Корпускулярно-волновая концепция материи. Структурные уровни организации материи в рамках современной физики

Мы в изложении физических концепций познания мира будем опираться на объём знаний по физике, полученных Вами в среднем (полном) общем образовании, расширяя их концептуально в рамках релятивистской, квантово-полевой и современной физических исследовательских программ.

Квантово-полевая физическая исследовательская программа опирается на корпускулярно-волновой дуализм материи, выраженный в двойственной природе микрочастиц: корпускула-волна в формулах М. Планка и Луи де Бройля ( и , где – постоянная Планка; W – энергия микрочастицы; w - циклическая частота; – импульс микрочастицы; – волновой вектор, направленный вдоль направления скорости микрочастицы, λ – длина волны.) и обуславливающий двойственность существования материи в форме вещества и фундаментальных полей взаимодействия. В квантово-полевой физической исследовательской программе была установлена дискретность материи в рамках структурных уровней вещества и фундаментальных полей взаимодействия, что подчёркивает особую роль физической структурной организации материи (см. схему 20) в моделировании и познании Мира.

Схема 20. Физическая структурная организация материи.

МАТЕРИЯ
Вещество	Фундаментальные поля взаимодействия
Гипермир – гипотетическое представление о множественности мегамиров.	Экспериментально не доказано
Мегамир – мир мегаобъектов и мегасостояний больших космических масштабов и скоростей. Мегаобъекты и мегасистемы: метагалактики, галактики, звезды, планетные системы, планеты, спутники планет, астероиды, кометы, диффузная материя.	Доминирует гравитационное поле взаимодействия. Кванты поля – гравитоны плюс гравитино (?). Пространство измеряется в астрономических единицах, световых годах и парсеках; время – в миллионах и миллиардах лет.
Макромир – мир макрообъектов и макросостояний, размерность которых соотносима с масштабами жизни на Земле. Примеры макрообъектов и макросистем: геосферы, города, машины, приборы, физико-химические, геологические, биологические макросистемы.	Доминирует электромагнитное поле взаимодействия. Кванты поля – фотоны. Пространство измеряется в нм, мм, см, м и км; время в секундах (с), минутах (мин.), часах и годах.
Микромир – мир микрообъектов и микросостояний, мир предельно малых измеренных экспериментально масштабов. Пространственные характеристики исчисляются от 10-10 до 10-18 м, а время от бесконечности до 10-24 с. Микрообъекты и микросистемы : молекулы, атомы, ядра атомов, элементарные частицы, в том числе и кванты полей взаимодействия, «физический» вакуум.	Доминируют: слабое взаимодействия, ответственное за взаимодействие элементарных частиц при их взаимопревращениях. Ярко проявляются в b-- и b+- распадах; кванты поля: тяжелые промежуточные бозоны; сильное поле взаимодействия, ответственное за взаимодействие кварков и андронов, кванты поля: глюоны и p-мезоны; электромагнитное поле взаимодействия ответственное за существование атомов и молекул
Гипомир – гипотетический мир в микромире, идущий еще от Планка. Гипообъекты и гипосистемы: планкеон, «пузырьковая» сингулярность, «физический» вакуум.	Пространство и время дискретны: квантуются в рамках представления о модели планкеона: ℓпл.~10-35 м, tпл.~10-44 с, r пл.~1096 кг/м3, W пл.~ 1019 ГэВ.

Гипотетические модели гипермира и гипомира, предложенные К. Х. Рахматулиным, в определенной степени пересекаются, если в качестве основного фундаментального объекта Природы принять физический вакуум как совокупность фундаментальных полей взаимодействия в низшем энергетическом состоянии. Структура вакуума (модель А. Линде), в этих условиях задается размером, временем, плотностью и энергией Планкеона («пространственно-временная пена»). Квантовые флуктуации плотности и размеров приводят к тому, что расширяющие «пузыри» становятся неравноправными: в «кипящей» большой Вселенной появляется мини-Вселенная (а возможно и не одна – вставка наша), раздувающаяся с огромной скоростью. Это одна из естественнонаучных концепций происхождения Вселенной (см.: А.Д. Линде. Физика элементарных частиц и инфляционная космология. – М.: Мир, 1990).

В модели гипомира в последнее время все чаще используют и теорию струн, которую один из ее разработчиков Д. Гросс считает единственной работоспособной теорией в масштабах шкалы Планка, в основе которой лежат фундаментальные размеры физических констант: скорости света м/с, кванта действия Дж×с и гравитационной постоянной Ньютона м³/кг×с², из которых и вытекают определения длины, энергии и времени планкеона в этих фундаментальных единицах. Теория струн представляет собой теорию нового типа, идея которой в том, что струна может принимать множество различных конфигураций и представляет собой значительно более усложненный объект, нежели частица-точка. Может статься, что все наблюдаемые нами частицы – суть просто различные гармоники, различные моды колебаний одной и той же струны. Именно такой подход постулируется теорией струн и считается, что теория струн обладает потенциальной возможностью стать объединяющей теорией всех взаимодействий и структурных уровней материи, то есть сможет объяснить ряд явлений в гипомире и микромире.

Применительно к макромиру и мегамиру подходы, основанные на теории струн, носят пока спекулятивный характер. Однако, по мнению американского физика, лауреата Нобелевской премии Д. Гросса, существенных успехов теория струн как в теоретических, так и в экспериментальных исследованиях природы мира достигнет уже в наступившем XXI-м веке.

Итак, современная физическая исследовательская программа – единая теория поля в поисках теорий Великого объединения всех фундаментальных взаимодействий все время развивается, хотя и встречает на своем пути становления и развития целый ряд сложностей и трудностей.

Так, например, главная проблема в теории струн – это проблема типологии пространства-времени, которая в теории струн может непрерывным образом изменяться. Многие теоретики струн внутренне согласны с Эдвардом Уитменом, сказавшим, что пространство – время обречено, т.е. на смену концепции пространственно-временных отношений должна появиться новая концепция, в которой пространство и время – не первичные, а скорее производные понятия. Главная тактика – надо понять, как зарождается, подобно пространству, время. Как отмечает Д. Гросс, мы не знаем как, и это, крупный камень преткновения на пути разгадки тайн теории струн. Свои тайны таят и другие теории Великого объединения взаимодействий. Вообще тайн природы Мира хватит на много поколений землян как в рамках физики, так и в других естественных наук.

2.3. Фундаментальные взаимодействия и теория «Великого объединения»

В классической физике понятия вещества и поля резко дифференцированы и опираются на разные концепции. Понятие вещества опирается на корпускулярную научную программу, и вещество определяется, как система частиц – корпускул: атомов, ионов, молекул. Различают четыре агрегатных состояний вещества: газ, жидкость, твердое тело и плазма, которые относительно детально Вы изучили в рамках среднего (полного) общего образования. Понятие поля опирается на континуалисткую научную программу и определяется, как материальный носитель взаимодействий. Наиболее полно раскрыты классические свойства электромагнитного поля на основе введения контролируемых силовых характеристик электрического поля и магнитного поля . Макроскопические свойства электромагнитного поля описываются уравнениями Максвелла, физический смысл которых детально подтвержден экспериментом. Мы сформулируем физический смысл уравнений. Первое уравнение Максвелла ( ) выражает закон создания магнитных полей ( ) действием электрических токов ( ) и переменных электрических полей ( ). Второе уравнение Максвелла ( ) выражает закон создания вихревых электрических полей ( ) действием переменных магнитных полей ( ). Математическая операция указывает на наличие в каждой точке электромагнитного поля связанных между собой вихревых переменных магнитных ( ) и электрических ( ) полей. Уравнения, которые по образному выражению Л. Больцмана «рукой Максвелла начертал сам Бог», лежат в основе теории электромагнитных волн и, следовательно, в физических основах радио- и телекоммуникаций, в том числе и информационной системы Internet. Кроме того, из них следует, что скорость передачи электромагнитного взаимодействия не может превышать скорости света в вакууме с, т.е. полевая теория близкодействия, которая была затем распространена на все фундаментальные поля взаимодействий и сменила господствующую до конца XIX в. гипотезу дальнодействия.

В классической физике были известны всего два фундаментальных взаимодействия: гравитационное и электромагнитное, базирующееся на положении, следующем из уравнений Максвелла: электричество и магнетизм – две стороны одной и той же электромагнитной силы.

Гравитационное и электромагнитное взаимодействия получили физическое описание в фундаментальных силах соответствующих взаимодействий, выраженных как в корпускулярной форме взаимодействия гравитационных зарядов (точечных масс): (закон всемирного тяготения И. Ньютона) и точечных электрических зарядов: (закон Ш. Кулона), так и в полевой форме: , где - локальное значение напряжённости гравитационного поля, совпадающее на планете Земля с ускорением свободного падения; = [ ] – обобщённая сила Лоренца.

В квантово-полевой физической исследовательской программе были открыты ещё два фундаментальных взаимодействия: сильное и слабое, а также исследованы основные сравнительные характеристики фундаментальных взаимодействий (см. схему 21).

Схема 21. Основные сравнительные характеристики фундаментальных взаимодействий.

Вид взаимодействия	Примеры проявления взаимодействий	Константа взаимодействия	Радиус взаимодействия
Сильное	Взаимодействие нуклонов в ядрах атомов, а также всех адронов	1,0	м
Электромагнитное	Взаимодействие электрических зарядов, токов, электрических и магнитных полей
Слабое	Взаимодействие элементарных частиц при радиоактивном распаде и их взаимопревращаемости		м
Гравитационное	Взаимодействие всех тел

В 1964 году была выдвинута М. Гелл-Манном гипотеза о том, что адроны не являются элементарными, а составными частицами, состоящими из фундаментальных элементарных частиц – кварков, а в 1967 году С. Вайнберг, Ш. Глэшоу и А. Салам показали, что электромагнитное и слабое взаимодействия представляют собой одно и то же взаимодействие (электрослабое), что было подтверждено в 1983 году экспериментально на ускорителе в ЦЕРН при энергии Гэв.

Теория вводит дополнительные частицы (два разнозаряженных бозона и , а также нейтральный бозон ) и новое поле особого типа (скалярное поле Хиггса). Эти открытия стимулировали теорию «Великого объединения» (ТВО) сильного и слабого взаимодействий, которые используют понятие единого калибровочного поля (единой теории элементарных частиц), а уровень будущих физических теорий строится на модели гипомира с соответствующими планковскими величинами. Структура ТВО отражена на схеме 22.

Схема 22. Структура теории «Великого объединения».

Сильное и слабое взаимодействия объединяются при очень высоких энергиях порядка Гэв. Для подтверждения ТВО необходимо экспериментально обнаружить распад протона (время жизни протона более лет (возраст Вселенной ~ лет).

Схема ТВО не включает объединения гравитационного взаимодействия с другими взаимодействиями из-за практически отсутствующего воздействия гравитации на интенсивность остальных взаимодействий и на ход реакций превращения элементарных частиц, хотя теоретические схемы такого «Сверхвеликого объединения» разрабатываются на основе объединения супергравитации с внутренней симметрией ОТО. Данная теория вводит частицы – переносчики со спином (гравитоны) и частицы со спином (гравитино). Важную роль в схемах такого объединения играет теория струн, а также новые представления о суперсимметрии, связывающей между собой бозоны (переносчики) и фермионы (кварки и лептоны). Объединение считается возможным при энергиях порядка Гэв, что соответствует температуре (такие условия соответствуют ранней стадии возникновения Вселенной).

Характерно, что будущая теория строится на трёх основных мировых константах: - скорости распространения взаимодействия (и информации); - гравитационной постоянной и - постоянной Планка, которые задают и общую структуру разделов теоретической физики (см. схему 23).

Схема 23. Общая структура разделов теоретической физики.

С другой стороны, мировые константы определяют границы применимости современных физических теорий. Мы особое внимание уделим концептуальным основам физических теорий, опирающихся фактически на одну из мировых констант. При этом нам представляется важным к основным константам ( ) добавить ещё одну мировую константу K _Б = Дж /K – постоянную Больцмана, которую можно рассматривать как минимальную энтропию, т.е. как минимальную меру Хаоса, и связать с ней взаимопроникновение Порядка и Хаоса в равновесной термодинамике закрытых термодинамических систем, а тем более, в неравновесной термодинамике открытых диссипативных систем и структур.

Как мы уже отмечали, понятия системы, структуры, Хаоса и Порядка имеют принципиальное значение для всего общего естествознания.