Химическое пространство и время

Несмотря на то, что методы исследования в химических и физических науках во многом совпадают, все же можно найти определенную специфику химического знания. Согласно точке зрения многих авторов, химическая картина мира занимает про­межуточное положение между физической и биологической кар­тинами мира. Эта двойственность химии связана с тем обстоя­тельством, что в ней реализуется синтез физического знания, доказавшего свою эвристическую роль в познании химизма, и биологического, внесшего эволюционные идеи в такие разделы современной химии, как биогеология, палеохимия, эволюцион­ная биохимия и космохимия. Специфика химической формы движения и отражающая ее химическая картина мира могут быть поняты лишь при обращении к принципу историзма и обоснова­нии особого этапа эволюции материи, предшествующего возник­новению жизни.

Что касается основных способов введения понятий про­странства и времени в структуру химических теорий, то, учиты­вая успехи применения в современной химии квантовомехани-ческих методов описания, можно сделать вывод о том, что ос­новные способы введения понятий пространства и времени в структуру химических теорий аналогичны способам введения этих понятий в структуру квантовой механики, и проблемы, стоящие перед современной химией, связанные с пространст­венно-временным описанием, аналогичны проблемам, возни­кающим в квантовой механике. Имеются, конечно, определенные границы в применении методов квантовой механики для описа­ния химических процессов, но поиски данных границ связаны с будущим развитием химических наук и с тем многократно дока­занным фактом, что любая физическая теория имеет свои пре­делы применимости и безгранично экстраполировать ее выводы на другие области знания нельзя.

Любые физические, химические и биологические процессы сопровождаются изменением энергетического состояния систем. Именно энергетические факторы и связанные с ними энтропий­ные факторы объясняют практически все превращения веществ и процессы в живой и неживой природе.

Энергия и энтропия

Первые попытки научного определения этих понятий были сделаны более сорока лет назад. Тысячелетия до этого люди пользовались тем, что теперь называют «энергия», совершенно не задумываясь над сущностью происходящего и не зная не только этого термина, но и его содержания как источника дея­тельных сил и меры движения всех форм материи. Энтропия -это мера рассеяния энергии и увеличения всех форм беспорядка в системе. Она вообще находилась за пределами возможностей созерцательного и эмпирического познания, да и ее роль в окру­жающем человека мире была еще невелика.

Многие тысячелетия такие понятия, как энергия, работа, им­пульс, количество движения, собственно сила и другие обозна­чались чаще всего одним термином «сила».

Понятие «энергия» стало постепенно выделяться из много­значного понятия «сила», когда стали использоваться паровые машины, где тепло от сжигания угля превращалось в механическую работу поршня, который перемещался под давлением пара. Одним из первых термин «энергия» применительно к живой силе стал применять в 1807 г. английский ученый Т. Юнг. Позже энер­гию движущейся системы стали называть кинетической, а энер­гию системы, приведенной в состояние «напряжения», которое позволяет получить движение, хотя такого еще пока нет - потен­циальной.

Постепенно люди научились различать виды материи (мак­ротела, микрочастицы, электрические и магнитные поля и др.), формы ее движения (механическая, электрическая, химическая и др.) и виды взаимодействий (ядерные, электромагнитные, сла­бые, гравитационные и др.), а вследствие этого стали использо­вать термины «механическая энергия», «электрическая энер­гия», «химическая энергия» и др. Так стихийно возникло понятие «виды энергии».

Все многообразие физических взаимодействий на Земле и во Вселенной сводится к следующим основным типам:

1. Гравитационное взаимодействие, которое объясняет и довольно хорошо описывает закон всемирного тяготения. Это самое сла­бое из всех взаимодействий. В макромире оно проявляется в соответствии с массой тела: чем больше масса тела, тем выше гравитация. В микромире оно значительно уступает другим ви­дам взаимодействия. Так электростатическое отталкивание электронов 10⁴⁰ раз больше их гравитационного притяжения. Но при экстремально высоких плотностях вещества, гравитационное взаимодействие становится близким по своей величине с другими взаимодействиями, действующими в микромире.

В классической физике гравитационное взаимодействие описывается законом тяготения Ньютона. Гравитационные взаимодействия обусловливают образование всех космических систем, а также концентрацию рассеянной в ходе эволюции звезд и звездных систем материи и включение ее в новые циклы развития. Скорость распространения гравитационных волн счи­тается равной скорости света, но гравитационные волны еще зарегистрированы измерительными приборами. Хотя американским физикам Расселу Халсе и Джо Тейлору удалось косвен­но подтвердить существование гравитационных волн. Нобелевский комитет королевской Шведской Академии присудил премию 1993 г. по физике американским астрофизикам Джо Тэйлору и Расселу Халсе за открытие и исследование первого двойного радиопульсара, PSR 1913+16. 15-летние высокоточные наблюдения пульсара дали возможность проверить одно из наиболее интересных следствий ОТО - существование гравитационных волн, принципиально отличных по своим свойствам от электромагнитной и других известных типов энергии. Как следует из теории, два тела, обращающихся по орбите, должны излучать гравитационные волны, которые уносят энергию и орбитальный угловой момент, из-за чего орбита должна постоянно сжиматься. Для параметров двойного пульсара PSR 1913+16 теория предсказывает уменьшение орбитального периода с скоростью всего 75.8 микросекунд в год. Полученные к 1991 году Тэйлором результаты дали значение 76±0.3 микросекунды в год, что блестяще подтвердило теоретические ожидания!

С точки зрения квантовой теории гравитации, поле тяготе­ния квантуется. Квантами гравитационного поля являются гравитоны. Силы тяготения являются результатом постоянного обме­на между телами гравитонами или гравитационными волнами. Они переносят энергию, обладают пространственно-временными характеристиками, импульсом, присущими матери­альными объектам. Но в общей теории относительности (ОТО) существует понятие гравитации как проявление кривизны про­странственно-временного континуума, т.е. гравитация относится к метрическим особенностям пространства-времени. Поле тяго­тения создает искривление пространства, тем больше, чем больше тяготеющая масса.

2. Электромагнитное взаимодействие - это дальнодействующее взаимодействие заряженных частиц или тел. Сила элек­трического притяжения или отталкивания точечных неподвижных зарядов вычисляется на основе закона Кулона. В более общих случаях используют уравнения электродинамики Максвелла. Это взаимодействие обладает универсальным характером и сущест­вует между любыми телами (зарядами). Оно может проявляться и как при­тяжение (между разноименными зарядами) и как отталкивание (между одноименными зарядами).

Благодаря электромагнитному взаимодействию возникают атомы, молекулы и макроскопические тела, оно всегда предше­ствует другим видам взаимодействия. Так, химические реакции начинаются с электромагнитных взаимодействий, в результате которых происходит перераспределение электронных плотно­стей взаимодействующих атомов, перестройка электронных обо­лочек атомов и молекул.

С начала развития физики электричества электрические и магнитные составляющие этого взаимодействия рассматрива­лись как не связанные друг с другом. Но Максвелл доказал, что эти силы - проявление одного и того же взаимодействия. Элек­тродинамика Максвелла является классической теорией элек­тромагнетизма, сохраняющейся и в наше время.

Современная физика разработала более совершенную тео­рию электромагнитного взаимодействия. Эта теория называется квантовой электродинамикой. Теория начинается с постулирова­ния существования электромагнитного заряда, так как природа этого заряда неизвестна. Заряд создает поле, квантом которого является бозон с массой покоя, равной нулю - фотон со спином, равным единице. Электрический заряд имеет два знака: отрица­тельный (присущий электрону) и положительный (присущий про­тону и позитрону). Взаимодействие зарядов обеспечивается обменом виртуальных фотонов. В случае разноименных зарядов обмен создает эффект притяжения, а в случае одноименных зарядов - отталкивание. Во всех процессах с участием электро­магнитных зарядов выполняется закон сохранения зарядов, энергии, импульсов и т. д.

3. Слабое взаимодействие обусловливает некоторые про­цессы в мире элементарных частиц, т.е. существует только в микромире. Примером такого процесса является известный β-распад, в результате которого нейтрон превращается в протон, электрон и электронное антинейтрино. Распад вызывается пре­вращением внутри нейтрона кварка аромата d в кварк аромата u. Вылетающий электрон обеспечивает сохранение суммарного электрического заряда, а антинейтрино позволяет сохранить суммарный механический импульс системы. В этом взаимодей­ствии постулируется существование фундаментального слабого заряда, присущего некоторым частицам из класса лептонов и кварков. Слабый заряд образует три разновидности поля с тре­мя обменными бозонными частицами, имеющими значительную массу. Слабое взаимодействие переносится векторными бозо­нами и имеет радиус действия порядка 10^-15 см. В шестидесятых годах двадцатого века С. Вайнберг и А. Салам предположили, что слабое и электромагнитное взаимодействия - разные сторо­ны проявления одного взаимодействия, наподобие электромаг­нитного. Эта теория исходит из существования единого фунда­ментального заряда, отвечающего одновременно и за слабое, и за электромагнитное взаимодействия. При очень высоких темпе­ратурах (энергиях) структура вакуума нарушается и не может помешать проявлению такого заряда. Тогда слабое и электро­магнитное взаимодействия сливаются воедино, а заряд порож­дает общее поле, квантом которого служит безмассовая бозонная частица с бесконечным радиусом действия. При понижении температуры наступает критический момент, после которого вакуум переходит в более упорядоченную модификацию, что меняет характер его взаимодействия с электрослабым зарядом. В результате заряд распадается на две части, одна из которых предстает как электромагнитный заряд, а другая - как слабый заряд. Бозонная частица с нулевой массой покоя распадается на четыре составляющих. Выделяется бозон электромагнитного взаимодействия - он остается фотоном. А трем полям слабого заряда соответствуют три тяжелых бозона со своими массами, полученными в результате взаимодействия со структурой моди­фицированного вакуума.

Эта теория допустила экспериментальную проверку. Так, она предсказала значения масс век-торных бозонов, которые были подтверждены в ходе экспериментов на ускорителе (Симон ван дер Мер за решающий вклад в большой проект, осуществление которого привело к открытию полевых частиц W и Z, переносчиков слабого взаимодействия, удостоен премии. Карло Руббиа награжден премией за решающий вклад в большой проект, который привел к открытию квантов поля W- и Z-частиц, переносчиков слабого взаимодействия. Нобе­левская премия 1984 г.).

Это короткодействующее и, казалось бы, малоощутимое взаимодействие имеет самое прямое отношение к термоядер­ным реакциям, в ходе которых в недрах звёзд водород превра­щается в гелий, и к другим процессам, сопровождающим эволю­цию звёзд разных типов.

4. Сильное взаимодействие - короткодействующее взаимо­действие (радиус действия около 10^-13 см) примерно на три по­рядка меньше радиуса слабого взаимодействия. Это взаимодей­ствие обеспечивает прочную связь между нуклонами в ядрах атомов и, вероятно, связывающее кварки внутри элементарных частиц. Как и слабое взаимодействие, оно играет важную роль во многих процессах, происходящих в природе и используемых в технике.

Основная функция сильного взаимодействия - соединять кварки и антикварки в адроны. Теория сильного взаимодействия является типичной полевой теорией и названа квантовой хромо-динамикой. Основным положением ее служит постулат о суще­ствовании трех типов цветовых зарядов: красного, синего и зе­леного, выражающих способность к объединению кварков в сильном взаимодействии. Каждый из кварков содержит некото­рую комбинацию таких зарядов, но при этом не происходит их полной взаимокомпенсации и кварк обладает результирующим цветом, т.е. сохраняет способность к сильному взаимодействию с другими кварками. Но когда три кварка или кварк и антикварк объединяются в адрон, суммарная комбинация цветовых заря­дов в нем такова, что адрон в целом обладает цветовой ней­тральностью.

Цветовые заряды создают поля с присущими им квантами - бозонами. Обмен виртуальными цветовыми бозонами между кварками и антикварками служит материальной основой сильно­го взаимодействия. Заряды создают 8 полей с соответствующи­ми восемью бозонными частицами, которые называют глюонами. Им приписывают экзотические свойства: они не имеют массы покоя, чем схожи с фотоном и гравитоном. Но шесть из восьми глюонов имеют цветовые заряды, как и те фермионы, для которых они служат переносчиками взаимодействия. Ни один другой бозон, фигурирующий в полевых теориях, не является носите­лем заряда, поэтому ранее считалось, что иметь заряд - приви­легия фермионов. Глюоны с нулевой массой покоя имеют огра­ниченный радиус действия 10^-13 см, а их цветовой заряд прово­цирует сильнейшее возмущение вакуума, так как вызывает ак­тивное выделение в вакууме облака виртуальных глюонов и кварк-антикварковых пар, компенсирующих это возмущение. Образовавшееся при этом пространственное распределение цветового заряда уменьшает силу взаимодействия между квар­ками при их сближении. На очень близких расстояниях вакуум­ная компенсация цветовых зарядов приводит к тому, что кварки перестают влиять друг на друга и ведут себя как свободные час­тицы. С увеличением расстояния между кварками сила взаимо­действия возрастает. Для разделения двух частиц с цветовыми зарядами понадобилась бы бесконечно большая энергия. Но как только вводимая энергия превысит некоторый определенный уровень, вакуум выделяет уже не виртуальные, а реальные час­тицы (кварки-антикварки), которые соединяются с первичными частицами и образуют поток адронов, что и наблюдается в экс­периментах на ускорителях. Сильное взаимодействие при любых условиях сохраняет бесцветность частиц.

Долгое время до открытия кварков фундаментальным взаи­модействием считали ядерное взаимодействие, объединяющее протоны и нейтроны в ядрах атомов. С открытием кваркового уровня вещества, под сильным взаимодействием стали пони­мать цветовые взаимодействия между кварками, объединяющи­мися в адроны. Ядерные силы должны как то выражаться через цветовые силы. Но это не просто сделать, так как барионы (про­тоны и нейтроны), составляющие ядра, являются цветонейтральными. Теория предполагает, что при сближении барионов на расстояния меньшие, чем 10^-13 см, они теряют свои индиви­дуальные особенности. Глюонный обмен между кварками, удер­живающий их в адронах, принимает коллективный характер, свя­зывая кварки всех барионов в единую систему - атомное ядро. Перемещение одного из кварков в сторону другого нарушает локальную нейтральность цветового заряда. Вакуум реагирует на это рождением виртуальной пары кварк-антикварк. Кварк этой пары замещает «нарушителя» на его месте, а антикварк вместе с беглецом образует виртуальный пион (пи-мезон), принимае­мый за обменную частицу ядерного взаимодействия.

Рассмотренные четыре типа фундаментальных взаимодейст­вий лежат в основе всех других известных форм движения мате­рии, в том числе возникших на высших ступенях развития.

Физики всегда мечтали создать теорию, объединяющую все физические взаимодействия. Началом создания такой теории было объединение электромагнитного и слабого взаимодейст­вия. Есть попытки создать теорию Большого объединения, объединяющую электромагнитое, слабое и сильное взаимодей­ствия. Еще более грандиозна идея создания Суперобъедине­ния, охватывающую все четыре взаимодействия.

Физики считают, что эту теорию они могут создать на основе теории суперструн, которая появилась совсем недавно. Ее соз­дателями явились М. Грин (Великобритания) и Дж. Шварц (США). Эта теория описывает некие протяженные объекты - струны. Струны - это пространственные отрезки с характерным разме­ром планковской длины 10^-33 см. Предполагается что на таких малых расстояниях должны проявляться 6 дополнительных про­странственных измерений, которые в отличие от обычных четы­рех измерений компактифицированы, т.е. свернуты в точки, замкнуты, ограничены в определенных областях и не распро­страняются в область макромира.

Эта теория является следствием объединения квантовой теории поля с общей теорией относительности. Понятие струны в ней становится синонимом понятия микрочастицы или вооб­ще локализованного в пространстве объекта. Все известные частицы представляют собой определенное возбужденное со­стояние струны. Такие состояния можно сравнить с набором звуков, вызываемым колебанием струны (например, гитары или скрипки). Более высокие звуки можно сопоставить с новыми час­тицами, масса которых больше массы предыдущих частиц. Вве­дение понятия струны полностью исключает точечные представ­ления из структуры микромира. Эта теория в сущности сводит физику к геометрии очень сложных пространств.

Теория суперструн тесно связана с новыми представления­ми о симметрии - с концепцией суперсимметрии, открытой в 60­-70-х годах, которая связала между собой бозоны и фермионы. Преобразования суперсимметрии переводит их друг в друга, и также связывают физику с геометрией. Согласно теории супер­струн, фундаментальным объектом современной физики являет­ся квантованное суперструнное поле, возбуждениями которого являются сулерструны, взаимодействующие друг с другом и ва­куумом (возникающие и поглощающиеся в нем). Струны, в свою очередь, порождают элементарные частицы.

Теория суперструн ведет к некоторым нетривиальным след­ствиям. Так, среди порожденных струнами элементарных час­тиц, должны быть гипотетические частицы тахионы - движу­щиеся со скоростями выше скорости света. Следствием этой теории является объяснение «теневого мира», открытого астро­номами факта, что галактики и скопления галактик содержат большую массу невидимого вещества, в десятки раз превосхо­дящего массу самих галактик.