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 10–13 см, 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.

В зависимости от типа взаимодействия все известные элементарные частицы (за исключением фотона) разделяются на две основные группы: адроны и лептоны. Адроны обладают сильным взаимодействием, наряду с электромагнитным и слабым, тогда как лептоны участвуют только в слабом и электромагнитном взаимодействиях. Первыми исследованными представителями адронов были протон и нейтрон, а лептонов — электрон. Фотон, обладающий только электромагнитным взаимодействием, не может быть отнесен ни к лептонам, ни к адронам, и поэтому его выделяют в отдельную «группу».

Общими характеристиками всех элементарных частиц являются масса, время существования, электрический заряд и спин (собственный момент количества движения, имеющий квантовую природу и не связанный с перемещением частицы как целого). В зависимости от времени существования элементарные частицы делятся на стабильные, квазистабильные и нестабильные (резонансы). Стабильными являются фотон, электронное и мюонное нейтрино, электрон, протон и их античастицы (время существования у них неограниченно большое), остальные элементарные частицы самопроизвольно распадаются за время от ~ 103 секунд (для свободного нейтрона) до 10–22 –10–24  секунд (для резонансов).

По современным представлениям физики микромира не только фотоны, но и электроны, и любые другие микрочастицы материи наряду с корпускулярными (корпускулы — частицы), обладают также волновыми свойствами. Согласно квантовой механике, свободное движение элементарных частиц можно представить как плоскую волну (волну де Бройля).

Атом — наименьшая составная часть вещества, в которой сохраняется индивидуальность химического элемента. Сам химический элемент являет собой совокупность атомов одного сорта. Взаимодействие между одинаковыми или разными атомами может приводить к образованию из них более сложных комплексов — молекул. Любые твердые, жидкие и газообразные вещества составлены из одного или нескольких химических элементов. Фактически именно атомы выступают в роли строительных «кирпичей» вещества и в конечном счете ответственны за его механические, химические, оптические, электрические, магнитные и другие свойства.

Атом состоит из тяжелого ядра с положительным электрическим зарядом и окружающих его электронов с отрицательным зарядом. По современным представлениям ядро атома состоит из протонов и нейтронов (нуклонов), удерживаемых в ядре мощными ядерными силами. Масса протона в 1836, а масса нейтрона в 1839 раз больше массы электрона, поэтому практически вся масса атома сосредоточена в его ядре. Ядро окружено облаком электронов, образующих электронные оболочки атома. Линейные размеры атома определяются размерами его электронной оболочки и составляют величину порядка 10–8 см, что в десятки тысяч раз превышает размеры ядра. В обычных условиях атом электрически нейтрален: число электронов в оболочке равно числу протонов в ядре. Причем положительный заряд протона и отрицательный электрона одинаковы по абсолютной величине. Нейтрон электрическим зарядом не обладает. Теряя электроны, нейтральный атом превращается в ионизированный атом — положительно заряженный ион, а в результате присоединения одного или нескольких электронов — в отрицательный ион.