А Смирнова - Секреты мироздания

5.7.1. Материя

Согласно современным воззрениям материя существует в виде веществ и физических полей. Вещества состоят из элементарных частиц (электронов, протонов, нейтронов и др.). Физические поля, представляющие собой системы с бесконечным числом степеней свободы, являются особой формой материи. Примером таких полей могут служить электромагнитные, гравитационные, поля ядерных сил, а также волновые (квантовые) поля, соответствующие различным элементарным частицам (например, электрон-позитронное поле). В качестве источников физических полей выступают частицы (например, для электромагнитного поля — заряженные частицы).

В мире существуют следующие типы материальных систем и соответствующие им структурные уровни материи: элементарные частицы и поля, атомы, молекулы, макроскопические тела различных размеров, геологические системы, планеты, звезды, галактики и особый тип материальных систем — организмы, способные к размножению.

Элементарные частицы — это мельчайшие частицы материи.

Представления о них отражают уровень познания наукой материи. Эти частицы нельзя увидеть невооруженным глазом. Об их свойствах и природе ученые судят с помощью приборов и специальных методов исследований на различных ускорителях. К мельчайшим частицам материи относятся: протон, электрон, нейтрон, фотон, а также пи-мезоны, мюоны, гепероны, тяжелые лептоны, нейтрино трех типов, разнообразные резонансы, ипсилон-частицы, «красивые» частицы, промежуточные бозоны — всего более 350. Все эти частицы не являются атомами или атомными ядрами (за исключением протона). Большинство из них имеют массу порядка величины массы протона, равной 1,6·10 –24 г. Размеры протона, нейтрона, пи-мезона и других адронов (то есть частиц, участвующих в сильных взаимодействиях) имеют порядок 10 –13см, а размеры электрона и мюона меньше 10 –16 см. Такие малые размеры и массы определяют квантовую (волновую) специфику их поведения. Наиболее важным квантовым свойством всех элементарных частиц является способность возникать и уничтожаться (испускаться и поглощаться). В этом смысле они аналогичны фотону. Все процессы с элементарными частицами (включая распады) протекают через последовательность актов их поглощения и испускания. Например, в результате взаимодействия электрона с другими частицами он может на короткое время превращаться в мю-мезон и пару нейтрино или находиться в состоянии системы, состоящей из антипротона, нейтрона и нейтрино, а от фотона может возникнуть («родиться») пара электрон — позитрон. Фотон — это квант электромагнитного поля, элементарная частица с нулевой массой и спином 1, переносчик электромагнитных взаимодействий между заряженными частицами. Способность элементарных частиц к взаимным превращениям не позволяет рассматривать их как простейшие, неизменные «кирпичики» мироздания, подобные атомам Демокрита.

Каждая элементарная частица (за исключением абсолютно нейтральных) имеет свою античастицу. Причем масса, спин, время существования и некоторые другие внутренние характеристики у частицы и античастицы одинаковые, но отличаются они знаками электрического заряда и магнитного момента, барионного заряда и др. При их столкновении происходит аннигиляция, то есть частица и античастица исчезают, превращаясь в другие частицы, число и вид которых лимитируется законами сохранения. Например, при малых энергиях столкновения в процессе аннигиляции пары позитрон — электрон возникают фотоны, а пары нуклон — антинуклон — основные пи-мезоны.

Процессы, протекающие с элементарными частицами, довольно различны по интенсивности. В соответствии с этим выделяют три класса взаимодействия: сильное, электромагнитное и слабое. Все микрочастицы обладают также гравитационным взаимодействием.

Сильное взаимодействие приводит к самой сильной связи между элементарными частицами. Так, связь протона и нейтрона в ядрах атомов обусловлена этим взаимодействием. В основе электромагнитного взаимодействия лежит связь частиц с электромагнитным полем. Связь электронов атомов с ядрами и атомов в молекулах обусловлена электромагнитным взаимодействием. Слабое взаимодействие вызывает весьма медленно протекающие процессы с элементарными частицами. Иллюстрацией слабого взаимодействия может служить тот факт, что нейтрино, обладающие только слабым взаимодействием, беспрепятственно пронизывают толщу Земли и Солнца. Гравитационное взаимодействие элементарных частиц является наиболее слабым из всех известных фундаментальных взаимодействий из-за малости масс этих частиц.