Морозова Елена Германовна , кандидат химических наук Введение в естествознание (учебное пособие) Рецензент: кандидат геолого-минералогических наук, священник Константин Буфеев Учебное пособие представ

После второй мировой войны, благодаря использованию со­временной экспериментальной техники, и прежде всего мощ­ным ускорителям, в которых создаются условия высоких энергий и громадных скоростей, было установлено существо­вание большого числа элементарных частиц — свыше 300. Среди них имеются как экспериментально обнаруженные, так и теоретически вычисленные, включая резонансы, квар­ки, виртуальные частицы.

Основными характеристиками элементарных частиц яв­ляются масса, заряд, среднее время жизни, спин и кванто­вые числа. Масса покоя элементарных частиц определяет сред­ние частицы с массой покоя в пределах от одной до тысячи масс электрона. Некоторые частицы, например, фотоны, не имеют массы покоя. Остальные частицы по величине мас­сы покоя делятся на три группы. Лептоны — легкие частицы (электрон и нейтрино)

; мезоны — средние частицы с массой покоя в пределах от одной до тысячи масс электро­на; барионы — тяжелые частицы, чья масса превышает ты­сячу масс электрона и в состав которых входят протоны, нейтроны, гипероны и многие резонансы. Электрический заряд является важнейшей характе­ристикой элементарных частиц. Каждой частице, кроме фо­тона и двух мезонов, соответствуют античастицы с проти­воположным зарядом.

Спин характеризует момент количества микрочасти­цы. Вместе с понятием «квантовое число» он характери­зует состояние элементарной частицы. Характеристикой элементарных частиц являются так­же взаимодействия. В природе различают четыре вида фундаментальных взаимодействий: сильное, электромаг­нитное, слабое и гравитационное. Свойства элементарных частиц определяются, в основном, первыми тремя видами взаимодействия.

Сильное взаимодействие существует на уровне атом­ных ядер и представляет собой взаимное притяжение и от­талкивание 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 и их трудно разрушить. Час­тицы, не участвующие в сильных взаимодействиях, называ­ются лептонами (например, электроны, мюоны, нейтрино). 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, а атомы в молекулы. Можно сказать, что это взаимодействие является основным на макроуровне орга­низации материи. Слабое взаимодействие возможно между различны­ми частицами.

Оно простирается на расстоянии порядка 10-15 – 10-22 см и связано, главным образом с распадом ча­стиц, например, с происходящими в атомном ядре превра­щениями нейтрона в протон, электрон и антинейтрино. В соответствии с современными представлениями неста­бильность большинства частиц обусловлена слабым взаи­модействием. Гравитационное взаимодействие является самым слабым и оно не учитывается в теории элементарных час­тиц.

Но на ультрамалых расстояниях порядка 10-33 и при уль­трабольших энергиях гравитация приобретает существенное значение, поскольку гравитационное взаимодействие по своей силе становится сравнимым с другими взаимодействиями. Решающее значение, с неограниченным радиусом действия, гравитационное взаимодействие приобретает в космических масштабах. В природе, как правило, проявляется не одно, а все виды взаимодействий, и свойства многих частиц определяются всеми четырьмя его типами.

Например, протон — частица с сильным взаимодействием, но наличие электрического за­ряда заставляет его принимать участие также в электро­магнитном взаимодействии. А поскольку он мог возникнуть вследствии (β-распада нейтрона, т. е. в результате слабого взаимодействия, он связан со слабым взаимодействием. Кроме того, протон учавствует в гравитационном взаимо­действии, так как тела, в состав атомов которых он входит, имеют вес.

Частицами, участвующими во всех видах взаимодей­ствия, являются андроны (к числу этих частиц принадле­жат нуклоны и все резонансы). От силы взаимодействия зависит время, в течение ко­торого совершается превращение элементарных частиц. Что­бы при столкновениях элементарных частиц рождались но­вые частицы, кинетическая энергия сталкивающихся час­тиц должна быть сравнимой с энергией покоя рождающихся частиц.

Частицы с такими большими энергиями находятся в космических лучах или разгоняются в ускорителях. По времени жизни частицы делятся на стабильные и неста­бильные. Стабильных частиц пять: фотон, две разновидно­сти нейтрино, электрон и протон. Именно стабильные час­тицы играют важнейшую роль в структуре макротел. Все остальные частицы нестабильны, они существуют около 10-10 ч -10-24 сек, после чего распадаются.

Элементарные частицы со средним временем жизни 10-23-10-22ч называют резонансами. Из-за краткого времени жизни они распада­ются до того, как успеют покинуть атом или атомное ядро. Резонансы, как уже упоминалось, вычислены только теоре­тически и экспериментально не зафиксированы. Квантовая механика является той областью знания, где особенно отчетлива видна ограниченность научного метода познания микромира.

В настоящее время физика элементар­ных частиц подошла к уровню, когда формы материи (веще­ство и поле) становятся неразличимы между собой, и про­является вторичность материальных свойств по отношению к идеальным характеристикам, описываемым лишь в тер­минах информации [2]. (Помните: «В начале было Слово...» (Иоан. 1, 1), «В начале словом Божиим небеса и земля со­ставлены» (2 Пет. 3, 5)

, «Веки устроены словом Божиим, так что из невидимого произошло видимое» (Евр. 11, 3) и проч.) Эти библейские стихи указывают нам на источник энергии на всех уровнях организации материи. Глава 2 МЕГАМИР: СОВРЕМЕННЫЕ АСТРОФИЗИЧЕСКИЕ И КОСМОЛОГИЧЕСКИЕ КОНЦЕПЦИИ Системы мегамира Мсгамир или космос имеет системную организацию в форме планет и планетных систем, возникающих вокруг звезд; звезд и звездных систем — галактик; системы га­лактик — метагалактики.

Даже доступное нам знание о кос­мосе являет картину совершеннейшей организации метаси­стемы, которая могла быть сотворена только разумом, на­много более высоким, чем человеческий. Еще Платон писал: «Чтобы уверовать в Бога, стоит только поднять глаза к небу... думайте же о верховно разумной душе, видя порядок в мире» Учение о законах движения звезд называется аст­рономией (астрономия — греч. астро — звезда, номия — закон).

Вот некоторые цифры, свидетельствующие о совер­шенной организации мегамира. · Земля делает оборот вокруг своей оси за 24 часа, а вок­руг Солнца она вращается со скоростью 29 км/ сек. Средний радиус Земли 6371 км. Масса Земли 5,976-1024 кг.

Среднее расстояние от Земли до Солнца 150 млн. км. · Луна, более близкая нам соседка, в 78 раз меньше Зем­ли, она находится от нас на расстоянии 384000 км. В те­чение 27 дней она делает оборот вокруг Земли и за та­кое же время она делает оборот вокруг своей оси, по­этому мы всегда видим лишь одну сторону Луны.

Луна совершает сложное движение вокруг Земли с многооб­разными колебаниями. · Наблюдаемые размеры Солнечной системы определяют­ся расстоянием от Солнца до самой далекой от него пла­неты — Плутона (около 40 а. е.; 1 а. е. = 1,49598-1011 м).

· Солнечная система участвует во вращении Галактики, двигаясь по приблизительно круговой орбите со скорос­тью ок. 250 км/с. Период обращения вокруг центра Га­лактики определяется примерно в 200 млн. лет. · Скорость света 300 тысяч км/сек послужила мерою для представления звездных расстояний.

· От звезд первой величины свет доходит до нас в пятнад­цать с половиной лет. Продолжительность движения света от звезд второй величины равняется 19,5 годам. Шестой величины — 186 лет. Они удалены от нас в 19 раз даль­ше, чем звезды первой величины.

Девятая величина — 586 лет движения света. · Сириус (в созвездии Большого Пса) — одна из блестя­щих и самых близких к земному шару звезд— в 1000 раз объемистее Солнца, находится от нас уже на рассто­янии триллионов километров и относится к разряду тех звезд, свет которых достигает нашей планеты только в продолжение многих тысяч лет, тогда как для прохожде­ния до нас солнечного света достаточно восьми минут.