау-частица и соответствующие им нейтрино (электрон ное, мюонное, тау-нейтрино).

Эти 12 частиц группируют в три поколения, каждое из кото рых состоит из четырех членов.

В первом поколении - «верхний» и «нижний» кварки, элек трон и электронное нейтрино.

Во втором поколении - «очарованный» и «странный» квар ки, мюон и мюонное нейтрино.

В третьем поколении - «истинный» и «прелестный» кварки и тау-частицы со своим нейтрино.

Обычное вещество состоит из частиц первого поколения.

Предполагается, что остальные поколения можно создать искусственно на ускорителях заряженных частиц.

На основе кварковой модели физики разработали простое и изящное решение проблемы строения атомов.

Каждый атом состоит из тяжелого ядра (сильно связанных глюонными полями протонов и нейтронов) и электронной обо лочки. Число протонов в ядре равно порядковому номеру элемента в периодической таблице химических элементов Д.И. Менделеева. Протон имеет положительный электрический заряд, массу в 1836 раз больше массы электрона, размеры порядка 10 - 13 см. Элек трический заряд нейтрона равен нулю. Протон, согласно кварко вой гипотезе, состоит из двух «верхних» кварков и одного «нижнего», а нейтрон - из одного «верхнего» и двух «нижних» квар ков. Их нельзя представить в виде твердого шарика, скорее, они напоминают облако с размытыми границами, состоящее из ро ждающихся и исчезающих виртуальных частиц.

Остаются еще вопросы о происхождении кварков и лепто- нов, о том, являются ли они основными «кирпичиками» приро ды и насколько фундаментальны. Ответы на эти вопросы ищут в современной космологии. Большое значение имеет исследование рождения элементарных частиц из вакуума, построение моделей первичного ядерного синтеза, породивших те или иные частицы в момент рождения Вселенной.

4.2.5. Физический вакуум

Вакуум в переводе с латинского ( vacuum ) означает пустоту.

Еще в античности был поставлен вопрос о том, пусто мировое пространство или заполнено некой материальной средой, чем-то, отличающимся от пустоты.

Согласно философской концепции великого древнегреческого философа Демокрита, все вещества состоят из частиц, между ко торыми находится пустота. Но согласно философской концепции другого не менее знаменитого древнегреческого философа Ари стотеля, в мире нет ни малейшего места, где не было бы «ничего». Эта среда, пронизывающая все пространства Вселенной, бы ла названа эфиром.

Понятие «эфира» вошло в европейскую науку. Великий Ньютон понимал, что закон всемирного тяготения будет иметь смысл, если пространство обладает физической реальностью, т.е. представляет собой среду, обладающую физическими свойствами. Он писал: «Мысль о том... чтобы одно тело могло воздействовать на другое через пустоту на расстоянии, без участия чего-то такого, что переносило бы действие и силу от одного тела к другому, - представляется мне нелепой»1.

В классической физике не было экспериментальных данных, ко торые подтверждали бы существование эфира. Но не было и данных, которые бы опровергали это. Авторитет Ньютона, способствовал тому, что эфир стал рассматриваться в качестве важнейшего понятия физики. Под понятие «эфир» стали подводить все, что вызывалось гравитационными и электромагнитными силами. Но поскольку дру гие фундаментальные взаимодействия до возникновения атомной физики практически не изучались, то с помощью эфира брались объ яснять любые явления и любой процесс.

Эфир должен был обеспечивать действие закона всемирного тяготения; эфир оказывался средой, по которой идут световые волны; эфир нес ответственность за все проявления электромаг нитных сил. Развитие физики заставляло наделять эфир все новы ми и новыми противоречивыми свойствами.

Опыт Майкельсона, величайший из всех «отрицательных» опы тов в истории науки, привел к выводу, что гипотеза неподвижного мирового эфира, на которую классическая физика возлагала боль шие надежды, неверна. Рассмотрев все предположения относитель но эфира со времен Ньютона и до начала XX в., А. Эйнштейн в труде «Эволюция физики» подвел итоги: «Все наши попытки сделать эфир реальным провалились. Он не обнаружил ни своего механического строения, ни абсолютного движения. От всех свойств эфира не осталось ничего... Все попытки открыть свойства эфира привели к трудностям и противоречиям. После стольких неудач наступает момент, когда следует совершенно забыть об эфире и постараться никогда больше не упоминать о нем».

В специальной теории относительности произошел отказ от понятия «эфира».

В общей теории относительности в качестве материальной среды, взаимодействующей с телами, обладающими гравитаци онными массами, рассматривалось пространство. Сам творец об щей теории относительности полагал, что некая вездесущая материальная среда все-таки должна существовать и обладать опреде ленными свойствами. После публикации работ по общей теории относительности Эйнштейн неоднократно возвращался к понятию «эфира» и считал, что «мы не можем в теоретической физике обойтись без эфира, то есть континуума, наделенного физически ми свойствами».

Однако понятие «эфир» уже принадлежало истории науки, воз врата к нему не было, а «континуум, наделенный физическими свойствами» был назван физическим вакуумом.

В современной физике считается, что роль фундаментальной материальной основы мира выполняет физический вакуум, кото рый представляет собой универсальную среду, пронизывающую все пространство. Физический вакуум - это такая непрерывная среда, в которой нет ни частиц вещества, ни поля и вместе с тем он является физическим объектом, а не лишенным всяких свойств «ничто». Непосредственно физический вакуум не наблюдается, в экспериментах наблюдается лишь проявление его свойств.

Принципиальное значение для решения проблем вакуума имеют работы П. Дирака. До их появления считалось, что вакуум есть чистое «ничто», которое каким бы преобразованиям ни под вергать, измениться не способно. Теория Дирака открыла путь к преобразованиям вакуума, в которых прежнее «ничто» обращалось бы во множество пар «частица - античастица».

Вакуум у Дирака представляет собой море электронов с отри цательной энергией как однородный фон, не влияющий на про хождение в нем электромагнитных процессов. Мы не наблюдаем электронов с отрицательной энергией именно потому, что они образуют сплошной невидимый фон, на котором происходят все мировые события. Наблюдаемыми могут быть только изменения состояния вакуума, его «возмущения».

Когда в море электронов попадает богатый энергией световой квант - фотон, то он вызывает возмущение и электрон с отрица тельной энергией может перескочить в состояние с положитель ной энергией, т.е. будет наблюдаться как свободный электрон. Тогда в море отрицательных электронов образуется «дырка» и родится пара: электрон + дырка.

Первоначально предполагалось, что дырками в дираковском вакууме являются протоны, единственные известные в то время элементарные частицы с противоположным электрону зарядом. Однако этой гипотезе не суждено было выжить: в эксперименте

аннигиляцию электрона с протоном никто никогда не наблюдал.

Вопрос о реальном существовании и физическом смысле дырок был решен в 1932 г. американским физиком К.А. Андерсеном, занимавшимся фотографированием треков приходящих из космоса частиц в магнитном поле. Он обнаружил в космических лучах след неизвестной ранее частицы, по всем параметрам тож дественной электрону, но имеющей заряд противоположного знака. Эта частица была названа позитроном. При сближении с электроном позитрон аннигилирует с ним на два фотона высо кой энергии (гамма-кванты), необходимость возникновения которых обусловлена законами сохранения энергии и импульса:

Впоследствии оказалось, что почти все элементарные частицы (даже не имеющие электрических зарядов) имеют своих «зер кальных» двойников - античастицы, способные аннигилиро вать с ними. Исключение составляют лишь немногие истинно нейтральные частицы, например фотоны, которые тождествен ны своим античастицам.

Огромная заслуга П. Дирака заключалась в том, что он разработал релятивистскую теорию движения электрона, предсказавшую позитрон, аннигиляцию и рождение из вакуума элек тронно-позитронных пар. Стало ясно, что вакуум обладает слож ной структурой, из которой могут рождаться пары: частица + ан тичастица. Эксперименты на ускорителях подтвердили это предпо ложение.

Одной из особенностей вакуума является наличие в нем по лей с энергией, равной нулю, и без реальных частиц. Возникает вопрос: как может существовать электромагнитное поле без фо тонов, электронно-позитронное поле без электронов и позитро нов и т.д.

Для объяснения нулевых колебаний полей в вакууме было введено понятие виртуальной (возможной) частицы - частицы с очень малым сроком жизни порядка 10 - 21 - 10-24 с. Это и объясняет, почему в вакууме постоянно рождаются и исчезают частицы - кванты соответствующих полей. Отдельные виртуальные частицы нельзя обнаружить в принципе, но их суммарное воз действие на обычные микрочастицы обнаруживается эксперимен тально. Физики считают, что абсолютно все реакции, все взаимо действия между реальными элементарными частицами происхо дят при непременном участии вакуумного виртуального фона, на который элементарные частицы тоже влияют. Обычные частицы порождают виртуальные частицы. Электроны, например, посто янно испускают и тут же поглощают виртуальные фотоны.

Дальнейшие исследования квантовой физики были посвяще ны изучению возможности появления из вакуума реальных час тиц, теоретическое обоснование которой было дано Э. Шрединге ром в 1939 г.

В настоящее время концепция физического вакуума, наиболее полно разработанная в трудах академика РАЕН Г.И. Шипова1, является дискуссионной: имеются как сторонники, так и про тивники его теории.

В 1998 г. Г.И. Шипов разработал новые фундаментальные уравнения, описывающие структуру физического вакуума. Эти уравнения представляют собой систему нелинейных дифференциальных уравнений первого порядка, в которую входят геометризи-рованные уравнения Гейзенберга, геометризированные уравнения Эйнштейна и геометризированные уравнения Янга - Милса. Про странство - время в теории Г.И. Шипова не только искривлено, как в теории Энштейна, но и закручено, как в геометрии Римана - Картана. Французский математик Эли Картон первым высказал мысль о том, что в природе должны существовать поля, порождаю щиеся вращением. Эти поля получили названия полей кручения. Для учета кручения пространства Г.И. Шиповым было введено в геометризированные уравнения множество угловых координат, что позволило использовать в теории физического вакуума угловую метрику, определяющую квадрат бесконечно малого поворота че тырехмерной системы отсчета.

Добавление вращательных координат, при помощи которых описывается поле кручения, привело к распространению принципа относительности на физические поля: все физические поля, входящие в уравнения вакуума, имеют относительный характер.

Уравнения вакуума после соответствующих упрощений приво дят к уравнениям и принципам квантовой теории. Полученная таким образом квантовая теория оказывается детерминирован ной, хотя вероятностная трактовка поведения квантовых объек тов остается неизбежной. Частицы представляют собой предель ный случай чисто полевого образования при стремлении массы (или заряда) этого образования к постоянной величине. В дан ном предельном случае происходит возникновение корпуску-лярно-волнового дуализма. Поскольку не учитывается относи тельный характер физических полей, связанный с вращением, то квантовая теория не является полной и тем самым подтвер ждаются предположения А. Эйнштейна о том, что «более со вершенная квантовая теория может быть найдена на пути рас ширения принципа относительности»2.

Вакуумные уравнения Шилова описывают искривленное и закрученное пространство - время, истолковываемое как ваку умные возбуждения, находящиеся в виртуальном состоянии.

В основном состоянии абсолютный вакуум имеет нулевые средние значения момента импульса и других физических характе ристик и в невозмущенном состоянии наблюдаем. Разные состояния вакуума возникают при его флуктуациях.

Если источником возмущения является заряд q , то его со стояние проявляется как электромагнитное поле.

Если источником возмущения является масса т, то состоя ние вакуума характеризуется как гравитационное поле, что впер вые было высказано А.Д. Сахаровым.

Если источником возмущения является спин, то состояние ва куума интерпретируется как спиновое поле, или торсионное поле (поле кручения).

Исходя из того что физический вакуум - это динамическая система, обладающая интенсивными флуктуациями, физики полагают, что вакуум является источником материи и энергии как уже реализованных во Вселенной, так и находящихся в скрытом состоянии. По словам академика Г.И. Наана, «вакуум есть все, и все есть вакуум».

4.3. Мегамир: современные астрофизические и космологические концепции

Мегамир, или космос, современная наука рассматривает как взаимодействующую и развивающуюся систему всех небесных тел. Мегамир имеет системную организацию в форме планет и планетных систем, возникающих вокруг звезд и звездных систем - галактик.

Все существующие галактики входят в систему самого высокого порядка - Метагалактику. Размеры Метагалактики очень вели ки: радиус космологического горизонта составляет 15-20 млрд све товых лет.

Понятия «Вселенная» и «Метагалактика» - очень близкие по нятия: они характеризуют один и тот же объект, но в разных ас пектах. Понятие «Вселенная» обозначает весь существующий мате риальный мир; понятие «Метагалактика» - тот же мир, но с точ ки зрения его структуры - как упорядоченную систему галактик.

Строение и эволюция Вселенной изучаются космологией. Кос мология как раздел естествознания находится на своеобразном сты ке науки, религии и философии. В основе космологических моделей Вселенной лежат определенные мировоззренческие предпосылки, а сами эти модели имеют большое мировоззренческое значение.

4.3.1. Современные космологические модели Вселенной

Как указывалось в предыдущей главе, в классической науке существовала так называемая теория стационарного состояния Все ленной, согласно которой Вселенная всегда была почти такой же, как сейчас. Наука XIX в. рассматривала атомы как вечные простейшие элементы материи. Источник энергии звезд был неизвес тен, поэтому нельзя было судить об их времени жизни. Когда они погаснут, Вселенная станет темной, но по-прежнему будет стацио нарной. Холодные звезды продолжали бы хаотическое и вечное блуждание в пространстве, а планеты порождали бы свой неизменный бег по рискованным орбитам. Астрономия была статичной: изучались движения планет и комет, описывались звезды, создава лись их классификации, что было, конечно, очень важно. Но во прос об эволюции Вселенной не ставился.

Классическая ньютоновская космология явно или неявно принимала следующие постулаты1:

Вселенная - это все существующее, «мир в целом». Космо логия познает мир таким, каким он существует сам по себе, безот носительно к условиям познания.

Пространство и время Вселенной абсолютны, они не зависят от материальных объектов и процессов.

Пространство и время метрически бесконечны.

Пространство и время однородны и изотропны.

Вселенная стационарна, не претерпевает эволюции. Изме няться могут конкретные космические системы, но не мир в целом.

В ньютоновской космологии возникали два парадокса, связанные с постулатом бесконечности Вселенной.

Первый парадокс получил название, гравитационного. Суть его заключается в том, что если Вселенная бесконечна и в ней суще ствует бесконечное количество небесных тел, то сила тяготения будет бесконечно большая, и Вселенная должна сколлапсировать, а не существовать вечно.

Второй парадокс называется фотометрическим: если сущест вует бесконечное количество небесных тел, то должна быть бес конечная светимость неба, что не наблюдается.

Эти парадоксы, не разрешимые в рамках ньютоновской кос мологии, разрешает современная космология, в границах которой было введено представление об эволюционирующей Вселенной.

Современная релятивистская космология строит модели Все ленной, отталкиваясь от основного уравнения тяготения, введенного А. Эйнштейном в общей теории относительности (ОТО).

Основное уравнение ОТО связывает геометрию пространства (точнее, метрический тензор) с плотностью и распределением ма терии в пространстве.

Впервые в науке Вселенная предстала как физический объ ект. В теории фигурируют ее параметры: масса, плотность, раз мер, температура.

Уравнение тяготения Эйнштейна имеет не одно, а множество решений, чем и обусловлено наличие многих космологических мо делей Вселенной. Первая модель была разработана А. Эйнштейном в 1917 г. Он отбросил постулаты ньютоновской космологии об аб солютности и бесконечности пространства. В соответствии с космологической моделью Вселенной А. Эйнштейна мировое про странство однородно и изотроцно, материя в среднем распределе на в ней равномерно, гравитационное притяжение масс компенси руется универсальным космологическим отталкиванием. Модель А. Эйнштейна носит стационарный характер, поскольку метрика пространства рассматривается как независимая от времени. Время существования Вселенной бесконечно, т.е. не имеет ни начала, ни конца, а пространство безгранично, но конечно.

Вселенная в космологической модели А. Эйнштейна стацио нарна, бесконечна во времени и безгранична в пространстве.

Эта модель казалась в то время вполне удовлетворительной, поскольку она согласовывалась со всеми известными фактами. Но новые идеи, выдвинутые А. Эйнштейном, стимулировали дальнейшее исследование, и вскоре подход к проблеме решительно изменился.

В том же 1917 г. голландский астроном В. де Ситтер предло жил другую модель, представляющую собой также решение урав нений тяготения. Это решение имело то свойство, что оно сущест вовало бы даже в случае «пустой» Вселенной, свободной от мате рии. Если же в такой Вселенной появлялись массы, то решение переставало быть стационарным: возникало некоторого рода кос мическое отталкивание между массами, стремящееся удалить их друг от друга. Тенденция к расширению, по В. де Ситтеру, становилась заметной лишь на очень больших расстояниях.

В 1922 г. русский математик и геофизик А.А. Фридман отбро сил постулат классической космологии о стационарности Все ленной и получил решение уравнений Эйнштейна, описываю щее Вселенную с «расширяющимся» пространством.

Решение уравнений А.А. Фридмана допускает три возможности. Если средняя плотность вещества и излучения во Вселенной равна некоторой критической величине, мировое пространство оказывается евклидовым и Вселенная неограниченно расширя ется от первоначального точечного состояния. Если плотность меньше критической, пространство обладает геометрией Лоба чевского и также неограниченно расширяется. И наконец, если плотность больше критической, пространство Вселенной оказыва ется римановым, расширение на некотором этапе сменяется сжа тием, которое продолжается вплоть до первоначального точечного состояния.

Поскольку средняя плотность вещества во Вселенной неиз вестна, то сегодня мы не знаем, в каком из этих пространств Все ленной мы живем.

В 1927 г. бельгийский аббат и ученый Ж. Лвметр связал «рас ширение» пространства с данными астрономических наблюдений. Леметр ввел понятие «начало Вселенной» как сингулярности (т.е. сверхплотного состояния) и рождения Вселенной как Большого взрыва.

В 1929 г. американский астроном Э.П. Хаббл обнаружил суще ствование странной зависимости между расстоянием и скоростью галактик: все галактики движутся от нас, причем со скоростью, которая возрастает пропорционально расстоянию, - система га лактик расширяется.

Расширение Вселенной долгое время считалось научно уста новленным фактом, однако однозначно решить вопрос в пользу той или иной модели в настоящее время не представляется воз можным.

4.3.2. Проблема происхождения и эволюции Вселенной

Как бы ни решался вопрос о многообразии космологических моделей, очевидно, что наша Вселенная эволюционирует. Соглас но теоретическим расчетам Ж. Леметра, радиус Вселенной в пер воначальном состоянии был равен 10-12 см, что близко по разме рам к радиусу электрона, а ее плотность составляла 1096 г/см3. В сингулярном состоянии Вселенная представляла собой микро объект ничтожно малых размеров.

От первоначального сингулярного состояния Вселенная перешла к расширению в результате Большого взрыва. Начиная с конца 40-х гг. прошлого века все большее внимание в космоло гии привлекает физика процессов на разных этапах космологиче ского расширения. Ученик А.А. Фридмана Г.А. Гамов разработал модель горячей Вселенной, рассмотрев ядерные реакции, проте кавшие в самом начале расширения Вселенной, и назвал ее «кос мологией Большого взрыва».

Ретроспективные расчеты определяют возраст Вселенной в 13-15 млрд лет. Г.А. Гамов предположил, что температура веще 130

ства была велика и падала с расширением Вселенной. Его расчеты показали, что Вселенная в своей эволюции проходит определен ные этапы, в ходе которых происходит образование химических элементов и структур. В современной космологии для наглядности начальную стадию эволюции Вселенной делят на эры1.

Эра адронов (тяжелых частиц, вступающих в сильные взаи модействия). Продолжительность эры 0,0001 с, температура 1012 градусов по Кельвину, плотность 1014см3. В конце эры происходит аннигиляция частиц и античастиц, но остается не которое количество протонов, гиперонов, мезонов.

Эра лептонов (легких частиц, вступающих в электромагнит ное взаимодействие). Продолжительность эры 10 с, температура 10 10 градусов по Кельвину, плотность 104/см3. Основную роль играют легкие частицы, принимающие участие в реакциях меж ду протонами и нейтронами.

Фотонная эра. Продолжительность 1 млн лет. Основная доля массы - энергии Вселенной - приходится на фотоны. К концу эры температура падает с 1010 до 3000 градусов по Кельвину, плотность - от 104 г/см3 до 10 - 21 г/см3. Главную роль играет из лучение, которое в конце эры отделяется от вещества.

Звездная эра наступает через 1 млн лет после зарождения Все ленной. В звездную эру начинается процесс образования протоз везд и протогалактик.

Затем разворачивается грандиозная картина образования струк туры Метагалактики.

В современной космологии наряду с гипотезой Большого взры ва обосновывается и так называемая инфляционная модель Вселенной, в которой рассматривается идея творения Вселенной. Эта идея имеет очень сложное обоснование и связана с квантовой космоло гией. В данной модели описывается эволюция Вселенной начиная с момента 10-45 с после начала расширения.

В соответствии с инфляционной гипотезой космическая эво люция в ранней Вселенной проходит ряд этапов.

Начало Вселенной определяется физиками-теоретиками как состояние квантовой супергравитации с радиусом Вселенной в 10 -50 см (для сравнения: размер атома определяется как 10-8 см, а размер атомного ядра 10-13 см). Основные события в ранней Вселенной разыгрывались за ничтожно малый промежуток вре мени от 10-45 с до 10-30 с.

Стадия инфляции. В результате квантового скачка Вселенная пе решла в состояние возбужденного вакуума и в отсутствие в ней ве щества и излучения интенсивно расширялась по экспоненциально му закону. В этот период создавалось само пространство и время Вселенной. За период инфляционной стадии продолжительностью 10 -34 с Вселенная раздулась от невообразимо малых квантовых раз меров 10 - 33 см до невообразимо больших 101 000 000 см, что на много порядков превосходит размер наблюдаемой Вселенной - 1028 см. Весь этот первоначальный период во Вселенной не было ни веще ства, ни излучения.

Переход от инфляционной стадии к фотонной. Состояние лож ного вакуума распалось, высвободившаяся энергия пошла на рождение тяжелых частиц и античастиц, которые, проаннигилировав, дали мощную вспышку излучения (света), осветившего космос.

Этап отделения вещества от излучения: оставшееся после анни гиляции вещество стало прозрачным для излучения, контакт меж ду веществом и излучением пропал. Отделившееся от вещества из лучение и составляет современный реликтовый фон, теоретически предсказанный Г.А. Гамовым и экспериментально обнаруженный в 1965 г.

В дальнейшем развитие Вселенной шло в направлении от мак симально простого однородного состояния к созданию все более сложных структур - атомов (первоначально атомов водорода), га лактик, звезд, планет, синтезу тяжелых элементов в недрах звезд, в том числе и необходимых для создания жизни, возникновению жизни и как венца творения - человека.

Различие между этапами эволюции Вселенной в инфляцион ной модели и модели Большого взрыва касается только первона чального этапа порядка 10-30 с, далее между этими моделями принципиальных расхождений в понимании этапов космической эволюции нет. Различия в объяснении механизмов космической эволюции связаны с расхождением мировоззренческих установок. Уже с самого начала появления идеи расширяющейся и эволюционирующей Вселенной вокруг нее началась борьба.

Первой стала проблема начала и конца времени существования Вселенной, признание которой противоречило материалистиче ским утверждениям о вечности времени и бесконечности про странства, несотворимости и неуничтожимости материи.

Каковы же естественно-научные обоснования начала и конца времени существования Вселенной?

Таким обоснованием является доказанная в 1965 г. американ скими физиками-теоретиками Пенроузом и С. Хокингом теорема, согласно которой в любой модели Вселенной с расширением обязательно должна быть сингулярность - обрыв линий времени в прошлом, что можно понимать как начало времени. Это же верно и для ситуации, когда расширение сменится на сжатие - тогда возникнет обрыв линий времени в будущем - конец времени. Причем точка начала сжатия интерпретируется физиком Ф. Типле ром как конец времени - Великий Сток, куда стекаются не только галактики, но и сами «события» всего прошлого Вселенной.

Вторая проблема связана с творением мира из ничего. Мате риалисты отвергали возможность творения, поскольку вакуум - это не ничего, а вид материи. Да, это так, вакуум представляет собой особый вид материи. Но дело в том, что у А.А. Фридмана математически момент начала расширения пространства выво дится не со сверхмалым, а с нулевым объемом. В своей популяр ной книге «Мир как пространство и время», изданной в 1923 г., он говорит о возможности «сотворения мира из ничего».

В теории физического вакуума Г.И. Шилова высшим уров нем реальности выступает геометрическое пространство - Аб солютное Ничто. Это положение его теории перекликается с утверждениями английского математика В. Клиффорда о том, что в мире нет ничего, кроме пространства с его кручением и кривиз ной, а материя представляет собой сгустки пространства, своеоб разные холмы кривизны на фоне плоского пространства. Идеи В. Клиффорда использовал и А. Эйнштейн, который в общей теории относительности впервые показал общую глубокую взаимосвязь абстрактного геометрического понятия кривизны пространства с физическими проблемами гравитации.

Из абсолютного Ничто, пустого геометрического пространства в результате его кручения образуются пространственно-временные вих ри правого и левого вращений, переносящие информацию. Эти вих ри можно трактовать как информационное поле, пронизывающее пространство. Уравнения, описывающие информационное поле, нелинейны, поэтому информационные поля могут обладать слож ной внутренней структурой, что позволяет им быть носителями зна чительных объемов информации.

Первичные поля кручения (информационные поля) порож дают физический вакуум, который является носителем всех ос тальных физических полей - электромагнитных, гравитационных, торсионных. В условиях информационно-энергетического возбу ждения вакуум порождает вещественные микрочастицы.

Попытку разрешить одну из основных проблем мироздания - возникновения всего из ничего - предприняли в 80-х гг. XX в. американский физик А. Гут и советский физик А. Линде. Энер гию Вселенной, которая сохраняется, разделили на гравитацион ную и негравитационную части, имеющие разные знаки. И то гда полная энергия Вселенной будет равна нулю. Физики счита ют, что если предсказываемое несохранение барионного числа подтвердится, то тогда ни один из законов сохранения не будет препятствовать рождению Вселенной из ничего. Пока же эту мо дель можно рассчитывать лишь теоретически, а вопрос остается открытым.

Самая большая трудность для ученых возникает при объяс нении причин космической эволюции. Если отбросить частно сти, то можно выделить две основные концепции, объясняющие эволюцию Вселенной: концепцию самоорганизации и концеп цию креационизма.

Для концепции самоорганизации материальная Вселенная яв ляется единственной реальностью, и никакой другой реальности помимо нее не существует. Эволюция Вселенной описывается в терминах самоорганизации: идет самопроизвольное упорядочи вание систем в направлении становления все более сложных структур. Динамичный хаос порождает порядок. Вопрос о цели космической эволюции в рамках концепции самоорганизации ставиться не может.

В рамках концепции креационизма, т.е. творения, эволюция Вселенной связывается с реализацией программы, определяемой реальностью более высокого порядка, чем материальный мир. Сторонники креационизма обращают внимание на существова ние во Вселенной направленного номогенеза (от греч. nomos - закон и genesis - происхождение) - развития от простых систем ко все более сложным и информационно емким, в ходе которого создавались условия для возникновения жизни и человека. В ка честве дополнительного аргумента привлекается антропный прин цип, сформулированный английскими астрофизиками Б. Карром и Риссом.

Суть антропното принципа заключается в том, что существо вание той Вселенной, в которой мы живем, зависит от численных значений фундаментальных физических констант - постоянной Планка, постоянной гравитации, констант взаимодействия и т.д.

Численные значения этих постоянных определяют основные особенности Вселенной, размеры атомов, атомных ядер, планет, звезд, плотность вещества и время жизни Вселенной. Если бы эти значения отличались от существующих хотя бы на ничтожно малую величину, то не только бы жизнь была невозможной, но и сама Вселенная как сложная упорядоченная структура была бы невозможна. Отсюда делается вывод, что физическая струк тура Вселенной запрограммирована и направлена к появлению жизни. Конечная цель космической эволюции - появление человека во Вселенной в соответствии с замыслами Творца1.

Среди современных физиков-теоретиков имеются сторонни ки как концепции самоорганизации, так и концепции креацио низма. Последние признают, что развитие фундаментальной теоретической физики делает насущной необходимостью разра ботку единой научно-теистической картины мира, синтезирующей все достижения в области знания и веры. Первые же при держиваются строго научных взглядов.

4.3.3. Структура Вселенной

Вселенной на самых разных уровнях, от условно элементарных частиц и до гигантских сверхскоплений галактик, присуща структурность. Современная структура Вселенной является ре зультатом космической эволюции, в ходе которой из протогалактик образовались галактики, из протозвезд - звезды, из про топланетного облака - планеты.

Метагалактика представляет собой совокупность звездных сис тем - галактик, а ее структура определяется их распределением в пространстве, заполненном чрезвычайно разреженным межгалактическим газом и пронизываемом межгалактическими лучами.

Согласно современным представлениям, для Метагалактики характерна ячеистая (сетчатая, пористая) структура. Эти пред ставления основываются на данных астрономических наблюде ний, показавших, что галактики распределены не равномерно, а сосредоточены вблизи границ ячеек, внутри которых галактик почти нет. Кроме того, найдены огромные объемы пространства (по рядка миллиона кубических мегапарсек), в которых галактик пока не обнаружено. Пространственной моделью такой структуры мо жет служить кусок пемзы, которая неоднородна в небольших выделенных объемах, но однородна в больших объемах.

Если брать не отдельные участки Метагалактики, а ее крупно масштабную структуру в целом, то очевидно, что в этой структуре не существует каких-то особых, чем-то вьщеляющихся мест или на правлений и вещество распределено сравнительно равномерно.

Возраст Метагалактики близок к возрасту Вселенной, по скольку образование ее структуры приходится на период, следую щий за разъединением вещества и излучения. По современным данным, возраст Метагалактики оценивается в 15 млрд лет. Ученые считают, что, по-видимому, близок к этому и возраст галак тик, которые сформировались на одной из начальных стадий рас ширения Метагалактики.

Галактика - гигантская система, состоящая из скоплений звезд и туманностей, образующих в пространстве достаточно сложную конфигурацию.

По форме галактики условно разделяются на три типа: эл липтические, спиральные и неправильные.

Эллиптические галактики обладают пространственной формой эллипсоида с разной степенью сжатия. Они являются наиболее простыми по структуре: распределение звезд равномерно убыва ет от центра.

Спиральные галактики представлены в форме спирали, вклю чая спиральные ветви. Это самый многочисленный вид галак тик, к которому относится и наша Галактика - Млечный Путь.

Неправильные галактики не обладают выраженной формой, в них отсутствует центральное ядро.

Некоторые галактики характеризуются исключительно мощным радиоизлучением, превосходящим видимое излучение. Это радиогалактики.

Рис. 4.2. Спиральная галактика NGG 224 (Туманность Андромеды)

В строении «правильных» галактик очень упрощенно можно выделить центральное ядро и сферическую периферию, представ ленную либо в форме огромных спиральных ветвей, либо в фор ме эллиптического диска, включающих наиболее горячие и яркие звезды и массивные газовые облака.

Ядра галактик проявляют свою активность в разных формах: в непрерывном истечении потоков вещества; в выбросах сгустков газа и облаков газа с массой в миллионы солнечных масс; в нетепловом радиоизлучении из околоядерной области.

В ядре галактики сосредоточены самые старые звезды, возраст которых приближается к возрасту галактики. Звезды среднего и молодого возраста расположены в диске галактики.

Звезды и туманности в пределах галактики движутся довольно сложным образом: вместе с галактикой они принимают участие в расширении Вселенной; кроме того, они участвуют во вращении галактики вокруг оси.

Звезды. На современном этапе эволюции Вселенной вещество в ней находится преимущественно в звездном состоянии. 97% вещества в нашей Галактике сосредоточено в звездах, представляю щих собой гигантские плазменные образования различной вели чины, температуры, с разной характеристикой движения. У многих других галактик, если не у большинства, «звездная субстанция» составляет более чем 99,9% их массы.

Возраст звезд меняется в достаточно большом диапазоне зна чений: от 15 млрд лет, соответствующих возрасту Вселенной, до сотен тысяч - самых молодых. Есть звезды, которые образуются в настоящее время и находятся в протозвездной стадии, т.е. они еще не стали настоящими звездами.

Огромное значение имеет исследование взаимосвязи между звездами и межзвездной средой, включая проблему непрерывного образования звезд из конденсирующейся диффузной (рассеян ной) материи.

Рождение звезд происходит в газово-пылевых туманностях под действием гравитационных, магнитных и других сил, благодаря ко торым идет формирование неустойчивых однородностей и диф фузная материя распадается на ряд сгущений. Если такие сгуще ния сохраняются достаточно долго, то с течением времени они превращаются в звезды. Важно отметить, что происходит процесс рождения не отдельной изолированной звезды, а звездных ассо циаций. Образовавшиеся газовые тела притягиваются друг к другу, но не обязательно объединяются в одно громадное тело. Как правило, они начинают вращаться относительно друг друга, и центробежная сила этого движения противодействует силе притяжения, ведущей к дальнейшей концентрации. Звезды эволюционируют от протозвезд, гигантских газовых шаров, слабо светящихся и с низкой температурой, к звездам - плотным плазменным телам с температурой внутри в миллионы градусов. Затем начинается процесс ядерных превращений, описываемый в ядерной физике. Основная эволюция вещества во Вселенной происходила и про исходит в недрах звезд. Именно там находится тот «плавильный тигель», который обусловил химическую эволюцию вещества во Вселенной.

В недрах звезд при температуре порядка 10 млн. градусов и при очень высокой плотности атомы находятся в ионизирован ном состоянии: электроны почти полностью или абсолютно все отделены от своих атомов. Оставшиеся ядра вступают во взаи модействие друг с другом, благодаря чему водород, имеющийся в изобилии в большинстве звезд, превращается при участии углерода в гелий. Эти и подобные ядерные превращения являются источником колоссального количества энергии, уносимой излу чением звезд.

Огромная энергия, излучаемая звездами, образуется в ре зультате ядерных процессов, происходящих внутри них. Те же силы, которые высвобождаются при взрыве водородной бомбы, образуют внутри звезды энергию, позволяющую ей излучать свет и тепло в течение миллионов и миллиардов лет за счет пре вращения водорода в более тяжелые элементы, и прежде всего в гелий. В итоге на завершающем этапе эволюции звезды превра щаются в инертные («мертвые») звезды.

Звезды не существуют изолированно, а образуют системы. Простейшие звездные системы - так называемые кратные систе мы - состоят из двух, трех, четырех, пяти и больше звезд, обра щающихся вокруг общего центра тяжести. Компоненты некоторых кратных систем окружены общей оболочкой диффузной материи, источником которой, по-видимому, являются сами звезды, выбра сывающие ее в пространство в виде мощного потока газа.

Звезды объединены также в еще большие группы - звездные скопления, которые могут иметь «рассеянную» или «шаровую» структуру. Рассеянные звездные скопления - насчитывают не сколько сотен отдельных звезд, шаровые скопления - многие сот ни тысяч. И ассоциации, или скопления звезд, также не являются неизменными и вечно существующими. Через определенное количество времени, исчисляемое миллионами лет, они рассеиваются силами галактического вращения.

Солнечная система представляет собой группу небесных тел, весьма различных по размерам и физическому строению. В эту группу входят: Солнце, девять больших планет, десятки спутников планет, тысячи малых планет (астероидов), сотни комет, бесчис ленное множество метеоритных тел, движущихся как роями, так и в виде отдельных частиц. К 1979 г. было известно 34 спутника и 2000 астероидов. Все эти тела объединены в одну систему благода ря силе притяжения центрального тела - Солнца. Солнечная система является упорядоченной системой, имеющей свои закономерности строения. Единый характер Солнечной системы прояв ляется в том, что все планеты вращаются вокруг Солнца в одном и том же направлении и почти в одной и той же плоскости. Боль шинство спутников планет (их лун) вращается в том же направле нии и в большинстве случаев в экваториальной плоскости своей планеты. Солнце, планеты, спутники планет вращаются вокруг своих осей в том же направлении, в котором они совершают движение по своим траекториям. Закономерно и строение Солнечной системы: каждая следующая планета удалена от Солнца примерно в два раза дальше, чем предыдущая. Принимая во внимание зако номерности строения Солнечной системы, кажется невозможным ее случайное образование.

О механизме образования планет в Солнечной системе также нет общепризнанных заключений. Солнечная система, по оценкам ученых, образовалась примерно 5 млрд. лет назад, причем Солнце - звезда второго (или еще более позднего) поколения. Таким образом, Солнечная система возникла на продуктах жиз недеятельности звезд предыдущих поколений, скапливавшихся в газово-пылевых облаках. Это обстоятельство дает основание на звать Солнечную систему малой частью звездной пыли. О происхождении Солнечной системы и ее исторической эволюции наука знает меньше, чем необходимо для построения теории планетообразования. От первых научных гипотез, выдвинутых примерно 250 лет назад, до наших дней было предложено большое число различных моделей происхождения и развития Солнечной систе мы, но ни одна из них не удостоилась перевода в ранг общепризнанной теории. Большинство из выдвигавшихся ранее гипотез сегодня представляет лишь исторический интерес.

Первые теории происхождения Солнечной системы были выдвинуты немецким философом И. Кантом и французским математиком П.С. Лапласом. Их теории вошли в науку как не кая коллективная космогоническая гипотеза Канта-Лапласа, хотя разрабатывались они независимо друг от друга.

Согласно этой гипотезе система планет вокруг Солнца образовалась в результате действия сил притяжения и отталкивания между частицами рассеянной материи (туманности), находящей ся во вращательном движении вокруг Солнца.

Началом следующего этапа в развитии взглядов на образование Солнечной системы послужила гипотеза английского физика и астрофизика Дж. X . Джинса. Он предположил, что когда-то Солнце столкнулось с другой звездой, в результате чего из него бы ла вырвана струя газа, которая, сгущаясь, преобразовалась в пла неты. Однако с учетом огромного расстояния между звездами та кое столкновение кажется совершенно невероятным. Более де тальный анализ выявил и другие недостатки этой теории.

Современные концепции происхождения планет Солнечной системы основываются на том, что нужно учитывать не только ме ханические силы, но и другие, в частности электромагнитные. Эта идея была выдвинута шведским физиком и астрофизиком X . Альф- веном и английским астрофизиком Ф. Хойлом. Считается вероят ным, что именно электромагнитные силы сыграли решающую роль при зарождении Солнечной системы.

В соответствии с современными представлениями, первоначаль ное газовое облако, из которого образовались и Солнце, и планеты, состояло из ионизированного газа, подверженного влиянию электромагнитных сил. После того как из огромного газового облака посредством концентрации образовалось Солнце, на очень большом расстоянии от него остались небольшие части этого облака. Грави тационная сила стала притягивать остатки газа к образовавшейся звезде - Солнцу, но его магнитное поле остановило падающий газ на различных расстояниях - как раз там, где находятся планеты. Гравитационная и магнитные силы повлияли на концентрацию и сгущение падающего газа, и в результате образовались планеты.

Когда возникли самые крупные планеты, тот же процесс повторился в меньших масштабах, создав, таким образом, системы спутни ков. Теории происхождения Солнечной системы носят гипотетический характер, и однозначно решить вопрос об их достоверности на современном этапе развития науки невозможно. Во всех существующих теориях имеются противоречия и неясные места.

Вопросы для самоконтроля

В чем суть системного подхода к строению материи?

Раскройте взаимосвязь микро-, макро- и мегамиров.

Какие представления о веществе и поле как видах материи бы-

ли выработаны в рамках классической физики?

4. Что означает понятие квант? Расскажите об основных этапах развития представлений о квантах.

5. Что означает понятие «корпускулярно-волновой дуализм»? Какое

значение имеет принцип дополнительности Н. Бора в описании физической реальности микромира?

6. Какое влияние оказала квантовая механика на современную ге-

нетику? Назовите основные положения волновой генетики.

7. Что означает понятие «физический вакуум»? Какова его роль в

эволюции материи?

8. Выделите основные структурные уровни организации материи в

микромире и дайте им характеристику.

9. Определите основные структурные уровни организации материи

в мегамире и дайте им характеристику.

Какие модели Вселенной разработаны в современной космо логии?

Дайте характеристику основным этапам эволюции Вселенной с точки зрения современной науки.

Библиографический список

Вайнберг С. Первые три минуты. Современный взгляд на проис хождение Вселенной. - М.: Наука, 1981.

Владимиров Ю. С. Фундаментальная физика, философия и рели гия. - Кострома: Изд-во МИЦАОСТ, 1996.

Гернек Ф. Пионеры атомного века. - М: Прогресс, 1974.

Дорфман Я.Г. Всемирная история физики с начала 19 века до середины 20 века. - М: Наука, 1979.

Идлис Г.М. Революция в астрономии, физике и космологии. - М.: Наука, 1985.

Каира Ф. Дао физики. - СПб., 1994.

Кириллин В.А. Страницы истории науки и техники. - М.: Наука, 1986.

Кудрявцев П.С. Курс истории физики. - М.: Мир, 1974.

Льоцци М. Истории физики. - М: Мир, 1972.

1 Q . Мэрион Дж. Б. Физика и физический мир. - М.: Мир, 1975.

Налимов В.В. На грани третьего тысячелетия. - М.: Наука, 1994.

Шкловский И.С. Звезды, их рождение, жизнь и смерть. - М: Наука, 1977.

Гаряев П.П. Волновой геном. - М.: Общественная польза, 1994.

Шипов Г.И. Теория физического вакуума. Новая парадигма. - М.: НТ-Центр, 1993.

Краткое изложение современной физики микромира :

1 . Микромир состоит из двух видов частиц,которые отличаются прежде всего размерами: из частиц ультра микро мира ( например , фотон ) и частиц микромира ( например , электрон ). Ультра микро мир на три порядка меньше частиц микромира . Обычно 10 в минус восемнадцатой степени .

2. Итак мы имеем три направления движения частицы ( рис .1 ) и , соответственно , три пространства для полей : гравитационное поле , электрическое и магнитное поле . На этом основании можно говорить о единной природе всех трех полей и о том , что все три поля неотделимы друг от друга в микромире . ( В природе есть вещества , создающие магнитные поля либо электрические отдельно ). Как следствие этого утверждения если проводник для электрического тока вводится в магнитное поле , то он не может попасть под действие электрического поля , которое всегда ортогонально к магнитному полю .

3. Обратим внимание на то , что каждая частица микромира имеет еще три степени свободы , которые используются для вращательного движения . Смотри рис. 1 . Физик Хопкинс утверждает , что пространство может переходить во время и наоборот . Как понять это утверждение ? Нам известен закон сохранения энергии , который гласит : сумма кинетической и потенциальной энергии тела постояна . Движение частицы в пространстве микромира колебательное . Колебательное движение есть результат сложения двух движений : поступательного и вращательного . Кинематическая энергия это энергия поступательного движения , а потенциальная это запасенная энергия неподвижного в пространстве тела разными способами . Поступательное движение осуществляется в пространстве , а вращательное во времени и эти движения имеют математически граничные условия , о которых нам поведал физик Хопкинс .

4. Я полагаю , что все частицы ультра микромира различаются друг от друга только частотой колебания . Например , ультра фиолет и инфра свет : тот же самый фотон , но с разной частотой . Я полагаю , что частота это форма хранения энергии , т .e. частота определяет величину кинетической и потенциальной энергии частицы . Поскольку формула Эйнштейна учтывает только кинетическую энергию движущейся частицы , то эта формула нуждается в корректировке . Видимо , нужно под массой частицы понимать удельную массу , т . е . массу объема создаваемого частотой колебания : масса частицы должна быть разделенной на произведение амплитуды колебания на площадь длины волны или математическое ожидиние этой волны .

5. Внутри каждой элементарной частицы микромира содержится свой определенный сорт ультра микро частиц со своей частотой . Например , в электроне находятся одной частоты фотоны ( по новому названию: “ бионы ”), но частота испускаемого фотона подстраивается под условия конкретной орбиты электрона . На рисунке 4 доказательство этой гипотезы : все электромагнитные волны должны быть одной длины и амплитуды на конкретной орбите . Но переход с орбиты на другую орбиту сопровождается изменением параметров частоты : т . е . амплитуды и длины волны . Каждая орбита имеет свой энергетический уровень потенциальной эн ep гии , как следствие закона сохранния энергии . Причиной р e гулярного вылета кварка энергии из элементарной частицы микромира могут быть резонансные явления .

Блок электронов на орбите обладает вращательным моментом , который есть произведение массы электронов на радиус орбиты , что приводит к вращению самих орбит . Каждая орбита электронов в атоме по своей сути есть электрическая замкнутая цепь и поэтому создает вокруг себя элктромагнитное поле . Поэтому скорость движения электронов на орбите такая же , как в электричской цепи . Это поле и удерживает электронов от приближения к протонам ядра . Направление линий магнитного поля можно определить по правилу буравчика .

7 . В физической литературе указано то , что электрон имеет спин 2. Действительно , при вылете фотона он поворачивается на 90 градусов , т . е . на 1 / 2 спина возвращается в исходное положение , что дает еще 1 / 2 спина . Далее меняет грань поворота и опять 1 / 2 и 1 / 2 , т . е . общий спин равен 2 .

7. Наша Вселенная - физически замкнутое пространство . Она ограничена физическими постоянными : например , скоростью света в 300 000 км в сек или температурным пределом в 273 , 16 градусов Цельсия . Поэтому в ней выполняется Закон сохранения энергии и поэтому она уже существует миллиарды лет . Чем можно объяснить тот факт , что движение планет по орбитам не остановилось ? Если предположить , что планеты движутся по инерции после импульса Взрыва , то эта энергия за миллиарды лет в какой то мере была бы потеряна из за встреч с метеоритами и солнечным ветром . Заметим , что частицы ультра микро мира при движении совершают колебательные движения вокруг своей траектории движения , т . е . их движение есть колебательный процесс определенной частоты . Колебательный процесс в природе представляет собой переход потенциальной энергии в кинетическую и обратно . Отсюда следует то , что движение любого тела в замкнутом пространстве должно использовать запас потенциальной энергии с помощью механизма частоты .

Мы не знаем почему существуют температурный , вакуумный пределы и ограничена скорость света . Возможно существует криоплазма , что то вроде черной дыры , стягивающей эне p гию до какого то предела , после достижения которого происходит Большой Взрыв .

8. Экспериментально ученым не удалось достичь скорости света или температуры нуля по Кельвину . Они приблизилисть только к этим пределам на асимтотически малую величину . Эти опыты потребовали огромного расхода энергии . Таким образом было установлено то , что в области малых величин возникают огромные энергетические затраты . Мы знаем из классической физики формулу силы F при взаимодействии масс : m 1 M 2 где r есть расстояние между массами :

F = m 1 *M 2 / r ^ 2 . Вес протона или электрона около 0 , 91 * 10 в степени минус 31 кг ( масса на порядок меньше ), плотность 6 , 1 * 10 в 17 степени кг / м ^ 3 . Расстояние между частицами при слабом взаимодествии ( 2 * 10 в минус 1 5 степени ) м и при сильном взаимодействии ( 10 в минус 18 степени ) известно . Одако при подсчете силы притяжеия этих частиц следует учитывать то обстоятельство , что каждая микро частица есть микро колебательный контур . Смотри o бъяснения пункта 10. Применение формулы классической физики к расчетам взаимодействия частиц микромира показывет нам то , что нет границ между классической физикой и квантовой или релятивистской .

9. Заряженные объекты , например , электроны являются причиной не только электростатического поля, но еще и электрического тока. В этих двух явлениях есть существенное отличие. Для возникновения электростатического поля требуются неподвижные, каким-то образом зафиксированные в пространстве заряды, а для возникновения электрического тока, напротив, требуется наличие свободных, не закрепленных заряженных частиц, которые в электростатическом поле неподвижных зарядов приходят в состояние упорядоченного движения вдоль силовых линий поля . Например , электрический разряд статического электричества , сосредоточенный в грозовом облаке - молния . Это движение и есть электрический ток .

10. Но есть другая причина возникновения электрического тока . Каждая ультра и микро частица типа электрон имеет свою частоту колебания и , следовательно , является микро колебательным контуром , к которому применима формула Джозефа Томсона :

f = 1/ 2 П корень квадратный из L*C, где L = 2*EL/I в квадрате and

C = 2* Ec/U в квадрате , где Е 1 с и Е 1L есть энергия электрического поля и магнитного потока соответственно . Формула показывает постоянную связь между L( в Генри , ) и C ( в фарадах , которые переводятся в сантиметры ).

( единица индуктивности в системе СГС; 1 см = 1·10 -9 гн ( генри ), см , cm ... емкость, Сантиметр — единица емкости в системе СГС = 1·10 -12 ф ( фарады ), см . )

Если размерности этих величин в сантиметрах , то знаменатель этой формулы есть длина окружности . Следовательно , электрическое поле вокруг электрона представляет собой ряд соосных окружностей . С увеличением радиуса окружности скорость движения ультра микро частицы должна возрасти поскольку период , то есть частота колебания электрона -f постояна . Следствием этого расход кинетической энергии для более удаленных частиц увеличивается и их способность индуцировать электрический ток в проводнике уменьшается .

Но обратим внимание на рис 3 , где показано то , что векторы Е 1 с и Е 1L разделены в пространстве и взаимоортогональны . Это обстоятельство необходимо учитывать при индуктировании электрического тока в проводнике . Если применить закон сохранения энергии к величинам Е 1L и Е 1 с , то Е 1L есть кинетическая энергия движущегося потока электронов -I, а Е 1 с есть потенциональная энергия электрического поля в функции его напряженности U. Энергии Е1 L и E1c реактивны . В случае частицы микромира их векторы ортогональны к оси координат ОУ , но находятся в разных плоскостях ортогональных координат . (C мотри рис . 2 ). Оба вектора разделены в пространстве . Поэтому не происходит их взаимо аннигиляции и частота микрочастиц не затухает во времени .

В электрических цепях реактивное сопротивление принято обозначать Х , а полное сопротивлеие в цепях переменного тока Z, активное сопротивление - R и сумму всех сопротивлений называть импендансом . Z = R+jX

Модуль импеданса - это отношение амплитуд напряжения и тока, тогда как фаза - это разница между фазами напряжения и тока.

Если X >0 говорят, что реактивное сопротивление является индуктивным

Если X =0 говорят, что импеданс чисто резистивный (активный)

Ес ли X <0 говорят, что реактивное сопротивлние является ёмкостным .

В реальном колебательном контуре , используемом , например , в радотехнике , мы можем реактивную индуктивную энергию компенсировать ее емкостной реактивной энергией поскольку при реактивном емкостном сопротивлении вектор тока опережает напряжение а при индуктивном вектор тока отстает от напряжения на 90 градусов и они находятся в одной плоскости но не одновремены . Поскольку одной из особенностей индуктивности является свойство сохранять неизменным ток, протекающий через неё, то при протекании тока нагрузки появляется фазовый сдвиг между током и напряжением (ток «отстает» от напряжения на фазовый угол). Разные знаки у тока и напряжения на период фазового сдвига, как следствие, приводят к снижению энергии электромагнитных полей индуктивностей, которая восполняется из сети. Для большинства промышленных потребителей это означает следующее: по сетям между источником электроэнергии и потребителем, кроме совершающей полезную работу активной энергии, также протекает реактивная энергия, не совершающая полезной работы.

Из изложенного следует то , что д ля существования электрического тока к проводнику необходимо подвести энергию извне в виде электромагнитного поля.

Допонительное пояснение . Емкостное сопротивление R увеличивается с увеличением количества витков электромагнита .

R = 1/(2 π * C * f), где f - частота , и C - емкость .

Индуктивность L = N 2 * μ * A / l,

где L - индуктивность , N - число витков проволочного проводника, µ - коэффициент магнитной проницаемости сердечника , A - объем сердечника , l - средняя длина сердечника .

f = 1/(2 π * √ (L * C))

Следовательно , R = 1/(4π 2 * C * N * √( μ * A / l)).

Для того, чтоб понять свойства фотона проведем простой эксперимент. Бросим на стальную плиту два шарика одинакового веса, с одной и тойже высоты. Один шарик из пластилина, а другой шарик - стальной. Нетрудно заметить то, что величина отскока от плиты у них разная и большая у стального шарика. Величина отскока определяется упругой деформацией материалов шариков. Теперь направим на плиту луч свет a , т. е. поток фотонов. Из оптики известно, что угол падения луча строго равен углу отражения. При столкновении двух тел они обмениваются энергией пропорционально своим массам. В случае с лучем фотонов последний лишь меняет лишь вектор движения. Не следует ли из этого факта вывод о необыкновенно высоком значении упругой деформации фотона, т. е. о сверхупругости. Ведь нам знакомо явление сверх пластичности некоторых сплавов.

11. Какова роль упругой деформации в микромире? Мы знаем, что сжатая пружина обладает потенциальной энегией, величина которой тем больше, чем выше упругая деформация пружины. Мы знаем, что во время колебательного процесса потенциальная энергия переходит в кинетическую и обратно. Известно также то, что все частицы микромира совершают колебательное движение, т. е. имеют свою частоту колебаний, которая создает электромагнитное поле вокруг частицы. Таким образом каждая частица микромира есть микро колебательный контур наподобие радиотехнического колебательного контура. Следовательно, электромагнитное поле должно создавать в частице вращающий момент: M = r i * F i , I - где некая точка приложения этого момента.Заметим что частота микрочастицы не меняется со временем Следовательно не меняется величина вращающего момента и величина вызывающего его электрического тока со временем. А это возможно только в случае сверхпроводимости!

Этот вращающий момент поворачивает частицу вокруг осей Х и У последовательно, создавая упругую деформацию кручения. Эти сверх упругие деформации возвращают частицу в исходное состояние. Таким образом создается колебательное движение частицы с переходом потенциальной энергии заложенной в упругой деформации кручения в кинетическую энергию движения частицы в пространстве вдоль оси Z .

Механизм такого перехода можно представить себе как скручивание тюбика с пастой. По сути дела изменение объема приводит к выдавливанию пасты из отверстия тюбика, расположенного перпендикулярно плоскости скручивания тюбика. Этот внутренний импульс заставляет частицу двигаться вдоль оси Z. Возникает нанодвигатель высокого КПД. Нечто подобное можно наблюдать в так называемом бельечем колесе. Если не закреплена ось такого колеса то вместо вращающегося колеса мы получим движение поступательного его перекатывания Для реализации этого двигателя нужно создать материал, обладающий необычно высокими значениями упругой деформации кручения. Тогда откроется путь к путешествиям со скоростью света.

12.Такие экстремально высокие свойства микро частиц возникают в материалах при температурах близких к нулю по Кельвину. Не стягивается ли периодически материя в некую черную дыру, представлющую криоплазму при температуре Кельвина. Не является ли эта материя, благодаря возникающим сверх свойствам, аккумулятором потенциальной энергии, которая при достижении критического уровня преобразуется в кинетическую Взрывом?

КВАНТОВАЯ ФИЗИКА

Квантовая физика − раздел физики, изучающий явления, свойственные микромиру, т.е. объектам, имеющим размеры 10 -10 м. и меньше. Специфичность явлений, происходящих в микромире, заключается прежде всего в невозможности напрямую, т.е. посредством органов чувств (главным образом, зрения) получить информацию о происходящих процессах. Для описания явлений микромира необходимы принципиально новые подходы и методы, опирающиеся на экспериментально измеряемые величины.
Рождению квантовой физики предшествовала драматическая ситуация, сложившаяся в физике в самом конце 19 века. Классическая физика оказалась не в состоянии адекватно описать спектр равновесного излучения. В тот период тепловое излучение рассматривалось, как совокупность плоских волн и его теоретическое описание хорошо согласовывалось с экспериментом. Однако при высоких частотах предсказываемая плотность энергии излучения должна была возрастать до бесконечности. Эта ситуация получила название «ультрафиолетовая катастрофа».

Неожиданный выход из ситуации предложил немецкий физик Макс Планк (Max Karl Ernst Ludwig Planck). Его идея заключалась в том, что излучение происходит отдельными квантами и энергия электромагнитной волны не может быть произвольной, как считалось в классической физике, а должна принимать определённые значения, пропорциональные некой очень малой величине h (равной 6.63·10 -34 Дж·с), которая затем и была названа постоянной Планка . Тогда общая плотность энергии уже не может считаться непрерывной величиной, а состоит из множества энергетических порций (квантов), сумма которых не может быть настолько большой, как предсказывали классические гипотезы. Проблема плотности излучения и «ультрафиолетовой катастрофы» была успешно решена. За открытие кванта энергии в 1918 г. Макс Планк был удостоен Нобелевской премии.
Введение кванта позволило разрешить и ряд других вопросов, стоявших тогда перед наукой. Используя идею Планка о кванте энергии, Альберт Эйнштейн в 1905 г. получил уравнение фотоэффекта E = hν + W, где E − кинетическая энергия электронов, ν − частота электромагнитного излучения, h − постоянная Планка, а W − работа выхода электронов для данного вещества. Важнейшим достижением в данном случае стало введение энергии электромагнитного излучения, как функции, зависящей от частоты (или длины волны) излучения, что привело к созданию в дальнейшем шкалы электромагнитных волн.
Идея кванта привела к выводу о дискретности явлений происходящих в микромире, что в дальнейшем было использовано при изучении энергетических уровней атомов и атомных ядер.

Зависимость длины волны различных типов частиц от их энергии
(ядерные единицы − МэВ = 1.6·10 -13 Дж, фм =10 -15 м)

Другим важным следствием дискретности явлений микромира стало открытие Луи де Бройлем (1929 г.) универсальности корпускулярно-волнового дуализма, т.е. того факта, что объекты микромира имеют одновременно как волновую, так и корпускулярную природу. Это позволило не только объяснить ряд явлений, связанных с взаимодействием частиц с веществом (например, дифракцию частиц), но и в дальнейшем развить методы использования излучений для воздействия на частицы, что привело к созданию основного современного инструмента исследования материи – ускорителей.
Во второй половине 20-х годов XX-го века был создан теоретический аппарат описания квантовых явлений − квантовая механика . Наиболее значительный вклад в её создания внесли Вернер Гейзенберг , Эрвин Шредингер , Нильс Бор , Поль Дирак , Вольфганг Паули , Макс Борн и другие.
Квантовая механика - отдельная, хорошо развитая часть современной физики. Для глубокого её усвоения необходима хорошая математическая подготовка, выходящая далеко за рамки курса физики многих ВУЗов. Однако объяснения основных понятий квантовой механики не так уж сложны. К этим основным понятиям относятся в первую очередь физический смысл квантования, принцип неопределённости и волновая функция.
Физический смысл дискретности состояний в микромире, в первую очередь, связан с физическим смыслом постоянной Планка. Малость её величины определяет масштаб взаимодействий в микромире. Действительно, при переходе к макромиру и классическим представлениям величины, подобные постоянной Планка становятся пренебрежимо малыми и в большинстве случаев мы рассматриваем их, как нулевые. При этом происходит так называемый предельный переход, т.е. принципы классической физики можно рассматривать как предельный вариант физики квантовой, когда огромные по масштабам микромира массы, размеры и другие параметры макрообъектов, сводят к нулю те взаимодействия, которые являются значимыми в микромире. Поэтому можно сказать, что постоянная Планка является связующим звеном между явлениями микро- и макромира.
Особенно хорошо это можно видеть на примере дискретности состояний в микромире. Например, разница между энергетическими состояниями атома может составлять десятые доли электронвольта (энергетической единицы микромира, равной 1.6·10 -19 Дж). Достаточно вспомнить, что на закипание одного стакана воды нужно затратить десятки килоджоулей и становится ясно, что с точки зрения классической физики подобная дискретность абсолютно неощущаема! Именно поэтому мы можем говорить о непрерывности процессов, которые нас окружают, несмотря на давно и устойчиво подтверждённую дискретность тех явлений, которые происходят в атомах и атомных ядрах.
По этой же причине незамечаемым в макромире является и такой фундаментальный принцип физики микромира, как принцип неопределённости , предложенный В. Гейзенбергом в 1927 г.
Приведённый ниже рисунок объясняет необходимость введения принципа неопределённости в микромире и отсутствие этой необходимости в макромире

Действительно, степень воздействия внешнего источника (свет) на макрообъект (статуя) несоизмерим с его параметрами (например, массой, пересчитанной в эквивалентную энергию) Бессмысленно рассуждать на тему того, как падающий световой фотон может повлиять на, например, координату статуи в пространстве.
Другое дело, когда объектом воздействия становится микрообъект. Энергия электрона в атоме составляет десятки (реже − больше) электронвольт и степень воздействия вполне соизмерима с этой энергией. Таким образом при попытке точно измерить какой-либо параметр микрообъекта (энергию, импульс, координату) мы столкнёмся с тем, что сам процесс измерения будет изменять измеряемые параметры, причём очень сильно. Тогда необходимо признать, что при любых измерениях в микромире мы никогда не сможем провести точные измерения − всегда будет иметь место ошибка в определении основных параметров системы. Принцип неопределённости имеет математическое выражение в виде соотношения неопределённости , например ΔpΔx ≈ ћ, где Δp − неопределённость в определении импульса, а Δx − неопределённость в определении координаты системы. Отметим, что стоящая справа постоянная Планка указывает на границы применимости принципа неопределённости, ведь в макромире мы смело можем заменить её нулём и выполнять точные измерения любых величин. Принцип неопределённости приводит к выводу о невозможности точно задать какой-либо параметр системы, например, бессмысленно говорить о точном местоположении частицы в пространстве. В этой связи необходимо заметить, что широко распространённое представление атома как совокупности электронов, вращающихся по заданным орбитам вокруг ядра, является просто данью человеческому восприятию окружающего мира, необходимости иметь перед собой какие-либо зрительные образы. В действительности никаких чётких траекторий − орбит в атоме не существует.
Однако, можно задать вопрос − что тогда является основной характеристикой систем в микромире, если такие параметры как энергия, импульс, время взаимодействия (или существования), координата − не определены? Такой универсальной величиной является волновая функция квантовой системы.
Волновая функция ψ, введённая Максом Борном для определения характеристик квантовой системы, имеет достаточно сложный физический смысл. Большую наглядность имеет другая величина − квадрат модуля волновой функции |ψ| 2 . Эта величина определяет, например, вероятность того, что квантовая система находится в данный момент времени в данной точке. Вообще, вероятностный принцип является основным в физике микромира. Любой происходящий процесс характеризуется прежде всего вероятностью его протекания с теми или иными особенностями.
Волновая функция различна для различных систем. Кроме знания волновой функции для правильного описания системы требуется также информация и о других параметрах, например, характеристики поля, в котором данная система находится и с которым она взаимодействует. Исследование подобных систем как раз и является одной из задач квантовой механики. По сути дела, квантовая физика образует язык, с помощью которого мы описываем наши опыты и результаты при изучении микромира, более общий, чем классическая теория. При этом важно понимать, что квантовая физика не отменяет классическую, а содержит ее как свой предельный случай. При переходе от микрообъектов к обычным макроскопическим объектам ее законы становятся классическими и, таким образом, квантовая физика устанавливает пределы применимости классической физики. Переход от классической физики к квантовой есть переход к более глубокому уровню рассмотрения материи.
Процессы, происходящие в микромире, относятся к явлениям, почти полностью лежащими за пределами чувственных восприятий. Поэтому понятия, которыми оперирует квантовая теория и явления, которые она рассматривает, часто лишены наглядности, присущей классической физике. При становлении квантовой теории были пересмотрены такие казалось бы, очевидные и привычные представления о частицах и волнах, о дискретном и непрерывном, о статистическом (вероятностном) и динамическом описании. Квантовая физика стала важнейшим шагом в построении современной физической картины мира. Она позволила предсказать и объяснить огромное число различных явлений − от процессов, протекающих в атомах и атомных ядрах, до макроскопических эффектов в твердых телах; без нее невозможно, как представляется теперь, понять происхождение Вселенной. Диапазон квантовой физики широк − от элементарных частиц до космических объектов. Без квантовой физики немыслимо не только естествознание, но и современная техника.

АТОМНАЯ ФИЗИКА

В 1885 г. Дж.Дж.Томсон открыл электрон − первый объект микромира. Было положено начало возникновению нового раздела науки − физики атома. Уже к началу XX века существовало несколько моделей строения атома, из которых самая известная принадлежала самому Дж.Дж.Томсону. Исходя из этой модели, атом представлял из себя локализованный в небольшом объёме положительный заряд, в котором, как изюмины в кексе, находились электроны. Эта модель объясняла ряд наблюдаемых эффектов, однако была не в состоянии объяснить другие, в частности, возникновение линейчатых атомных спектров. В 1911 г. ответ на вопрос об устройстве атома попытался дать соотечественник Томсона, Эрнест Резерфорд (Ernest Rutherford).
Схема опыта была проста – в свинцовом блоке помещался источник, радиоактивное вещество, излучающее ядра гелия. Заряженные частицы проходили сквозь тонкую золотую фольгу и рассеивались, взаимодействуя с атомами золота. Затем рассеянные частицы попадали на экран, покрытый веществом, в котором они вызывали сцинцилляции (вспышки). Идея состояла в том, что если бы модель атома Томсона была бы верной, взаимодействие происходило бы примерно одинаково под всеми углами по пути движения частиц. Действительно, большая часть частиц попадала на экран, слабо взаимодействуя с веществом фольги. Но, небольшая (примерно 8 частиц из тысячи) их часть испытывала сильное рассеяние НАЗАД, как будто сталкивалась с каким-то зарядом, сконцентрированным в середине атома. После многочисленных экспериментов Резерфорд сделал вывод − модель Томсона неверна. Он предложил модель, впоследствии названную планетарной. В центре, в небольшом объёме, сконцентрирован весь положительный заряд (ядро), электроны расположены вокруг него.

Модель Резерфорда была хороша, но по-прежнему не отвечала на ряд вопросов. Например, как происходит излучение атомов (люминесценция)? При каких обстоятельствах атомы излучают разные световые фотоны? От чего это зависит? Связано ли излучение атомов с поведением электронов внутри них? Ответы на эти вопрос два года спустя дал выдающийся датский физики Нильс Бор (Niels Henrik David Bohr)

Изображение Н.Бора на датской банкноте в 500 крон.

Бор развил планетарную модель, предположив, что каждый электрон в атоме имеет какое-либо фиксированное энергетическое состояние (что очень приближённо можно описывать, как нахождение электрона на какой-либо орбите) Пока атом находится в низшем энергетическом состоянии, он не может излучать. При получении энергии извне, электроны могут менять своё энергетическое состояние (переходить на другую орбиту) или даже покидать атом (ионизация). При возвращении на своё место (или на свою орбиту) избыточная энергия выделяется в виде характеристического излучения (фотона с какой-либо энергией). Атом «по Бору» отвечал на все те вопросы, которые возникли после создания первых атомных моделей. Экспериментальное исследование атомов успешно подтвердило боровскую модель и кстати, квантовые предсказания о дискретности энергий в атоме. В 1922 году за работы по исследованию структуры атомов и их излучения Нильс Бор был удостоен Нобелевской премии.
Уже в 20-е годы прошлого века атом был хорош изучен. Успеху способствовало и то, что связь компонент атома − ядра и электронов, осуществлялось за счёт хорошо известного кулоновского потенциала. К концу 20-х годов возникла и квантовая теория, описывающая ряд атомов и закономерности их поведения.
Атомы – электронейтральные квантовые системы с характерными размерами порядка 10 -10 м. Каждый атом содержит в себе ядро, в котором сосредоточен положительный заряд атома и сконцентрирована практически вся (более 99.9%) масса атома. Отрицательный заряд распределён между электронами, их число равно числу положительно заряженных ядерных частиц (протонов) в ядре. При приложении к атому определённой энергии, называемой энергией ионизации, один из электронов покидает атом. Оставшаяся положительно заряженная часть называется ионом , а данный процесс − ионизацией. Обратный процесс называется рекомбинацией и сопровождается испусканием фотона с энергией, соответствующей разнице в энергиях атома до и после рекомбинации.

Ионизация является процессом, постоянно происходящим вокруг нас. Источниками ионизации является космическое излучение, различные приборы и устройства, радиоактивные источники.
На основе вышеописанных свойств атомов функционирует большое количество технических устройств. Пример, с которым мы встречаемся каждый день − лампы дневного света. Именно свечение газа в результате рекомбинации ионов и является причиной излучения светового излучения в этих устройствах.
В 50-х годах прошлого века в результате изучения свойств вынужденного излучения фотонов рядом атомов были разработаны усилители оптического излучения − лазеры. (от сокращения Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation − усиление света посредством вынужденного излучения). Лазер − не оптический прибор, подобный легендарным зеркальным щитам Архимеда, это квантовое устройство, использующее структуру атомных уровней для оптического усиления излучения. Основным достоинством лазера является высокая монохроматичность (т.е. все излучаемые фотоны имеют практически одну и ту же длину волны) излучения, которое он генерирует. Именно в силу этого лазеры в настоящее время широко используются в промышленной и бытовой электронике и технике, медицине и других областях.

ФИЗИКА АТОМНОГО ЯДРА

В 1911 г. Эрнест Резерфорд предложил свою модель атома, в центре которого находился объект с размерами примерно 10 -15 − 10 -14 м., содержащий почти всю массу атома. Этот объект получил название атомного ядра . Однако, как это не удивительно, изучение атомного ядра началось гораздо раньше, ещё в конце XIX-го века. Правда, тогда свойства атомных ядер приписывались атомам, структура которых была точно неизвестна.

В 1896 г. Антуан Беккерель , изучая излучение от атомов некоторых тяжёлых металлов, пришёл к выводу, что испускаемые ими частицы, в отличие от света, имеют свойство проникать через плотные вещества. Через 3 года, продолжая эксперименты с радиоактивными веществами, Эрнест Резерфорд поместил урановую руду в магнитное поле и установил, что первичный пучок расщепился на 3 части, один сорт частиц отклонился в сторону северного полюса магнита, второй − в сторону южного, а третий прошёл без изменений. Ещё не зная природу этих излучений, Резерфорд дал им наименование по первым трём буквам греческого алфавита − α, β и γ. Подобные исследования, помимо Беккереля и Резерфорда, проводили и супруги Кюри − Пьер и Мария (Склодовская-Кюри). Мария Кюри внесла огромный вклад в изучение радиоактивности атомных ядре, впервые получила металлический радий и была в числе тех учёных, которые создавали экспериментальную ядерную физику. Она − единственная женщина − учёный, удостоенная двух Нобелевских премий (по химии и физике).
Однако настоящий прогресс в развитии физики атомного ядра произошёл уже после создания квантовой механики. Ведь после того, как в 1911−13 гг. Резерфордом и Бором была открыта структура атома, возник вопрос − а какова структура атомного ядра? Ответ на него попытался дать Резерфорд, проводивший в 1918−21 гг. опыты по изучению лёгких атомных ядер. Именно он впервые в 1919 г. осуществил ядерную реакцию и открыл протон

14 N + 4 He → 17 O + p

Азот, взаимодействуя с ядрами гелия (α-частицами), превращался в кислород и водород. Фактически, Резерфорд первым добился того, о чём мечтали средневековые алхимики – превращения одного вещества в другое.

Вылет протона из ядра подтверждал идею о наличии протонов в ядре. Вместе с тем, стало ясно, что массы ядер, гораздо больше, чем если бы они состояли из нужного числа протонов. Тогда возникла идея о протонно-электронной модели ядра, электроны в ядре компенсировали заряд части протонов, которые были там, что называется, «для веса».
Успехи квантовой механики очень скоро привели к тому, что возможность существования электронов в ядрах оказалась под сомнением − в соответствии с принципом неопределённости у электрона, помещённого в ядро должна была быть слишком большая энергия и он не мог там удерживаться. В 1931 г. Гейзенберг , Иваненко и Майорана , независимо друг от друга, предлагают идею «нейтрального протона» − тяжелой частицы без заряда, находящейся в атомном ядре. Окончательная ясность наступила в 1932 г., когда Джеймс Чэдвик (James Chadwick) открыл нейтрон – нейтральную частицу с массой примерно равной массе протона. Так, была сформирована современная протонно-нейтронная модель атомного ядра.
Основным недостатком в нашем знании об атомном ядре, является отсутствие точного вида ядерного потенциала , связывающего нуклоны. Решение проблемы создания законченной теории ядра является самой важной в ядерной физике. Вместе с тем, многое о строении атомного ядра нам известно.
Атомное ядро − объект с размерами порядка 10 -15 м, состоящий из двух сортов частиц – протонов и нейтронов. Их массы равны примерно 1.7·10 -27 кг., причём нейтрон на 0.14% тяжелее протона. Из-за схожести в свойствах (за исключением наличия заряда) обе частицы часто называют словом «нуклон ».
В настоящий момент известно примерно 3400 атомных ядер. 330 из них стабильны, остальные за достаточно короткое время могут самопроизвольно превращаться в другие ядра (радиоактивны). Ядра, имеющие в своём составе одинаковое число протонов, но разное нейтронов, называются изотопами одного и того же элемента. Так, например, водород имеет три изотопа − собственно водород, дейтерий и радиоактивный тритий. А вот у олова насчитывается свыше 30-ти изотопов, большинство из них − радиоактивны.
Атомное ядро − квантовая система, которая подчиняется законам квантовой физики. Атомному ядру присуща дискретная энергетическая структура. В нём, правда, нет «планетарного» строения, как в атоме, но так же есть различные энергетические положения нуклонов, называемые уровнями энергии. При получении порции энергии, нуклоны в ядре переходят в более высокое энергетическое состояние, а возвращаясь обратно, испускают энергию в виде фотонов с малой длиной волны. Такие ядерные фотоны обычно называют γ-квантами . При достижении энергии, называемой энергией отделения нуклона , ядро может выбросить нуклон, изменяя свой состав и свойства. Количество нуклонов разного сорта в ядре и их энергетическое состояние определяют свойства атомных ядер и более фундаментальные характеристики. Например, распространенность элементов во Вселенной объясняется именно квантовыми характеристиками атомных ядер.
При объединении нуклонов в ядра наблюдается интересный эффект − масса получившегося ядра оказывается немного (примерно на 1%) меньше, чем масса составляющих его нуклонов. Разница между массой нуклонов и массой ядра идёт на связь нуклонов в ядре и поэтому называется энергией связи

Е св = ZМ p с 2 + (A-Z)М n с2 − М я с 2 ,

где Z − заряд ядра, А − массовое число (число нуклонов в ядре)

Энергия связи является чрезвычайно важной величиной, также определяющей многие свойства ядер. Не менее важной величиной является удельная энергия связи , т.е. отношение энергии связи к числу нуклонов

Зависимость удельной энергии связи от числа нуклонов

Можно заметить, что данная зависимость имеет явный максимум в районе ядра 56 Fe (поэтому его называют ещё «железным максимумом»). Это обстоятельство, без преувеличения, имеет огромную практическую важность.

Ещё в конце 30-х годов прошлого века при исследовании тяжёлых ядер была установлена закономерность постепенного снижения удельной энергии связи. Как следствие, при уменьшении это величины ядро становится более неустойчивым, «рыхлым». Кроме того, при определённом воздействии, оно может начать выбрасывать нуклоны или даже развалиться на части. В 1939 году немецкие физики Отто Ган и Фриц Штрассман (Otto Hahn and Fritz Strassman), облучая соли урана тепловыми нейтронами, обнаружили среди продуктов реакций барий. Это означало, что под совсем небольшим воздействием (энергия тепловых нейтронов соответствует энергии молекул газа при комнатной температуре) один из изотопов урана способен разделиться. Однако главным было не это, а то, что как следует из вышеприведённой диаграммы, получившиеся ядра-осколки будут иметь гораздо более высокую удельную энергию связи, т.е. будут прочнее связаны. Следовательно, при делении возникнет разница в энергии и эта разница будет выделяться. Последующие полтора десятилетия перевели это открытие в практическую область. В 1942 г. был запущен первый ядерный реактор (США), в 1945 г. взорвана первая ядерная бомба (США), в 1954 г. − запущена первая электростанция на ядерном топливе (СССР).

Каким образом осуществляется практическое извлечение энергии при делении? Представим, что у нас в достаточном количестве есть образец вещества, делящегося при небольшом воздействии (тепловые нейтроны). После первого акта деления, кроме ядер-осколков выделится и несколько нейтронов с гораздо большей, чем у тепловых нейтронов, энергией. Они разделят встретившиеся им на пути ядра, в результате этого процесса, в каждом новом разделившемся ядре будут образовываться новые нейтроны, которые, в свою очередь, разделят новые ядра и т.д. Процесс будет носить лавинообразный характер и по этой причине носит название цепной реакции деления.
Подобный процесс реализуется в ядерном заряде и приводит к колоссальному энерговыделению за короткое (несколько миллисекунд) время. Взрыв заряда из нескольких килограммов например, 239 Pu, аналогичен взрыву нескольких сотен килотонн (!) обычного взрывчатого вещества.
Однако, есть способ растянуть данный процесс во времени. Если посмотреть на схему цепной реакции, то видно, что важным фактором является количество нейтронов, делящих ядра. Поэтому, помещая в делящийся материал вещество, способное захватывать нейтроны (поглотитель), можно замедлить этот процесс настолько, чтобы иметь возможность отводить выделяющуюся энергию, заставляя её, например, нагревать воду до кипения и использовать пар для вращения турбины электростанции (АЭС). В современных ядерных силовых установках в качестве поглотителя используется углерод (графит).
Если взглянуть теперь на область ядер, лежащих левее «железного максимума», можно заметить, что их удельная энергия связи в среднем оказывается ещё более низкой, чем у ядер в самом максимуме. Таким образом, для лёгких ядер возможен процесс, обратный делению – синтез. При этом, как и в случае деления, энергия будет выделяться. К числу реакций синтеза можно отнести, например, слияние ядер дейтерия с образованием гелия.

2 H + 2 H → 3 He + n

Термоядерная реакция

Проблема, как нетрудно увидеть, заключается в том, что во всех случаях приходится иметь дело со слиянием одноимённо заряженных объектов, возникает так называемый кулоновский барьер , для преодоления которого надо всё же затратить энергию. Проще всего это достигается путём нагрева синтезируемых веществ до очень высоких (миллионы градусов) температур. В земных условиях это возможно только при ядерном взрыве. Таким образом, помещая ядерный заряд в оболочку из лёгких элементов, можно получить неуправляемую реакцию синтеза или (по причине возникающих высоких температур), термоядерную реакцию . Впервые такая реакция (взрыв термоядерной бомбы) была осуществлена в 1953 г.(СССР).
В природе термоядерные реакции протекают в звёздах, где существуют все условия для «пробивания» кулоновского барьера. Кроме того, сильнейшее гравитационное сжатие также способствует протеканию реакции синтеза с образованием более тяжёлых элементов, вплоть до железа.
Проблема реализации управляемого термоядерного синтеза продолжает оставаться нерешённой и одной из самых актуальных для физики атомного ядра, как дающая возможность использования дешёвого топлива в практически неограниченных количествах без каких-либо губительных последствий для окружающей среды.
Как уже отмечалось, состав атомного ядра во многом определяет его свойства. Одним из самых заметных ядерных характеристик, влияющих на поведение ядер, является соотношение между нейтронами и протонами в атомных ядрах. Лучше всего это видно на так называемой N-Z диаграмме .

N-Z диаграмма атомных ядер.

На диаграмме можно видеть несколько заметных областей. Одна из них − центральная часть, узкая полоса ядер, отмеченных чёрным. Это − так называемая «долина стабильности», область стабильных ядер, не подверженных распадам. При увеличении числа нейтронов (вправо от долины стабильности) расположены ядра, отмеченные синим цветом. При переизбытке нейтронов энергия ядра возрастает и появляется возможность для «возвращения» в долину стабильности путём превращения одного из нейтронов в протон

n → p + e - + e .

Этот процесс называется β-минус-распадом . Нейтрон превращается в протон, электрон и электронное . Нейтрон может испытывать данный распад и вне ядер. В результате такого распада ядро увеличивает свой заряд, сдвигаясь в область стабильности.
Красная область − область ядер с переизбытком протонов. В них реализуется обратный процесс:

p → n + e + + ν e

называемый β-плюс-распадом. Протон превращается в нейтрон, позитрон и электронное нейтрино (последние две частицы − «антиподы» электрона и антинейтрино). Нужно отметить, что так как масса протона меньше массы нейтрона, то такой распад происходит только в ядрах, в свободном состоянии протон стабилен.
Жёлтая область на диаграмме − область тяжёлых неустойчивых ядер. Для них характерен уже другой тип распада – испускание α-частиц (ядер 4 He) или α-распад , Этот тип распада приводит к уменьшению и заряда и массового числа и «перемещению» ядра в область более лёгких ядер. Иногда это приводит к цепочке распадов. Например,

226 Ra → 222 Rn + 4 He; 222 Rn → 208 Po + 4 He; 208 Po → 204 Pb + 4 He,

где последним оказывается уже стабильное ядро.
Во многих случаях возникающее в результате распада ядро имеет переизбыток энергии и освобождается от него испусканием γ-кванта, происходит γ-переход в ядре (иногда не совсем корректно именуемый γ-распадом).
Все распады ядер характеризуются своими особенностями, связанными с вероятностью распадов, типом вылетающих частиц и их энергиями. Однако существуют общие закономерности распадов, установленные ещё во время работ Беккереля и Кюри. Основной из них − закон радиоактивного распада .

N(t) = N 0 e -λt ,

где N − число радиоактивных ядер в образце в данный момент, N 0 − число радиоактивных ядер в некий начальный момент времени, а λ − так называемая постоянная распада, характеризующая вероятность распада. Постоянная распада не слишком удобна для практического применения, поэтому чаще пользуются другой величиной, T 1/2 – периодом полураспада , характеризующим время, за которое число активных ядер уменьшается в 2 раза. Постоянная распада и период полураспада связаны соотношением

Различные радиоактивные ядра-источники могут иметь периоды полураспада, начиная с миллисекунд и заканчивая миллиардами лет. Кроме того, важной характеристикой является активность источника (или его масса), которая характеризует интенсивность распада в данный момент времени. Вокруг нас постоянно присутствуют различные типы радиоактивных ядер, а два радиоактивных изотопа − 40 K и 14 C, постоянно находятся в человеческом организме.

ФИЗИКА ЧАСТИЦ

Физика частиц − возможно один из самых динамичных разделов физики. По крайней мере, трудно назвать какую-либо другую область естественнонаучных знаний, в которой представления об окружающем мире 40 − 50 лет назад так отличались бы от тех, которые мы имеем сейчас. Это связано, в первую очередь с изменением тех представлений о фундаментальных частицах и взаимодействиях, которые произошли за это время в ходе экспериментальных и теоретических исследований материи. Что же сейчас представляют из себя основные положения физики частиц?
Фундаментальные частицы − набор частиц, которые на настоящий момент являются элементарными составляющими вещества. В 20-е годы прошлого века таких частиц (да и вообще частиц) было только две − протон и электрон. Уже в 50-е годы общее число известных частиц приблизилось к двум десяткам и многие из них считались бесструктурными. Сейчас общий счёт частиц идёт на сотни, но вот к действительно фундаментальным относятся немногие. Все фундаментальные частицы можно разделить на несколько больших групп.
Кварки . По современным представлениям это основная составляющая материи, по массе они составляют более 95% всего видимого вещества. Кварки делятся на 6 типов (ароматов), каждый из которых имеет свои свойства и отличия от других. Это u (up), d (down), s (strange), c (charm), b (bottom) и t (top). Кварки имеют дробный заряд , равный 1/3 или 2/3 от заряда электрона (протона). Каждый из кварков имеет свою античастицу – антикварк, совпадающую с кварком по массе, но противоположную по многим другим характеристикам (например, имеющую противоположный электрический заряд). Кроме того, кварки имеют особую характеристику – цвет , которой лишены все остальные частицы (говорят, что они бесцветные). У кварков три цвета – красный , синий и зёлёный .
Разумеется, не стоит думать, что цвет кварков это видимый глазом эффект. Под цветом подразумевается особая характеристика, выражающаяся в поведении кварков при различных взаимодействиях между ними. Название в данном случае условно, точно также эту характеристику можно было назвать, например, вкусом, или использовать любой другой термин.
Как легко подсчитать, общее число кварков (с учётом антикварков и цветов) равно 36. Из этих 36 частиц формируются все известные структурные тяжёлые частицы. Совокупность трёх кварков образует барионы , а совокупность пары кварк-антикварк, мезоны . К числу барионов относятся и хорошо известные нам протон и нейтрон. Барионы и мезоны объединяются под общим термином адроны . Из всех адронов стабильным является только протон, все остальные адроны распадаются, превращаясь в другие частицы.
Лептоны . Это другая группа частиц, главным отличием которых от адронов является их бесструктурность, т.е. лептоны не состоят из других частиц, а являются элементарными. Лептоны делятся на заряженные − электрон , мюон и таон и нейтральные − электронное , мюонное и таонное нейтрино . С учётом античастиц общее число лептонов равно 12-ти. Лептоны не образуют каких-либо комбинаций, за исключением электронов, входящих в состав атомов. Электрон же является единственным стабильным заряженным лептоном. Стабильность всех типов нейтрино сейчас находится под вопросом.
Переносчики взаимодействий . Общее число взаимодействий равно 4-м. Это сильное (действующее между кварками и адронами), электромагнитное , слабое (действующее между практически всеми частицами, но особенно ярко проявляющееся при взаимодействии лептонов) и гравитационное . Каждое взаимодействие переносится полем, которое представляется как поток частиц-переносчиков. Переносчиком сильного взаимодействия является глюон , электромагнитного − гамма-квант , слабого − три типа промежуточных бозонов (W - , W + и Z) и гравитационного – гравитон (впрочем, последняя частица является лишь предсказываемой из теоретических соображений). Все переносчики имеют свои свойства и принимают участие каждый в своём взаимодействии.
Что касается остальных частиц, то в сильном взаимодействии принимают участие только адроны и глюоны; в электромагнитном − заряженные частицы и гамма-кванты; в слабом − все, кроме переносчиков других взаимодействий; в гравитационном − частицы, имеющие массу. Возникновение массы частиц связано ещё с одним особым полем, которое называют полем Хиггса, а переносящие его частицы − бозонами Хиггса .

До начала 60-х годов прошлого века все известные на тот момент частицы считались бесструктурными. Однако благодаря прогрессу в развитии основного экспериментального инструментария − ускорителей частиц, уже в конце 50-х годов возникли предположения о структурности нуклонов. Проводя эксперименты на электронном ускорителе, американский физик Роберт Хофштадтер (Robert Hofstadter), установил, что рассеивая электроны на нейтронах, можно видеть, что электроны взаимодействуют с «внутренностью» нейтрона так, как будто он имеет некий скрытый заряд, сложным образом распределённый внутри. Хофштадтер предположил, что это может быть связано с наличием неких носителей электрического заряда внутри незаряженного нейтрона. Через несколько лет похожие эксперименты были проведены и в других лабораториях.

Основываясь на данных этих экспериментов и изучая систематику частиц, открытых на тот момент, другой американский физик, Мюррей Гелл-Манн (Murray Gell-Mann) в 1963 г. выдвинул гипотезу о том, что протон и нейтрон построены из более мелких частиц, которые он назвал кварками. Первоначально Гелл-Манн ввёл только два кварка− u и d , однако затем большее число открытых частиц с различными свойствами заставили вносить в модель коррективы, увеличивая их число сначала до 3 и 4-х, а потом до 6-ти. Кварковая гипотеза в своём развитии сталкивалась со многими проблемами. Во-первых, психологически трудно было воспринимать существование частиц с зарядом, меньшим, чем заряд электрона Во-вторых, обнаруженные в конце 60-х годов частицы интерпретировались в кварковой модели таким образом, что это могло идти вразрез с основными положениями квантовой механики. Для решения этой проблемы была введена особая характеристика (квантовое число) кварков − цвет. В-третьих, проблемой кварковой модели являлось то, что все попытки обнаружить кварки в свободном состоянии не приводили к успеху. Это вызывало неприятие модели у многих учёных, ведь только экспериментальное подтверждение гипотезы переводит её из разряда гипотез в разряд физических истин. Так, в 1969 г. М.Гелл-Манн был удостоен Нобелевской премии, однако в формулировке присуждения «За вклад и открытия в классификации элементарных частиц и их взаимодействий» не было слова «кварк».
Только после экспериментов в DESY (Германия), Fermilab (США) и Европейском Центре Ядерных Исследований (ЦЕРН) к концу 80-х годов удалось пронаблюдать эффекты, которые свидетельствовали о наличии частиц с дробным зарядом. Первая Нобелевская премия, в формулировке которой присутствовало слово «кварк» была присуждена у, у и у в 1990 г. Примерно тогда же было дано объяснение проблеме наблюдения кварков в свободном состоянии. Специфичность взаимодействия кварков друг с другом делает эту процедуру принципиально невозможной (так называемый confinement ), возможно только косвенное наблюдение кварковых эффектов.
В настоящий момент существует хорошо развитый отдельный раздел теоретической физики, изучающий глюоны и кварки − квантовая хромодинамика . В этом разделе обобщены успехи квантовой теории в применении её к специфическому «цветному пространству» кварков и глюонов.
Адроны − частицы, построенные из кварков на настоящий момент включают в себя более чем 400 частиц (и античастиц). Все они, кроме протона и нейтрона (являющегося стабильным в ядрах) имеют времена жизни не больше одной микросекунды и распадаются на другие частицы (в итоге, стабильные). Ряд частиц имеют массы в несколько раз превышающие массы нуклонов. Среди адронов имеются электронейтральные частицы, имеются заряженные, в том числе и с зарядом +2 и -2 (в единицах заряда электрона). Разнообразие тяжелых частиц позволяет изучать закономерности их взаимодействия с различными полями и в конечном итоге, получить правильное представление о закономерностях построения нашего мира.
Лептоны не могут похвастаться таким многообразием, как адроны. Общее их число (с античастицами) равно всего лишь 12-ти. Легчайший заряженный лептон − электрон, был открыт в 1895 г., его античастица (позитрон) − в 1934, более тяжёлый мюон − в 1962г, а последний, таон с массой более чем в 3000 раз большей, чем у электрона − в 1975 г. Однако наиболее интересными на настоящий день являются незаряженные лептоны− нейтрино.

В конце 20-х годов прошлого века шло бурное изучение различных типов радиоактивных распадов. При изучении β-распада учёные столкнулись с парадоксальной ситуацией − электроны всякий раз имели различную энергию, хотя в распаде, в результате которого образуется две частицы

вся энергия распада должна пропорционально делиться между электроном и атомным ядром, т.е. электроны должны иметь фиксированную энергию. Дело дошло до того, что даже Нильс Бор был готов признать, что при β-распаде нарушается закон сохранения энергии! Выход был найден выдающимся немецким физиком Вольфгангом Паули (Wolfgang Pauli). Он предположил, что вместе с электроном возникает ещё одна незаряженная частица (маленький нейтрон), которая вылетает при распаде без регистрации, всякий раз унося различную порцию энергии. Идея, предложенная Паули, блестяще разрешала ситуацию, закон сохранения энергии оставался незыблемым, а возникновение новой частицы объясняло ситуацию с «потерей энергии». Однако довольно долго нейтрино (название, предложенное Энрико Ферми) оставалось «бумажной частицей».

Прогресс в экспериментальном изучении нейтрино прежде всего связан с именем выдающегося физика (итальянца по происхождению, в 1950 г. переехавшего в СССР) Бруно Понтекорво. В 1944 г. Понтекорво, проводя теоретическое изучение возможных свойств нейтрино, предложил эффективный метод регистрации этой частицы. В качестве источника, по мнению Понтекорво, мог стать процесс, в котором интенсивно происходили бы распады радиоактивных ядер. Чуть позже Понтекорво предложил использовать ядерный реактор, как искусственный источник нейтрино. Уже в начале 50-х годов были начаты работы по регистрации нейтрино (тогда предполагалось, что у нейтрино нет античастицы). Первым экспериментом по регистрации (анти)нейтрино стал опыт Фредерика Райнеса (Frederick Reines)) и Клайда Коуэна (Clyde L. Cowan, Jr.), которым в 1957 г. удалось зарегистрировать реакторные антинейтрино. Следующим этапом изучения этой частицы стала регистрация солнечных нейтрино, осуществлённая Рэймондом Дэвисом (Raymond Davis Jr.) в 1967 г. в шахте Хоумстейк (США). Уже тогда стало ясно, что взаимодействие нейтрино с веществом происходит так редко, что для его эффективной регистрации требуются большие объёмы регистрирующего вещества и долгое время проведения измерений. Один из самых успешных нейтринных экспериментов на установке Kamiokande (Япония) за несколько лет работы с огромным баком вместимостью в несколько десятков тысяч тонн воды дал результат в виде нескольких нейтрино в год! Причём помимо времени для проведения подобных экспериментов требуются и большие финансовые затраты. По меткому выражению Б.Понтекорво, «Физика элементарных частиц − дорогая наука..».
С чем связан современный интерес к нейтрино? Высочайшая проникающая способность этих частиц позволяет получать информацию об объектах, недоступных для изучения другим способом. Круг применения тут огромен − от информации о процессах в удалённых галактиках и галактических скоплениях, до нейтринной геолокации Земли. В настоящее время вводятся в действие крупные проекты по регистрации астрофизических нейтрино − нейтринные телескопы большого объёма, где в качестве регистрирующего вещества используется морская вода или лёд. Предполагается сооружение двух телескопов объёмом по 1 км 3 в Северном (Средиземноморье) и Южном (Антарктика) полушариях.

Нейтринный телескоп ANTARES

Нерешённой до сих пор проблемой остаётся и проблема массы нейтрино. Удивительно, но это пожалуй, единственная частица, про которую невозможно сказать, имеет ли она массу или нет! В последние годы большие надежды в решении этой проблемы возлагаются на наблюдение так называемых нейтринных осцилляций, самопроизвольных переходов нейтрино одного типа в другой.
Несмотря на наличие различных методов современных исследований, основным инструментом с 40-х годов прошлого века остаются ускорители заряженных частиц . Любой ускоритель является в прямом смысле этого слова микроскопом, позволяющем взглянуть вглубь материи. Ведь для наблюдения того или иного объекта в микромире, необходимо использовать излучение с длиной волны, соизмеримой с его размерами. А так как исходя из волновых свойств частиц, мы можем получить

где λ − длина волны, ћ − постоянная Планка, c − скорость света, а E − энергия, то для большего «увеличения» нашего «микроскопа» необходимо увеличивать энергию частиц. На настоящий момент существуют разные типы ускорителей, в основном, ускоряющие протоны и электроны. Принцип работы стандартного линейного ускорителя, например, чрезвычайно прост и состоит в том, что при прохождении разницы потенциалов электрон (или протон), набирает энергию.

Именно поэтому единица энергии, используемая в ядерной физике и физике частиц, именуется «электронвольт», это энергия, которую приобретает электрон при прохождении разницы потенциалов в 1 Вольт. Конечно, в современных ускорителях ускорение осуществляется с помощью переменного электромагнитного поля, «раскачивающего» частицы на разных участках. Максимальная энергия электронов, достигнутая в электронных ускорителя на сегодняшний день составляет 100 ГэВ (10 11 эВ), а в протонных − 3.5 ТэВ (3.5·10 12 эВ). Последнее значение соответствует энергии протонов, достигнутой на крупнейшем современном протонном ускорителе − Большом Адронном Коллайдере (LHC) в ЦЕРНе.

Схематическое изображение комплекса ускорителей в ЦЕРН на географической карте.

Этот крупнейший ускорительный комплекс представляет из себя сверхпроводящее кольцо длиной более 27 километров, позволяющее «раскручивать» протоны до энергий 7 ТэВ. При такой энергии сталкивающихся протонов (а столкновение, понятно, ещё больше увеличивает энергетический выход) становится возможным наблюдать всевозможные реакции с образованием различных частиц, в том числе и с большими массами. Большая часть экспериментов, запланированных на коллайдере, связана с проверкой предсказаний Стандартной Модели − набором теоретических предположений, описывающих структуру материи. Подтверждение или опровержение этих гипотез даст науке возможность двигаться вперёд, решая те проблемы, которые стоят на сегодняшний день перед человечеством.

Вопросы для самопроверки

1. Каково принципиальное отличие методов изучения микромира и макромира?
2. Каков физический смысл постоянной Планка?
3. Возможно ли одновременное точное измерение координаты и импульса частицы в микромире?
4. Приведите пример дискретности энергии в квантовой системе.
5. Что является основной характеристикой квантовой системы?
6. Назовите эксперимент, положивший начало современному представлению о структуре атома.
7. Каков примерный размер атома?
8. Какова причина излучения атомами фотонов?
9. Что такое ионизация?
10. Каков примерный размер атомного ядра?
11. Какие частицы входят в состав атомного ядра?
12. Что такое энергия связи ядра?
13. Почему тяжёлые ядра делятся?
14. Почему реакции ядерного синтеза называют термоядерными?
15. Что такое альфа-распад?
16. Назовите три группы фундаментальных частиц.
17. Перечислите типы кварков.
18. Из скольких кварков состоят протон и нейтрон?
19. Что такое нейтрино?
20. Перечислите типы фундаментальных взаимодействий.

Окружающие нас физические тела, даже одинаковые, в конечном счете, различимы. Мы часто говорим: «похожи, как две капли воды», хотя при этом уверены, что и две капли воды, как бы они ни были похожи, можно отличить. Но по отношению к электронам слово «сходство» не подходит. Здесь речь идет о полной тождественности.

У каждого шарика из кучи совершенно одинаковых все-таки есть что-то свое - хотя бы место, которое шарик занимает среди остальных. С электронами иначе. В системе из нескольких электронов невозможно выделить какой-то один: поведение каждого ничем не отличается от остальных. Кое-что похожее встречается и в нашем мире. Например, две волны с одинаковой длиной, амплитудой и фазой настолько тождественны, что после наложения их совершенно бессмысленно спрашивать, где находится одна и где другая. Или вообразите вихри, которые мчатся навстречу один другому. После их столкновения могут образоваться новые вихри, и невозможно установить, какой из «новорожденных» вихрей возник из первого и какой из второго.

Получается, что электрон своим характером больше напоминает не физическое тело, а процесс. Например, волновые движения. Впрочем, по ряду причин, о которых будет сказано ниже, нельзя вообразить электрон и лишь как волну.

Орел и решка

Что же такое, в конце концов, электрон? Прежде чем ответить на этот вопрос, вспомним сначала об увлекательной игре «орел и решка». Дело в том, что очень важное для нас в дальнейшем понятие вероятности возникает из анализа азартных игр.

Бросьте монету десять, двадцать, сто раз. Повторите многократно серию из ста бросаний. Вы заметите, что число выпадений «орла» и «решки» будет почти точно повторяться во всех (или почти во всех) сериях. Значит, мы имеем дело с определенной закономерностью. Зная ее, можно оценить вероятность того, что может случиться, а может и не случиться. Скажем, выигрыш в лотерее.

Но какое все это имеет отношение к микромиру? Самое прямое. Объект исследования механики - вероятность различных событий, например вероятность появления вспышек в том или ином месте экрана.

Поскольку это есть вероятность того, где и когда что-то может произойти, необходимо знать их распределение в пространстве и во времени. Исследованием таких распределений (физики их называют волновыми функциями) и занимается квантовая механика.

Что такое болезнь?

Быть может, у вас возникнет сомнение: как это объектом исследования физики могут быть нефизические тела. Однако вспомните, что объект, например, социологии или экономики - общество или определенные общественные отношения, которые не могут быть названы предметами. А объект такой науки, как медицина,- болезнь. Не микробы и не человек, а именно болезнь, то есть нарушения нормальных функций человеческого организма. Это тоже не предмет. Что касается классической механики, то и ее объекты - материальные точки - нельзя считать реальными предметами, ибо они не обладают всей совокупностью свойств, присущих физическим телам (например, цветом, вкусом, запахом). Это лишь идеализация физического тела, предмета. Правда, здесь нетрудно увидеть соответствие между тем, что исследует наука, и тем, что находится в окружающем нас мире: механика изучает материальные точки, которым соответствуют во внешнем мире физические тела.

А что же соответствует объектам микромира: атомам, атомным ядрам, а также электронам и другим элементарным частицам? Оказывается, не физические тела, не комочки вещества, как-то разбросанные в пространстве, а определенные вероятностные связи между явлениями. Микромир - это не новый мир с удивительными по своим свойствам предметами, а мир новых, неизвестных ранее связей между физическими явлениями.

Не буква, а смысл

Опять законный вопрос: а разве связи между явлениями существуют вне физических тел? Нет, конечно. Связи между явлениями проявляются и существуют только в самих явлениях и не могут существовать как что-то обособленное. Но изучать их можно и отвлекаясь от явлений. Именно это и делает с успехом квантовая механика. Явления, которые она изучает, происходят с самыми обычными телами - экранами, счетчиками. Однако в теории эти тела не фигурируют. Связи между явлениями, которые исследует квантовая механика, столь сложные, что приходится прибегать к абстрактным понятиям (таким, как волновая функция, распределение вероятностей и т. д.)

Правомерны ли такие абстракции? Можно ли говорить об объективном существовании связей между явлениями, считая их как бы независимыми от явлений? Да, мы очень часто поступаем подобным образом. Вспомним, что мы можем говорить о содержании книги, совершенно не интересуясь свойствами типографской краски и бумаги, на которой она напечатана. Просто в данном случае важно не то, как оттиснуты буквы, и не форма этих букв, а связь между ними.

Что творится в микромире?

Как уже говорилось, элементарные частицы больше схожи не с предметами, а с физическими процессами, явлениями. Это одна из причин своеобразия микромира. Любой предмет обладает определенной степенью постоянства; он, пусть хотя бы в течение ограниченного промежутка времени, может считаться неизменным. Совсем другое дело - процессы, явления. К примеру, волны постоянно складываются друг с другом (интерферируют), меняют свою форму; при всяком взаимодействии с посторонними телами или другими волнами облик их не остается неизменным. Что-то в этом роде происходит и с микрообъектами.

Проведем мысленный эксперимент

Пусть на мишень падают два электрона. После соударения с ней они отскакивают в разные стороны. Если измерить толчок, который испытала при этом мишень, то можно, пользуясь законом сохранения количества движения, определить сумму (количеств движения) электронов после отскока. Подождем, пока электроны разойдутся на достаточно большое расстояние, и измерим импульс одного из них. Тем самым, поскольку сумма импульсов известна, определяется также импульс второго электрона. А теперь заметьте - это очень важно! - что состояние, при котором импульс электрона имеет определенное значение, и состояние без определенного значения импульса представляют собой, с точки зрения квантовой механики, различные состояния. Выходит, при действии на один электрон (а измеряя импульс, на частицу никак нельзя не подействовать) одновременно изменяется состояние другого электрона?

Телепатия у электронов?

Не может этого быть! В самом деле: ведь электроны находятся далеко друг от друга, и не взаимодействуют; каким же образом при действии на один из них меняется состояние другого? Как тут не подумать, что мы имеем здесь дело с передачей воздействия от одного тела к другому чуть ли не сверхъестественным способом, то есть с чем-то вроде телепатии у электронов.

Можно, правда, усомниться, что состояние второго электрона на самом деле изменилось, пока мы находим импульс первого.

Ведь оба электрона обладали какими-то определенными импульсами и до того, как мы начали измерение. В результате, мы лишь узнали импульс второго электрона, но состояния его никоим образом не меняли.

На первый взгляд, эти рассуждения вполне логичны. Увы, в основе квантовой механики лежит особая логика. Как она утверждает, до опыта по измерению импульса первого электрона оба электрона вообще не имели определенного импульса.

Чтобы разобраться, в чем дело, зададим вроде бы нелепый вопрос: существовал ли каждый из электронов в отдельности? Другими словами, система-то из двух электронов была, но состояла ли она из отдельных электронов?

Этот вопрос вовсе не такой бессмысленный, каким он поначалу кажется. Отдельный электрон в квантовой механике описывается отдельным вероятностным распределением. В этом случае мы можем сказать, что электрон имеет такую-то вероятность находиться в данном месте и другую вероятность находиться в каком-то ином месте. То же можно сказать о импульсе, энергии и других параметрах частицы.

Вероятности, характеризующие электрон, со временем меняются, независимо от того, что происходит с другими электронами (если он с ними не взаимодействует). В этом лишь случае и можно говорить, что существует отдельный электрон, а не их система как единое целое, не распадающееся на части. Но с электронами в нашем эксперименте (читателю придется поверить мне на слово) дело обстоит иначе.

Электроны появляются и исчезают

В вероятностном распределении, описывающем системы после отскока наших электронов от мишени, нельзя выделить независимые части, которые соответствовали бы отдельным электронам. Однако после постановки опыта по измерению импульса возникает совсем другая ситуация. По результатам полученных данных можно составить новое вероятностное распределение, которое распадается на две независимые части, так что каждую можно рассматривать как отдельный электрон.

Этим самым парадокс «электронной телепатии» устраняется. Состояние второго электрона отнюдь не меняется в результате измерения, проведенного над первым электроном: ведь этих электронов до опыта просто не было. Разговор о появлении и исчезновении электронов звучит нелепо, если рассматривать электроны как физические тела, но вполне согласуется с представлениями о них как о вероятностных распределениях, которые не обладают устойчивостью физических тел и меняются от опыта к опыту.

Как усидеть электрон

И все-таки не так-то просто отказаться от того, чтобы считать электрон обычным телом. В самом деле, ведь измеряют же физики положение электрона, его импульс, энергию. Эти величины характеризуют и состояние обычных физических тел. А если так, то, значит, все же можно в каком-то смысле охарактеризовать электрон теми же свойствами, как и физическое тело, например, положением в пространстве?

Увы, нет. Ибо как это сделать? Определить положение электрона в пространстве можно, например, с помощью сцинтиллирующего экрана. Он покрыт особым веществом, которое дает вспышку при попадании на экран электрона. Появление вспышки истолковывается как весть о том, что электрон находится там в этот момент. Однако, в отличие от обычных физических тел, электрон, с точки зрения физика, не имеет определенного положения как до, так и после вспышки. Более того, пока нет экрана, невозможно говорить о положении электрона в определенной точке пространства: из квантовой механики следует, что в отсутствие экрана электрон описывается «размазанной» по большой области волновой функцией. Появление экрана скачком изменяет состояние электрона; в результате волновая функция мгновенно стягивается в одну точку, в которой и происходит вспышка.

Фигаро здесь, Фигаро там…

Это стягивание носит название «редукции волнового пакета». Только в результате редукции электрон переходит в новое состояние, в котором он на одно мгновение приобретает определенное положение в пространстве. В следующий момент волновой пакет снова расплывается, и электрон опять не имеет определенного положения.

То же самое (с несущественными для нас сейчас отличиями) можно сказать и о других параметрах (например, об импульсе, энергии, моменте количества движения). Таким образом, все классические параметры характеризуют не электрон сам по себе, а лишь процесс его взаимодействия с измерительным прибором. Они появляются у электрона лишь в момент измерения в результате редукции волнового пакета. Сам же по себе электрон (а значит, и его поведение) характеризуется лишь вероятностными свойствами, записанными в волновой функции. Так, в эксперименте с попаданием электрона на экран вероятность вспышки была отлична от нуля во всех точках определенной области пространства, эту вероятность можно было вычислить заранее, и она не зависела от того, будет ли там находиться экран или нет.

Быстрее света

Поразительный процесс - редукция волнового пакета. Из-за него электрон и другие частицы микромира и нельзя представить как волновое движение в каком-либо физическом поле. Дело в том, что эта редукция (например, в приведенном выше примере - стягивание волновой функции к одной точке экрана) происходит мгновенно. Таким образом, редукция, волнового пакета не может быть физическим процессом, N происходящим в каком-либо поле. Мгновенные действия на расстоянии противоречат фундаментальным предпосылкам, лежащим в основе теории поля. Известно, например, что всякая передача энергии (и информации) в электромагнитном поле происходит со скоростью света. Согласно теории относительности, скорость света - предельная скорость передачи физического воздействия (и сообщений) в нашем мире.

Тем не менее, редукция волнового пакета не имеет в своей основе ничего таинственного. Наверняка каждый из вас сталкивался с ней в повседневной жизни. Предположим, вы купили лотерейный билет. У вас появляется определенный шанс выиграть по этому билету, скажем, . Весьма незначительная вероятность, что это произойдет, мгновенно обращается либо в нуль, либо в единицу, когда несколько поворотов тиражного барабана решат этот вопрос так или иначе.

Заметьте, что, вообще говоря, это становится ясным еще до того, как вы узнаете результаты розыгрыша. Налицо мгновенная редукция распределения вероятностей, происходящая в самый момент розыгрыша и не связанная с передачей какого-либо действия в пространстве.

60% живого и 40% мертвого

В квантовой механике строго различаются факты, которые уже произошли, и факты, которые предсказываются теорией. Они даже описываются по-разному: первые - в терминах классической физики, а для вторых используется квантово-механическое описание, то есть язык вероятностных распределений. Это обстоятельство приводит к любопытным недоразумениям.

Представьте себе, что в космос отправлена ракета с каким-либо животным на борту, например с . В ракете есть электронное устройство, которое включается автоматически в определенный момент и выпускает один электрон. Этот электрон, отразившись от мишени, попадает на экран, причем, если на правую, скажем, половину, то срабатывает взрывное устройство, которое уничтожает кошку, при попадании же на левую половину экрана ничего не происходит, и кошка возвращается на Землю живой и невредимой. Что произошло в действительности - можно узнать только после того, как ракета вернулась обратно и есть возможность вскрыть контейнер с кошкой. Посмотрим, что же может сказать квантовая механика по поводу судьбы кошки до того, как содержимое контейнера было вскрыто.

Вывод ее будет приблизительно таким: состояние кошки представит собой суперпозицию (наложение) живого и мертвого состояния, причем кошка будет, скажем, на 60 процентов жива и на 40 процентов мертва.

Где у нас ошибка

С первого взгляда, подобное предсказание выглядит совершенно нелепым. Действительно, о какой суперпозиции живого и мертвого может идти речь? Как можно жить на 60 процентов и можно ли быть мертвым на 40 процентов? Предсказание покажется еще более странным после того, как контейнер будет вскрыт. Там, ясное дело, найдут либо живую кошку, либо ее останки, а отнюдь не какой-нибудь промежуточный результат.

На основе аналогичных рассуждений венгерский физик и философ Л. Яноши приходит к выводу, что квантовая механика не описывает правильно того, что происходит в действительности.

Не ворожить, а рассчитывать

Но Яноши не учитывает одного важного обстоятельства. Квантовая механика и не претендует на точное описание того, что происходит; она говорит лишь о том, какие выводы следуют из фактов, которые уже точно известны. В воображаемом эксперименте с кошкой нам заведомо известно лишь, что в определенный момент включается определенное электронное устройство. Сделать на основе этого заключение о том, какие именно события последуют дальше, нельзя; можно лишь предсказать вероятности возможных исходов. Это и делает квантовая механика. В нашем случае ее предсказания имеют следующий смысл: у кошки есть 60 шансов из 100 остаться живой.

Это все, что можно сказать заранее, не вскрывая вернувшегося контейнера. Еще раз: задача квантовой механики состоит не в том, чтобы предсказывать последовательность действительно происходящих событий, а просто находить, как меняются с течением времени вероятности совершения этих событий.

Нелегко - потому что непривычно

Немало удивительного таит в себе микромир. Необычен он сам, непривычны его законы. Именно этим объясняется сложность квантовой механики - многое в ней трудно понять, пользуясь привычными представлениями. Ничего не поделаешь: чем глубже человек познает природу, тем более сложные закономерности открывает. И тогда приходится отбрасывать привычные представления. Это трудно. Но иначе нельзя.

Краткая история изучения элементарных частиц

Первой элементарной частицей, открытой учеными, был электрон. Электрон - это элементарная частица, носящая отрицательный заряд. Он был открыт в 1897 году Дж. Дж. Томсоном. Позднее, в 1919 году Э. Резерфордом было обнаружено, что среди выбитых из атомных ядер частиц есть протоны. Затем были открыты нейтроны и нейтрино.

В 1932 году К. Андерсоном при изучении космических лучей были открыты позитрон, мюоны, К-мезоны.

С начала 50-х годов основным инструментом изучения элементарных частиц стали ускорители, что позволило обнаружить большое количество новых частиц. Исследования показали, что мир элементарных частиц очень сложен, а их свойства носят неожиданный, непредсказуемый характер.

Элементарные частицы в физике микромира

Определение 1

В узком понимании, элементарные частицы – это такие частицы, которые не состоят из других частиц. Но, в современной физике используется более широкое понимание этого термина. Так, элементарные частицы – это мельчайшие частицы материи, не являющиеся атомами и атомными ядрами. Исключение из этого правила составляет протон. Именно поэтому элементарные частицы получили название субъядерных частиц. Преобладающая часть этих частиц являются составными системами.

Элементарные частицы принимают участие во всех фундаментальных видах взаимодействия – сильном, гравитационном, слабом, электромагнитном. Гравитационное взаимодействие, ввиду малых масс элементарных частиц, часто не учитывается. Все существующие на данный момент элементарные частицы разделяются на три большие группы:

• бозоны. Это элементарные частицы, переносящие электрослабые взаимодействия. К ним относится квант электромагнитного излучения фотон, имеющий массу покоя, равную нулю, чем обусловливается то, что скорость распространения электромагнитных волн в вакууме является предельной скоростью распространения физического воздействия. Скорость света одна из фундаментальных физических постоянных, ее значение равно 299 792 458 м/с.
• лептоны. Эти элементарные частицы принимают участие в электромагнитных и слабых взаимодействиях. На данный момент существует 6 лептонов: электрон, мюон, мюонное нейтрино, электронное нейтрино, тяжелый τ-лептон и соответствующее нейтрино. Все лептоны имеют спин ½. Каждому лептону соответствует античастица, которая имеет ту же массу, тот же спин и другие характеристики, но отличается знаком электрического заряда. Существуют позитрон, являющийся античастицей электрона, мюон, положительно заряженный и три антинейтрино, имеющие лептонный заряд.
• адроны. Эти элементарные частицы принимают участие в сильном, слабом и электромагнитном взаимодействиях. Адроны – это тяжелые частицы, масса которых в 200 000 раз больше массы электрона. Это самая многочисленная группа элементарных частиц. Адроны в свою очередь подразделяются на барионы – элементарные частицы со спином ½, мезоны, имеющие целочисленный спин. Кроме того, существуют так называемые резонансы. Так называют короткоживущие возбужденные состояния адронов.

Свойства элементарных частиц

Любой элементарной частице присущ набор дискретных значений и квантовых чисел. Общими характеристиками абсолютно всех элементарных частиц являются следующие:

• масса
• время жизни
• электрический заряд

Замечание 1

По времени жизни элементарные частицы являются стабильными, квазистабильными, нестабильными.

Стабильными элементарными частицами являются: электрон, время жизни которого составляет 51021 лет, протон – более 1031 лет, фотон, нейтрино.

Квазистабильные – это частицы, которые распадаются в результате электромагнитного и слабого взаимодействий, время жизни квазистабильных элементарных частиц составляет более 10-20 с.

Нестабильные элементарные частицы (резонансы) распадаются в ходе сильного взаимодействия и их время жизни составляет $10^{-22} – 10^{-24}$ с.

Квантовыми числами элементарных частиц являются лептонный и барионный заряды. Эти числа являются строго постоянными величинами для всех видов фундаментальных взаимодействий. Для лептонных нейтрино и их античастиц лептонные заряды имеют противоположные знаки. Для барионов барионный заряд равен 1, для соответствующих им античастиц барионный заряд составляет -1.

Характерным для адронов является присутствие особых квантовых чисел: «странности», «красоты», «очарования». Обычными адронами являются нейтрон, протон, π-мезон.

Внутри разных групп адронов существуют семейства частиц, имеющих близкую по значению массу и сходные свойства по отношению к сильному взаимодействию, но отличающиеся электрическим зарядом. Примером этого является протон и нейтрон.

Способность элементарных частиц к взаимовпревращениям, которые происходят в результате электромагнитных и других фундаментальных взаимодействий, является их важнейшим свойством. Таким видом взаимопревращений является рождение пары, то есть образование частицы и античастицы одновременно. В общем случае, происходит образование пары элементарных частиц с противоположными барионными и лептонными зарядами.

Возможен процесс образования позитронно-электронных пар, мюонных пар. Еще одним видом взаимных превращений элементарных частиц является аннигиляция пары в результате столкновения частиц с образованием конечного числа фотонов. Как правило, происходит образование двух фотонов при суммарном спине сталкивающихся частиц, равном нулю, и трех фотонов при суммарном спине, равном 1. Данный пример является проявлением закона сохранения зарядовой четности.

При некоторых определенных условиях возможно образование связанной системы позитрония е-е+ и мюония µ+е-. таким условием может быть невысокая скорость сталкивающихся частиц. Такие нестабильные системы получили название водородоподобных атомов. Время жизни водородоподобных атомов зависит от конкретных свойств вещества. Эта особенность дает возможность использования их в ядерной химии для подробного изучения конденсированного вещества и для исследования кинетики быстрых химических реакций.