Концепция атомизма и элементарные частицы

Ваша идея, конечно, безумна. Весь вопрос в том, достаточно ли она безумна, чтобы оказаться верной.

Н. Бор

Составной частью научной картины мира являются представления о строении материи. В истории философии и естествознания самыми плодотворными оказались идеи атомизма, уходящие своими корнями в античную философию. Поэтому сначала несколько слов об античных атомистах и их предшественниках.

Самые древние мыслители заметили, что окружающий человека предметный мир природы, с одной стороны, подвижен и изменчив, а с другой – при всех своих изменениях остается одним и тем же. Отсюда логично был сделан вывод: значит, в глубине, в основании вещей лежит некая неизменная субстанция, из которой они образованы. По Фалесу (624 – 547 до н. э.), такой основой всех вещей является вода, из нее они возникли и в нее же превращаются в результате своей гибели. По Анаксимену (544 – 483 до н. э.), такой основой является воздух, по Гераклиту (544 – 483 до н. э.) – огонь, по Ксенофану (VI – V века до н. э.) – земля.

В V веке до н. э. древнегреческий мыслитель Левкипп (500 – 440 до н. э.) и глава школы атомистов Демокрит (460 – 370 до н. э.) заложили основы концепции атомизма. Позже она получила некоторое развитие в трудах Эпикура (341 – 370 до н. э.) и древнего римлянина Лукреция Кара (99 – 55 до н. э.). Эта концепция разработана и выстроена логически строго с опорой на тонкие наблюдения. В ней за основу всего существующего берутся не стихии (воды, воздуха или огня), а мельчайшие невидимые частицы, которые далее неделимы из-за непроницаемости (плотности). От античных атомистов и пришло к нам понятие атома. Слово это древнегреческого происхождения и в переводе на русский означает «неделимый». Античными учеными в качестве исходных посылок, кроме атомов, приняты еще два постулата – о существовании пустого пространства и о движении атомов как их изначальном свойстве.

Из этих трех посылок и выстраивается грандиозная концепция античного атомизма, объясняющая вещи и процессы на Земле и в космосе. В нашу задачу не входит подробное рассмотрение концепции античных атомистов, отметим лишь следующее. Атомы, по Демокриту, имеют разнообразную форму, они различаются также положением и порядком сочетаний. Эпикур наделил атомы еще свойством тяжести. Атомы движутся в пустоте беспорядочно, иногда они сталкиваются и отскакивают друг от друга, но иногда сцепляются в разных сочетаниях и положениях, что означает образование вещей с разным качеством. Атомы вечны, а вещи, образованные из них, гибнут (разъединяются), но сами атомы остаются, они далее могут сцепляться в новых сочетаниях с образованием других вещей и т. д. Так возникают из атомов не только обычные вещи, но и Земля, и звезды, и космические миры в бесконечном пространстве.

Концепция атомизма была влиятельной в античной культуре. И даже средневековая церковь по-своему признавала ее, борясь с атомизмом на протяжении восьми столетий. В эпоху Возрождения античный атомизм получает «второе дыхание». Однако подлинно триумфальным было шествие концепции атомизма в естествознании Нового и Новейшего времени (с начала XVII до конца XIX века). Правда, в классической механике оперировали понятием материальной точки, лишенной размера, в которой сосредоточена вся масса тела. Физики, однако, понимали, что это – абстракция идеализации, приспособленная к нуждам теоретической физики. Реальным же (то есть физическим) кирпичиком, из которого построено все мироздание, являются атомы.

«Мне представляется, – отмечал И. Ньютон, – что Бог с самого начала сотворил вещество в виде твердых, весомых, непроницаемых, подвижных частиц и что этим частицам он придал такие размеры и такую форму и такие другие свойства и создал их в таких относительных количествах, как ему нужно было для такой цели, для которой он их сотворил.

Эти первичные частицы абсолютно тверды: они неизмеримо более тверды, чем тела, которые из них состоят, настолько тверды, что они никогда не изнашиваются, не разбиваются вдребезги, так как нет такой силы, которая могла бы разделить на части то, что сам Бог создал нераздельным и целым в первый день творения... они не изнашиваются» [32].

В XIX веке концепция атомизма разрабатывается на почве естествознания и облекается в естественнонаучную форму. В начале XIX века для объяснения ранее открытых химических законов и законов идеального газа трудами английского ученого Дж. Дальтона, итальянского ученого А. Авогадро и шведского ученого Я. Барцелиуса закладывается представление об атомах как мельчайших частицах химических элементов. В середине XIX века проведено различие между атомом и молекулой. В то же время идея атомизма в термодинамике воплощается в форму молекулярно-кинетической теории.

«Даже когда Солнечная система распадется, на ее развалинах возникнут новые миры; атомы, из которых она состоит, останутся целыми и не изношенными». Это высказывание Д. Максвелла, относящееся ко второй половине XIX века, созвучно со словами Ньютона. В своей речи, произнесенной на съезде Британской ассоциации в Бредфорде, Максвелл отмечал: «При мысленном делении вещества, следовательно, мы должны в воображении дойти до атома, который, как буквально значит это слово, не может быть разделен пополам, – такова атомистическая картина Демокрита, Эпикура, Лукреция, я могу прибавить, и вашего лектора» [31].

В 1869 году Д. И. Менделеев открыл закон периодической зависимости свойств химических элементов от их атомного веса. Тем самым концепция атомизма получает не только теоретическое, но и эмпирическое обоснование. Правда, поскольку самому Менделееву не удалось в полном объеме объяснить указанную периодичность атомными весами, то он вынужден был допустить существование более точного объяснения этой зависимости. И действительно, позже было найдено электронное, а еще позже – ядерное, или нуклонное, объяснение свойств химических элементов. Открытия в физике конца XIX – начала XX века существенно обогатили прежние представления об атомах.

В конце 90-х годов XIX века в результате исследований радиоактивного распада французскими учеными А. Беккерелем и супругами Марией и Пьером Кюри были получены данные, свидетельствующие о делимости атомов. В 1897 году английский физик Дж. Томсон открыл электрон, измерил величину его электрического заряда и массу. В настоящее время масса электрона определяется как 1/1840 часть от массы атома водорода.

Продолжая исследования радиоактивного распада, английские ученые – физик Э. Резерфорд и химик Ф. Содди в 1902 году представили радиоактивность как изменение внутренней структуры атомов и превращение одних химических элементов в другие. В дальнейшем Резерфорд проводил опыты по рассеянию α-частиц на ядрах атомов тяжелых химических элементов и на основе своих экспериментов в 1911 году выдвинул планетарную модель строения атомов. Согласно его модели атом состоит из тяжелого положительно заряженного ядра и вращающихся вокруг него по орбитам легких электронов, имеющих отрицательный электрический заряд.

Но дотошные критики быстро увидели в модели Резерфорда один существенный изъян. Дело в том, что рассмотрение движения электрона вокруг ядра на основе классической физики ведет к парадоксальному выводу о невозможности существования стабильных атомов. Согласно классической электродинамике электрон не может устойчиво вращаться по орбите, поскольку движущийся вокруг ядра электрон должен излучать электромагнитные волны и, следовательно, терять энергию. Из-за потери энергии радиус его орбиты должен непрерывно уменьшаться, и за время примерно 10^-8 секунды электрон должен упасть на ядро атома. А поскольку опыт показывает, что атомы не только существуют, но и необычайно устойчивы, то это значит, что законы классической физики неприменимы к движению электронов в атомах1.

Для объяснения устойчивости атомов датский физик Нильс Бор воспользовался понятием кванта (то есть мельчайшей порции) энергии, введенным в 1900 году немецким физиком М. Планком. Планк показал, что тела излучают свет не непрерывно, а мельчайшими энергетическими порциями, то есть квантами. Позже были открыты фотоны, которые и являются квантами электромагнитных волн в световом диапазоне. Квант энергии (и действия) обозначают латинской буквой h и называют постоянной Планка. Величина кванта энергии зависит от частоты колебаний световых волн v и равна: ɛ = h v. Для кругового движения электрона величина h приводится путем ее деления на 2π: ͞h = h/2π.

Н. Бор предположил, что из всех орбит, допускаемых ньютоновой механикой для движения электрона в электрическом поле атомного ядра, реально осуществляются не все, а только те орбиты (названные основными), величина энергии которых кратна постоянной Планка ͞h. Бор постулировал, что, находясь на основных орбитах, электрон не испускает квантов света, то есть не теряет энергии, поэтому атом существует устойчиво. Излучение электроном квантов света происходит лишь при переходе его с одной устойчивой (основной) орбиты на другую, а именно, при переходе с одного энергетического уровня на другой, более низкий. Вскоре это предположение получило опытное подтверждение. Таким образом, Нильс Бор существенно дополнил планетарную модель атома Резерфорда, поэтому с тех пор она называется моделью Резерфорда-Бора.

Так трудами М. Планка и Н. Бора делается первый (и потому еще несовершенный) набросок новой физической дисциплины – квантовой механики.

Первый успех квантовой механики был достигнут ценой нарушения логической цельности этой теории: с одной стороны, в ней использована ньютонова механика, а с другой – чуждые для классической физики искусственные правила квантования, к тому же противоречащие классической электродинамике. Да и сама теория Н. Бора оказалась ограниченной, поскольку объясняла устойчивость только атома водорода, но не объясняла движения электронов в более сложных атомах, начиная с гелия. Иначе говоря, теория Н. Бора оказалась полуклассической, она не объясняла многих вопросов, например того, как электрон переходит с одного энергетического уровня на другой.

В дальнейшем (к 1927 году) трудами немецких ученых-физиков В. Гейзенберга, М. Борна, П. Иордана, австрийского физика Луи де Бройля, английского физика и математика П. Дирака квантовая механика формируется как последовательная теория с ясными физическими основами и стройным математическим аппаратом. Если в классической физике электрон представлялся как мельчайшая крупица вещества, имеющая четкую траекторию движения, то в квантовой и волновой механике электрон трактуется как частица и в то же время волна, точнее, как сгусток электромагнитного поля. Поэтому в атоме электроны предстают как размытое облачко. Луи де Бройль распространил корпускулярно-волновой дуализм с электрона на все элементарные частицы. В волновой механике квант поля представляется как плоская волна, а множество плоских волн образуют поле.

Интересное сравнение привел академик М.А. Марков: аналогом элементарных частиц он считает древнегреческий атом, а аналогом физических полей принимает древнегреческие стихии (воды, воздуха, огня, земли). Дальнейшее качественное развитие квантовой механики связывают с релятивистской квантовой механикой.

К началу 30-х годов XX столетия было установлено существование трех фундаментальных частиц, из которых слагается вещество, – протонов, нейтронов и электронов. Наряду с фотонами (квантами электромагнитного поля) они были названы элементарными частицами.

В 1932 году в составе космических лучей был открыт позитрон (е⁺) с такой же массой, как у электрона (е^-), но с противоположным значением электрического заряда. В этом смысле позитрон является античастицей электрона.

В 1936 году при исследовании космических лучей были обнаружены частицы, названные мюонами, с положительным и отрицательным знаком заряда (то есть частица и античастица). Мюоны по своим свойствам похожи на электроны и позитроны, но в двести раз тяжелее их. К строению вещества мюоны прямого отношения не имеют и поэтому казались «лишними».

В дальнейшем выяснилось, что «лишних» (не имеющих прямого отношения к веществу, подобно мюонам) частиц существует много. В 1947 году также в космических лучах были обнаружены положительно и отрицательно заряженные пи-мезоны (π^±), а в 1950 году – нейтральные пи-мезоны (π°). Эти частицы в 280 раз тяжелее электрона. В период с 1949 по 1952 год открываются заряженные и нейтральные К-мезоны с массой, в тысячу раз большей массы электрона, а также некоторые виды гиперонов – частицы разных знаков заряда, несколько тяжелее протонов. К-мезоны и гипероны в совокупности получили название «странных» частиц.

С начала 50-х годов ускорители стали главным инструментом исследования элементарных частиц. В 1955 году был открыт антипротон, а в 1956 – античастица нейтрона (антинейтрон), в 1960 году – антисигма-гиперон, а в 1964 – самый тяжелый гиперон Ω. В 1960-х годах на ускорителях было получено большое число крайне неустойчивых частиц, названных резонансами, с временем жизни 10^-22 – 10^-24 секунды. К концу 90-х годов число открытых частиц и античастиц (по нашему предположению) приблизилось к 400.

Как соотнести все это большое число микрочастиц с протонами, нейтронами и электронами (из которых непосредственно образовано вещество)? Следует ли все их рассматривать как элементарные образования? Специалисты называют все многообразие микрочастиц «субъядерными частицами» в том смысле, что все они существовали на самой ранней стадии эволюции Вселенной (когда материя была еще плотной и горячей, когда еще не происходило образование ядер атомов), существовали и после образования вещества, существуют и в настоящее время.

Открытие большого числа микрочастиц вызвало потребность их классификации. В качестве существенного признака деления был принят вид, или тип, взаимодействия – сильный и слабый. Сильное взаимодействие обусловливает очень сильное сцепление нуклонов (протонов и нейтронов) в атомных ядрах, а порождаемые им процессы протекают с большой интенсивностью, то есть «сильно». Частицы, обладающие сильным взаимодействием, назвали адронами (от древнегреческого «адрос» – большой, сильный). Подавляющее большинство субъядерных частиц относят к адронам. Вне этой группы оказываются лишь электроны, мюоны, тау-частицы и все нейтрино. Эти частицы в совокупности назвали лептонами (от древнегреческого «лептос» – мелкий, тонкий).

Все элементарные частицы являются объектами исключительно малых масс и размеров. У большинства из них массы имеют порядок величины массы протона, равной 1,6 ∙ 10^{-24 г (для частиц с ненулевой массой заметно меньше лишь масса электрона -0,9 ∙ 10-27 г). Размеры протона, нейтрона, пи-мезона и других адронов порядка 10-13 см, а для электрона и мюона размеры не определены, но они меньше 10-16 см. Микроскопические массы и размеры элементарных частиц сравнимы с длинами волн де Бройля и даже меньше их, поэтому поведение элементарных частиц подчиняется законам квантовой и волновой механики.}

Не случайно поэтому само понятие элементарной частицы связывают с волновыми характеристиками микрочастиц – с их энергией и импульсом. Энергия элементарных частиц определяется как произведение постоянной Планка на длину волны микрочастицы. Элементарная частица – это квант поля, то есть плоская (возможно, сферическая или другой формы) единичная волна. Представить элементарную частицу как бесструктурное дискретное образование, как некую песчинку трудно и даже невозможно. Но и абсолютизировать одну только волновую характеристику элементарных частиц не правомерно, поскольку идея «состоит из...», выражающая дискретные свойства материи, продолжает служить науке. Подтверждением этого является установление кварков как прачастиц материи.

Идею кварков выдвинули в 1964 году (Г. Цвейг и независимо от него М. Гелл-Ман, США) из теоретических соображений. Кварки трактовались как гипотетические прачастицы, из которых образовались адроны. Позже обнаружилось, что многие следствия из гипотезы кварков хорошо подтверждаются экспериментально. В конце 60-х годов проводился и прямой эксперимент, аналогичный тому, который проводил Э. Резерфорд для обнаружения ядра атома. На этот раз потоками электронов высоких энергий бомбардировали протоны. Эксперимент показал, что взаимодействие электронов с протоном не соответствовало априорному образу протона как целостного протяженного объекта размером 10^{-13 см. Рассеяние происходило так, как если бы электроны взаимодействовали с некими точечными объектами внутри протона, которые к тому же были почти независимы друг от друга.}

Так постепенно гипотеза обрела статус теории кварков, теперь общепризнанной в научном мире.

Согласно этой теории адроны образованы из кварков подобно тому, как ядра атомов образованы из протонов и нейтронов. Предполагается, что мезоны образованы как связанное состояние кварка и антикварка, а барионы – как связанное состояние трех кварков. Поскольку кваркам приписываются дробные значения электрического заряда и спина, то образование адронов подчиняется простому правилу алгебраического сложения квантовых характеристик кварков.

Современные ученые-физики, как и античные атомисты, постоянно находятся в поиске чего-то простого, лежащего в основе сложных объектов. Античные атомисты считали: чтобы познать окружающие предметы, нужно познать атомы, из которых образованы вещи. Этот метод конструктивного теоретического моделирования был воспринят всей классической физикой. В релятивистской физике и квантовой механике этот метод продолжает работать, хотя и на качественно новом уровне: чтобы познать атомы, нужно установить, из чего они образованы – из элементарных частиц. Но когда было установлено большое количество элементарных частиц и античастиц, положение дел опять стало выглядеть сложным и запутанным. Эта обстановка упростилась, когда установили, что все адроны образованы соединением прачастиц вещества – кварков. Таким образом, с открытием кварков атомистическая исследовательская программа опять сработала, но уже на современном научном уровне.

К настоящему времени открыто 6 кварков, их обозначили буквами u, d, c, s, t, b, а соответствующие им антикварки обозначают теми же буквами, но с черточкой над каждой из них: ͞u, ͞d, ͞c, ͞s, ͞t, ͞b. Таким образом, 6 кварков и 6 антикварков, то есть 12 фундаментальных частиц призваны объяснить почти все многообразие микрочастиц, кроме лептонов. Это ли не триумф идей атомизма в современной научной форме? Но тогда следует признать, что и лептоны относятся к числу фундаментальных микрочастиц, поскольку они не выводимы из кварков. В таком случае из кварков и антикварков, лептонов и антилептонов должно быть выведено и объяснено все многообразие элементарных частиц.

Однако последующие исследования показали, что природа кварков оказалась несколько сложнее, чем вначале предполагалось. Выяснилось, что каждый кварк может выступать в одной из трех разновидностей, в зависимости от «заряда» сильного ядерного взаимодействия. «Заряд» сильного взаимодействия именуют «цветом». Каждый кварк может быть носителем одного из трех основных «зарядов», или цветов, – синего, зеленого, красного. Иначе говоря, каждый кварк может иметь «заряд» красного цвета, или «заряд» синего цвета, или «заряд» зеленого цвета. Соответственно каждый антикварк может иметь антикрасный, или антисиний, или антизеленый «заряд» сильного взаимодействия. Это – «заряды» основных цветов, но могут быть и неосновные цветовые «заряды».

При объединении кварков их цвета («заряды» сильного ядерного взаимодействия) соединяются так же, как в оптике, где сложение красного, синего и зеленого дает белый (бесцветный) цвет. Поэтому тяжелые частицы (нас интересуют протоны и нейтроны) образуются соединением трех кварков основных цветов, чтобы в сумме получался белый цвет. Такому простому правилу подчиняются соединения кварков в адронах. Белый цвет получается и от сложения двух цветов – одного из основных и дополнительного к нему, например, зеленого и пурпурного. Поэтому более легкие адроны, например мезоны, образуются соединением двух кварков. Из цветовых особенностей зарядов кварков вытекает особенность названия теории кварков, ее именуют хромодинамикой.

Таким образом, 6 кварков, каждый из которых может находиться в одном из трех состояний, в итоге дают 18 типов кварков. Существует столько же типов антикварков. Лептоны – тоже бесструктурные образования (как и кварки) и также обладают свойством симметрии: с каждым лептоном сопоставляется антилептон, кроме того, кварки одного поколения сопоставляются с лептонами того же поколения. Тогда общее количество фундаментальных прачастиц определяется суммой всех кварков и антикварков и суммой всех лептонов и антилептонов. Здесь уместно отметить, что стремление к ограничению числа прачастиц специфично для современной науки, у античных атомистов разнообразие атомов по форме не ограничивается, оно велико.

Указанное нарастание бесструктурных прачастиц в количественном отношении пугает отдельных ученых: искали простоты в основе сложного и казалось, что нашли ее, но она снова ускользнула от них. Поэтому некоторые физики выдвинули предположение, что даже кварки состоят из более мелких частиц – прекварков. Возможно, что и лептоны построены из прекварков. Может быть, эта последовательность все более мелких строительных блоков материи неисчерпаема, поэтому истинно элементарных частиц не существует?

Так рисует положение дел английский астрофизик Пол Девис в книге «Случайная Вселенная». Но если, как считает автор, отвлечься от априорных предположений и держаться данных современной науки, то мы должны признать, что кварки и лептоны являются бесструктурными фундаментальными строительными блоками всего вещества [15].

Далее П. Девис приводит интересное наблюдение. Оказывается шесть указанных выше исходных кварков не равноценны, они отчетливо подразделяются на три пары, которые Девис квалифицирует как три поколения кварков. К первому поколению относятся кварки u и d, ко второму – c и s, к третьему – t и b. Оказывается также, что квантовые параметры всех трех пар (всех поколений) аналогичны. То есть природа почему-то дважды дублирует эти строительные блоки (второе и третье поколения дублируют первое). Дублирование имеет место и между соответствующими парами (поколениями) лептонов. Поэтому для объяснения всего вещества Вселенной достаточно только первой пары кварков (u и d) и первой пары лептонов (электрона е^- и электронного нейтрино v _е). Удивительно то, что на самом деле это так и происходит.

Дело в том, что кварки второго и третьего поколений последовательно тяжелее предыдущих, то есть кварки первого поколения самые легкие, энергетически выгодные для природы. Время существования микрочастиц, образованных из кварков второго и третьего поколений, очень мало, и они быстро превращаются в частицы, образованные из кварков первого поколения. Только микрочастицы, образованные из кварков первого поколения (u и d) и лептонов первого поколения (е^- и v _е), оказываются стабильными. Еще нужно учесть античастицы этих двух кварков и двух лептонов. Таким образом, из восьми фундаментальных прачастиц можно объяснить все вещество Вселенной.

Это значит, что квантовая и волновая механика необычайно развила идеи античного атомизма и естественнонаучного атомизма Нового и Новейшего времени и включает в себя их положительное содержание. Поэтому в современной форме атомизма сфокусирована в сжатом виде богатая научная информация. Образно и даже эмоционально эту мысль выразил известный американский физик-теоретик Р. Фейнман (1918 – 1988): «Если бы в результате какой-то мировой катастрофы все накопленные научные знания оказались бы уничтоженными и к грядущим поколениям перешла бы только одна фраза, то какое утверждение, составленное из наименьшего числа слов, принесло бы наибольшую информацию? Я считаю, что это атомная гипотеза: все тела состоят из атомов, маленьких частиц, которые находятся в беспрерывном движении, притягиваются на небольшом расстоянии, но отталкиваются, если одно из них плотнее прижать к другому. В одной этой фразе... содержится невероятное количество информации о мире, стоит лишь приложить к ней немного воображения и чуть соображения» [27].

До сих пор мы акцентировали внимание на преемственности в развитии идей атомизма от древности до наших дней. Отметим имеющиеся различия.

♦ Между античной и естественнонаучной (XVII-XIX века) формами атомизма различия в основном терминологические. Но зато между современной и двумя предыдущими формами разница необычайно существенна. Если прежде материя представлялась косной, поскольку она сводилась к неизменной массе, то в квантовой и волновой механике от этого не осталось и следа. По современным представлениям материальные объекты подвижны, изменчивы и превращаются из одних форм в другие. Так, электрон и позитрон, обладающие вещественной массой, при взаимодействии аннигилируют, превращаясь в излучение, в фотоны, которые как бы не имеют вещественной массы. Однако взаимодействие фотонов снова рождает пару электрон-позитрон, которые опять-таки обладают определенной массой. Еще пример: каждая элементарная частица, как это показал академик М.А. Марков, окружена квантами соответствующего поля и существенно зависит от их влияния. В этом смысле можно сказать, что «все» (каждая частица) зависит от «всего» (от всех других частиц).

♦ Современная физика показывает, что природа глубоко диалектична. В настоящее время свести материю к прерывному или непрерывному, к вещественной или невещественной массе, к изменчивости или устойчивости – значит, вступить в противоречие не только с современной физикой, но и с диалектикой, потому что материя и прерывна и непрерывна, и вещественна и невещественна, и количественна и качественна.

♦ Современная наука подняла идеи атомизма на небывалую высоту. Оказывается, что, исходя всего лишь из восьми фундаментальных прачастиц, можно объяснить обычное вещество всей Вселенной! О такой сильной форме атомизма прежние мыслители и естествоиспытатели не могли и мечтать. Вместе с тем трактовка материи в современной форме атомизма придает современной естественнонаучной картине мира относительную завершенность.