Концепции современного естествознания - Учебно-методические указания ( Нигматуллин Р.Р.)

4. как можно структурировать книжный материал?

 

Примеры составления ЛС по заданному печатному материалу.

 

В этом разделе мы хотим показать на некоторых примерах, как мож- но выделить необходимые логические элементы из изучаемого материала. Разумеется, в целях экономии места автору нет смысла приводить большие фрагменты текста из учебников или дополнительной литературы. Лекция, по мнению автора, уже должна представлять собой логически увязанный материал, чтобы в достаточно сжатой форме донести его до студента. Но, с помощью логических схем, можно эту лекцию донести до студента в визу- альной форме, чтобы он мог заранее увидеть то, что собирается озвучить перед ним преподаватель. Это позволяет студенту (в особенности перво- курснику) увидеть то, что действительно необходимо записать, увидеть главные элементы лекции, пропустить несущественные фрагменты (ско- рость говорения всегда выше обычной скорости записи) и переключить внимание не только на конспект, но и взглянуть на преподавателя и немно- го расслабиться. Поэтому автор решил привести некоторые свои рабочие лекции, а также возможности их структурирования для более полного ус- воения их студентами. Очень важно, при составлении ЛС излишне не мельчить материал, а также не пропустить важный элемент. Во всём нужна мера. Каждый вопрос должен максимально занимать 2/3 страницы листа писчей бумаги формата А4. Оставшуюся часть страницы можно отвести на графики, схемы, таблицы, рисунки, которые также проясняют излагаемый материал.

 

 

1. Естествознание. Определение и содержание понятия.

 

Задачи естествознания

 

Слово «естествознание» (<естество – природа) означает знание о природе, или природоведение. В латинском языке слову “природа” соответствует слово natura, поэтому в немецком языке, ставшем в 17-19 вв. языком нау- ки, все о природе стали называться "Naturwissenchaft”. На этой же основе появился и термин «натурфилософия» – общая философия природы.

 

ЕЗ(NW)          Физика

 

В древнегреческом языке слову природа очень близко слово «физис» («фюзис»). Первоначально все знание о природе действительно относилось к физике. Физика, таким образом, стала основой всех наук о природе.

 

В настоящее время имеются два определения естествознания.

 

1. Естествознание – наука о природе, как о единой целостности.

2. Естествознание – совокупность наук о природе, взятое как единое целое.

 

Первое определение говорит об одной единой науке: о природе, подчерки- вая единство природы, ее нерасчлененность. Второе определение говорит о естествознании как о совокупности , т.е. множестве наук, изучающих при- роду, хотя в нем и содержится фраза, что это множество следует рассмат- ривать как единое целое.

 

ЕЗ (1,2)           Классиф-

ЕНаук

 

Общепринятая классификация К естественным наукам относят физику, химию, биологию, космологию, астрономию, географию, геологию и час- тично психологию. Кроме того, существует множество наук, возникших на стыке названных (астрофизика, физическая химия, биофизика и т.д).

 

К основным целям естествознания следует отнести попытку решения так называемых «мировых загадок», сформулированных еще в конце 19-го

 

 

века Э. Геккелем [1] и Э.Г. Дюбуа-Реймоном [2]. Вот эти загадки, две из которых относятся к физике, две – к биологии и три – к психологии :

 

МЗгдк: Физ(2),

Био(2),

 

 
Психо(3)-Генккель

 

Естествознание, развиваясь, приближается к решению этих загадок, но возникают новые вопросы, и процесс познания бесконечен. Действитель- но, наши знания можно сравнить с расширяющейся сферой. Чем шире сфера, тем больше точек ее соприкосновения с неизвестным. Увеличение сферы знания приводит к появлению новых, нерешенных проблем.

 

 

 
Задачей естествознания является познание объективных законов природы и содействие их практическому использованию в интересах человека. Ес- тественно-научное знание создается в результате обобщения наблюдений, получаемых и накапливаемых в процессе практической деятельности лю- дей, и само является теоретической основой их деятельности.

 

ЗдчЕН: (1,2)

 

2. Взаимосвязь естественных наук. Редукционизм и холизм

 

Все исследования природы сегодня можно наглядно представить в виде большой сети, состоящей из ветвей и узлов. Эта сеть связывает многочис- ленные ответвления физических, химических и биологических наук, вклю-

 

 

чая науки синтетические, возникшие на стыке основных направлений

(биохимия, биофизика и др.).

 

Даже исследуя простейший организм, мы должны учитывать, что это и ме- ханический агрегат, и термодинамическая система, и химический реактор с разнонаправленными потоками масс, тепла, электрических импульсов; это, в то же время, и некая «электрическая машина», генерирующая и погло- щающая электромагнитное излучение. И, в то же время, это - ни то и ни другое, это – единое целое.

 

Современное естествознание характеризуется взаимопроникновением ес- тественных наук друг в друга, но в нем есть и определенная упорядочен- ность, иерархичность [3].

 

В середине 19-го века немецкий химик А. Кекуле составил иерархическую последовательность наук по степени возрастания их сложности (а точнее, по степени сложности объектов и явлений, которые они изучают):

 

 

 

 

Такая иерархия естественных наук позволяла как бы «выводить» одну нау- ку из другой. Так физику (правильнее было бы – часть физики, молекуляр- но-кинетическую теорию) называли механикой молекул, химию - физикой атомов, биологию – химией белков или белковых тел. Эта схема достаточ- но условна. Но она позволяет пояснить одну из проблем науки – проблему редукционизма.

 

Редукционизм (<лат. reductio уменьшение) определяется как господство аналитического подхода, направляющего мышление на поиск простейших,

 

 

далее неразложимых элементов. Редукционизм в науке – это стремление описать более сложные явления при помощи менее сложных явлений (на- пример, сведение биологии к механике и т.п.). Разновидностью редукцио- низма является физикализм – попытка объяснения всего многообразия ми- ра только языком физики.

 

Редукционизм неизбежен при анализе сложных объектов и явлений. Од- нако нельзя рассматривать жизнедеятельность организма, сводя все к фи- зике или химии. Хотя важно знать, что законы физики и химии справедли- вы и должны выполняться и для биологических объектов. Нельзя рассмат- ривать поведение человека в обществе только как биологического сущест- ва, но важно знать, что корни многих человеческих действий лежат в глу- боком доисторическом прошлом и являются результатом работы генетиче- ских программ, унаследованных от животных предков.

 

В настоящее время достигнуто понимание необходимости целостного, хо- листического (<англ. whole целый) взгляда на мир. Холизм, или интегра- тизм можно рассматривать как противоположность редукционизма, как присущее современной науке стремление создать действительно обобщен- ное, целостное знание о природе.

 

Единство взаимодействия редукционизма (анализ) и холизма (синтеза), как методов познания действительности.

 

 

Редукционизм

Холизм

Сетка, Узлы

Дерево, ветви

Ред-изм-по Ке-

куле:

Сложн-Ряд

ЕНаук

 

 

3. Фундаментальные и прикладные науки. Технологии

 

Установившееся понимание фундаментальной и прикладной науки состоит в следующем.

 

Проблемы, которые ставятся перед учеными извне, называются приклад- ными. Прикладные науки, таким образом, имеют своей целью осуществ- ление практического применения добытого знания.

 

Проблемы, возникающие внутри самой науки, называются фундаменталь- ными. Таким образом, фундаментальная наука направлена на получение самого знания о мире как такового. Собственно, именно фундаментальные

 

 

исследования направлены в той или иной мере на решение мировых зага-

док.

 

Не следует слово «фундаментальный» смешивать со словом «большой»,

«важный». Прикладное исследование может иметь очень важное значение как для практической деятельности, так и для самой науки, в то время как

фундаментальное исследование может оказаться пустяковым. Здесь очень важно предвидеть, какое значение результаты фундаментального исследо- вания могут иметь в будущем. Так, еще в середине 19-го века исследова- ния по электромагнетизму (фундаментальные исследования) считались

весьма интересными, но не имеющими никакого практического значения.

 

Технология. Прикладная наука тесно связана с технологией. Можно при- вести два определения технологии: в узком и широком смысле. "Техноло- гия - совокупность знаний о способах и средствах проведения производ- ственных процессов, напр. технология металлов,        химическая    техноло- гия, технология строительных работ, биотехнология и т.п., а также сами технологические процессы, при которых          происходит качественное из- менение обрабатываемого объекта". В широком смысле “технология – это обусловленные состоянием знаний и общественной эффективностью спо- собы достижения целей, поставленных обществом”. Это определение - достаточно емкое, оно позволяет охватить и биоконструирование, и обра- зование, и т.п. Эти "способы" могут меняться от цивилизации к цивили- зации, от эпохи к эпохе.

 

Фунд. и Прикл. ЕН.

 

Технологии

(1,2)

 

 

Логическая схема из выделенных элементов может быть изображена сле-

дующим образом:

 

 

 

Физика           ЕЗ(NW)

 

 

ЕЗ (1,2)

Классиф-

ЕНаук

 

 

Мир. Згдк: Физ(2),

Био(2),

Психо(3)-Геккель

 

Здч ЕН: (1,2)

 

 

Сетка, Узлы Дерево, вет- ви

 

Редукционизм

Холизм

Ред-изм-по Ке-

куле: Сложн-Ряд ЕНаук

 

 

Фунд. и Прикл. ЕН.

 

Технологии

(1,2)

 

4. Тезис о двух культурах.

 

В результате своей деятельности человек создает совокупность материаль- ных и духовных ценностей, т.е. культуру. (дать развернутое определе- ние). Мир материальных ценностей (техника, технология) образуют мате- риальную культуру. Наука, искусство, литература, религия, мораль, мифо- логия относятся к духовной культуре. (Классификация). В процессе по- знания окружающего мира и самого человека формируются различные науки. Естественные науки – науки о природе – формируют естественно- научную культуру, гуманитарные – художественную (гуманитарную куль- туру).

 

На начальных стадиях познания (мифология, натурфилософия) оба этих вида наук и культур не разделялись. Однако постепенно каждая из них разрабатывала свои принципы и подходы. Разделению этих культур спо- собствовали и разные цели: естественные науки стремились изучить при- роду и покорить ее; гуманитарные своей целью ставили изучение человека и его мира. (Комментарий)

 

Считается, что методы естественных и гуманитарных наук также преиму- щественно различны: рациональный в естественных и эмоциональный (интуитивно-образный) в гуманитарных. Справедливости ради надо за- метить, что резкой границы здесь нет, поскольку элементы интуиции, об- разного мышления являются неотъемлемыми элементами естественно- научного постижения мира, а в гуманитарных науках, особенно в таких как история, экономика, социология, нельзя обойтись без рационального, логического метода.           В античную эпоху преобладало единое, нерасчле- ненное знание о мире (натурфилософия). Не существовало проблемы раз- деления естественных и гуманитарных наук и в эпоху средневековья (хотя в то время уже начался процесс дифференциации научного знания, выде- ление самостоятельных наук). Тем не менее, для средневекового человека Природа представляла собой мир вещей, за которыми надо стремиться ви- деть символы Бога, т.е. познание мира было прежде всего познанием бо-

 

 

жественной мудрости. Познание было направлено не столько на выявление объективных свойств явлений окружающего мира, сколько на осмысление их символических значений, т.е. их отношения к божеству .

 

В эпоху Нового времени (17-18 вв) началось исключительно быстрое раз- витие естествознания, сопровождавшееся процессом дифференциации на- ук. Успехи естествознания были настолько велики, что в обществе возник- ло представление об их всесильности. Мнения и возражения представите- лей гуманитарного направления зачастую игнорировались. Рациональный, логический метод познания мира стал определяющим. Позже наметился своего рода раскол между гуманитарной и естественнонаучной культурой. (Исторические аспекты развития материальной и духовной культур- ключевое предложение)

 

Одной из самых известных книг на эту тему явилась публицистически ост- рая работа английского ученого и писателя Чарльза Перси Сноу «Две культуры и научная революция», (пример) появившаяся в 60-е годы ХХ в. В ней автор констатирует раскол между гуманитарной и естественно- научной культурами на две части, являющих собой как бы два полюса, две

«галактики». Сноу пишет «…На одном полюсе – художественная интелли- генция, на другом – ученые, и, как наиболее яркие представители этой группы – физики. Их разделяет стена непонимания и иногда (особенно среди молодежи) антипатии и вражды, но главное, конечно, непонимания. У них странное, извращенное понимание друг о друге. Они настолько по- разному относятся к одним и тем же вещам, что не могут найти общий язык даже в области чувств». В России (бышем СССР) это противоречие никогда не принимало такого антагонистического характера, тем не менее

в 60-е – 70-е годы оно нашло отражения в многочисленных дискуссиях между «физиками» и «лириками» (о моральной стороне медико-

биологических исследований на человеке и на животных, о мировоззрен-

ческой сущности некоторых открытий и т.п.).

 

Часто можно услышать, что техника и точные науки отрицательно влияют на мораль. Можно услышать, что открытие атомной энергии и выход человека в космос - преждевременны. Утверждают, будто технология са- ма по себе ведет к деградации культуры, наносит ущерб творчеству и производит лишь культурную дешевку. В наши дни успехи биологии по- родили бурные дискуссии о допустимости исследовательских работ по клонированию высших животных и человека, в которых проблема науки и технологии рассматривается с точки зрения этики и религиозной морали. (Технологии и мораль-пример)

 

Известный писатель и философ С. Лем в своей книге «Сумма технологий»

опровергает эти взгляды, утверждая, что технологию следует признать

 

 

"орудием достижения различных целей, выбор которых зависит от уровня развития цивилизации, общественного строя и  которые подле- жат моральным оценкам. Технология дает средства и орудия; хороший или дурной способ их употребления - это наша заслуга или наша вина". (Технология и культура).

 

Так, экологический кризис, поставивший человечество на грань катастро- фы, вызван не столько научно-техническим прогрессом, сколько недоста- точным распространением в обществе научных знаний и культуры в об- щем смысле этого слова. Поэтому сейчас много внимания уделяется гума- нитарному образованию, гуманизации общества. Для человека одинаково важны и современные знания, и соответствующие им ответственность и мораль. (Экологический кризис и распространение знаний)

 

С другой стороны, влияние науки на все сферы жизни стремительно рас- тет. Мы должны признать, что на нашу жизнь, на судьбы цивилизации, в конечном счете, открытия ученых и технические достижения, с ними свя- занные, повлияли гораздо больше, чем все политические деятели прошло- го. В то же время уровень естественнонаучного образования большинства людей остается невысоким. (констатация факта). Плохо или неверно ус- военная научная информация делает людей невосприимчивыми к антина- учным идеям, мистике, суевериям. Но современному уровню цивилизации может соответствовать только "«человек культуры", (вывод) причем здесь имеется в виду культура единая: как гуманитарная, так и естественнонауч- ная. Этим и объясняется введение в учебные планы гуманитарных специ- альностей дисциплины «Концепции современного естествозна- ния».(вывод) В дальнейшем мы будем рассматривать научные картины мира, проблемы, теории и гипотезы конкретных наук в русле глобального эволюционизма – идеи, пронизывающей современное естествознание и яв- ляющейся общей для всего материального мира.

 

В этом фрагменте жирным шрифтом отмечены ключевые слова, определе- ния и другие элементы, которые можно включить в возможную ЛС. Эту схему автор умышленно не приводит, предоставляя возможность соста- вить её потенциальному читателю. Понятно, что она будет различной для студента-первокурсника, впервые знакомящегося с основами этого пред- мета и для умудренного опытом преподавателя, который при желании мо- жет уточнить и поправить автора.

 

 

Далее приведем более сложный для гуманитария пример. Фрагмент лек- ции, посвященный элементарным частицам, без выделения фрагментов внутри текста. Результатом такого анализа явится построение ЛС, которую мы приведем в конце материала.

 

Физика элементарных частиц и их основные свойства

 

1. Элементарные частицы, фундаментальные частицы и частицы –

переносчики фундаментальных взаимодействий

 

Элементарные частицы – это частицы, входящие в состав прежде "недели- мого" атома. К ним относят также и те частицы, которые получают при помощи мощных ускорителей частиц. Есть элементарные частицы, кото- рые возникают при прохождении через атмосферу космических лучей, они существуют миллионные доли секунды, затем распадаются, превращаются в другие элементарные частицы или испускают энергию в форме излуче- ния. К наиболее известным элементарным частицам относятся электрон, фотон, пи-мезон, мюон, нейтрино. (на основании какого принципа, крите- рия они перечислены именно в таком порядке?-комм. автора). В строгом смысле слова элементарные частицы не должны содержать в себе какие- либо другие частицы. Однако далеко не все из наиболее известных элемен- тарных частиц удовлетворяют этому требованию. Было обнаружено, что элементарные частицы могут взаимно превращаться, т.е. не являются «по- следними и простейшими кирпичиками» мироздания. В настоящее время уже известны сотни элементарных частиц, хотя согласно теории их число не должно быть особенно большим. Новейшие исследования, в частности, подтверждают выдвинутую ранее гипотезу о существовании еще «более элементарных» частиц – кварков.

 

Фундаментальные частицы. Оказалось, таким образом, что дать опреде- ление элементарной частицы не так просто. В обычном употреблении фи- зики называют элементарными такие частицы, которые не являются ато- мами и атомными ядрами, за исключением протона и нейтрона. После ус- тановления сложной структуры многих элементарных частиц потребова- лось ввести новое понятие – фундаментальные частицы, под которыми по- нимаются микрочастицы, внутреннюю структуру которой нельзя представить в виде объединения других свободной частиц.

 

Во всех взаимодействиях элементарные частицы ведут себя как единое це- лое. Характеристиками элементарных частиц являются, кроме массы по- коя, электрического заряда, спина, также такие специфические характери-

 

 

стики (квантовые числа), как барионный заряд, лептонный заряд, гиперза- ряд, странность и т.п. Существует несколько групп элементарных частиц, различающихся по своим свойствам и характеру взаимодействия. Принято делить их на два больших класса (см. рис.1).

 

Рис.1

 

Фермионы ( в честь итальянского физика Э. Ферми) составляют вещество, бозоны (в честь индийского физика Шатьендраната Бозе) переносят взаи- модействие. (Классификация по величине спина!) Кварки входят в со- став адронов (<греч. сильный). Лептоны (<греч. легкий) могут иметь электрический заряд, могут быть нейтральными. К лептонам, в частности, относятся электроны, имеющие отрицательный заряд. Лептоны, не имею- щие заряда, могут проходить беспрепятственно через вещество (хоть через всю Землю) не взаимодействуя с ним. У каждой частицы есть античастица, отличающаяся величиной заряда или магнитного момента. Нужно знать, что все частицы, относящиеся к Фермионам имеют (в единицах постоян- ной Планка) полуцелый магнитный момент вращения (спин), а бозоны об- ладают целым спином.

 

Между частицами существует четыре типа взаимодействия, каждое из которых переносится своим типом бозонов. Фотон или γ-квант переносит электромагнитное взаимодействие. Глюоны осуществляют перенос силь- ных ядерных взаимодействий, связывающих кварки. Векторные бозоны переносят слабые взаимодействия и ответственны за некоторые распады частиц.

 

 

ЭЛЕМЕНТАРНЫЕ ЧАСТИЦЫ

 

Элементарные частицы, в точном значении этого термина, - это первич- ные, далее неразложимые частицы, из которых, по предположению, состо- ит вся материя.

Элементарные частицы современной физики не удовлетворяют строго-

му определению элементарности, поскольку большинство из них по со- временным представлениям являются составными системами. Общее свойство этих систем заключается в следующем:

 

Что они не являются атомами или ядрами (исключение составляет протон).

Поэтому иногда их называют субъядерными частицами.

Частицы, претендующие на роль первичных элементов материи, иногда называют "истинно элементарные частицы".

 

Первой открытой элементарной частицей был электрон. Его открыл анг-

лийский физик Томсон в 1897 году.

Первой открытой античастицей был позитрон - частица с массой элек-

трона, но положительным электрическим зарядом. Это античастица была обнаружена в составе космических лучей американским физиком Андер- соном в 1932 году.

 

В современной физике в группу элементарных относят более 350 частиц,

в основном нестабильных, и их число продолжает расти.

Если раньше элементарные частицы обычно обнаруживали в космиче- ских лучах, то с начала 50-х годов ускорители превратились в основной инструмент для исследования элементарных частиц.

Микроскопические массы и размеры элементарных частиц обусловли- вают квантовую специфику их поведения: квантовые закономерности яв- ляются определяющими в поведении элементарных частиц.

Наиболее важное квантовое свойство всех элементарных частиц - это способность рождаться и уничтожаться (испускаться и поглощаться) при взаимодействии с другими частицами. Все процессы с элементарными час-

тицами протекают через последовательность актов их поглощения и ис-

пускания.

Различные процессы с элементарными частицами заметно отличаются по интенсивности протекания.

В соответствии с различной интенсивностью протекания взаимодейст-

вия элементарных частиц феноменологически делят на несколько классов:

 

Сильное (S), электромагнитное(E) и слабое(W). Кроме того, все элемен-

тарные частицы обладают гравитационным взаимодействием.

 

 

Сильное взаимодействие элементарных частиц вызывает процессы, про- текающие с наибольшей по сравнению с другими процессами интенсивно- стью и приводит к самой сильной связи элементарных частиц. Именно оно обусловливает связь протонов и нейтронов в ядрах атомов.

Электромагнитное взаимодействие отличается от других участием элек-

тромагнитного поля. Электромагнитное поле (в квантовой физике - фотон)

либо излучается, либо поглощается при взаимодействии, либо переносит взаимодействие между телами. Электромагнитное взаимодействие обеспе- чивает связь ядер и электронов в атомах и молекулах вещества, и тем са- мым определяет (на основе законов квантовой механики) возможность ус- тойчивого состояния таких микросистем.

Слабое взаимодействие элементарных частиц вызывает очень медленно протекающие процессы с элементарными частицами, в том числе распады

квазистабильных частиц. Слабое взаимодействие гораздо слабее не только сильного, но и электромагнитного взаимодействия, но гораздо сильнее гравитационного.

Гравитационное взаимодействие элементарных частиц является наибо- лее слабым из всех известных. Гравитационное взаимодействие на харак- терных для элементарных частиц расстояниях дает чрезвычайно малые

эффекты из-за малости масс элементарных частиц.

Слабое взаимодействие гораздо сильнее гравитационного, но в повсе- дневной жизни роль гравитационного взаимодействия гораздо заметнее роли слабого взаимодействия. Это происходит потому, что гравитационное

взаимодействие (как, впрочем, и электромагнитное) имеет бесконечно большой радиус действия. Поэтому, например, на тела, находящиеся на поверхности Земли, действует гравитационное притяжение со стороны

всех атомов, из которых состоит Земля. Слабое же взаимодействие обла-

дает настолько малым радиусом действия, что он до сих пор не измерен.

 

Теория элементарных частиц

 

В современной физике фундаментальную роль играет релятивистская квантовая теория физических систем с бесконечным числом степеней свободы - квантовая теория поля. Эта теория построена для описания од- ного из самых общих свойств микромира - универсальной взаимной пре- вращаемости элементарных частиц. Для описания такого рода процессов требовался переход к квантовому волновому полю. Квантовая теория поля с необходимостью является релятивистской, поскольку если система со- стоит из медленно движущихся частиц, то их энергия может оказаться не- достаточной для образования новых частиц с ненулевой массой покоя. Частицы же с нулевой массой покоя (фотон, возможно нейтрино) всегда релятивистские, т.е. всегда движутся со скоростью света.

 

 

Универсальный способ ведения всех взаимодействий, основанный на калибровочной симметрии, дает возможность их объединения.

Квантовая теория поля оказалась наиболее адекватным аппаратом для

понимания природы взаимодействия элементарных частиц и объединения всех видов взаимодействий.

Квантовая электродинамика - та часть квантовой теории поля, в которой

рассматривается взаимодействие электромагнитного поля и заряженных частиц (или электронно-позитронного поля).

В настоящее время квантовая электродинамика рассматривается как составная часть единой теории слабого и электромагнитного взаимодейст-

вий.

В зависимости от участия в тех или иных видах взаимодействия все изу-

ченные элементарные частицы, за исключением фотона, разбиваются на две основные группы - адроны и лептоны.

Адроны (от греч. - большой, сильный) - класс элементарных частиц,

участвующих в сильном взаимодействии (наряду с электромагнитным и слабым). Лептоны (от греч. - тонкий, легкий) - класс элементарных час-

тиц, не обладающих сильным взаимодействием, участвующих только в электромагнитном и слабом взаимодействии. (Наличие гравитационного

взаимодействия у всех элементарных частиц, включая фотон, подразуме-

вается).

Законченная теория адронов, сильного взаимодействия между ними по-

ка отсутствует, однако имеется теория, которая, не являясь ни закончен-

ной, ни общепризнанной, позволяет объяснить их основные свойства. Эта теория - квантовая хромодинамика, согласно которой адроны состоят из кварков, а силы между кварками обусловлены обменом глюонами. Все об- наруженные адроны состоят из кварков пяти различных типов ("арома- тов"). Кварк каждого "аромата" может находиться в трех "цветовых" со- стояниях, или обладать тремя различными "цветовыми зарядами".

Если законы, устанавливающие соотношение между величинами, харак- теризующими физическую систему, или определяющие изменение этих величин со временем, не меняются при определенных преобразованиях, которым может быть подвергнута система, то говорят, что эти законы об- ладают симметрией (или инвариантны) относительно данных преобразо- ваний. В математическом отношении преобразования симметрии образуют группу.

В современной теории элементарных частиц концепция симметрии за- конов относительно некоторых преобразований является ведущей. Сим- метрия рассматривается как фактор, определяющий существование раз-

личных групп и семейств элементарных частиц.

Сильное взаимодействие симметрично относительно поворотов в осо-

бом "изотопическом пространстве". С математической точки зрения изо-

топическая симметрия отвечает преобразованиям группы унитарной сим-

 

 

метрии SU(2). Изотопическая симметрия не является точной симметрией природы, т.к. она нарушается электромагнитным взаимодействием и раз- личием в массах кварков.

Изотопическая симметрия представляет собой часть более широкой приближенной симметрии сильного взаимодействия - унитарной SU(3)- симметрии. Унитарная симметрия оказывается значительно более нару-

шенной, чем изотопическая. Однако высказывается предположение, что

эти симметрии, которые оказываются очень сильно нарушенными при дос-

тигнутых энергиях, будут восстанавливаться при энергиях, отвечающих так называемому "великому объединению".

Для класса внутренних симметрий уравнений теории поля (т.е. симмет- рий, связанных со свойствами элементарных частиц, а не со свойствами пространства-времени), применяется общее название - калибровочная

симметрия.

Калибровочная симметрия приводит к необходимости существования векторных калибровочных полей, обмен квантами которых обусловливает

взаимодействия частиц.

Идея калибровочной симметрии оказалась наиболее плодотворной в единой теории слабого и электромагнитного взаимодействий.

Интересной проблемой квантовой теории поля является включение в единую калибровочную схему и сильного взаимодействия ("великое объе- динение").

Другим перспективным направлением объединения считается суперка-

либровочная симметрия, или просто суперсимметрия.

 

В 60-х годах американскими физиками С.Вайнбергом, Ш.Глэшоу, паки- станским физиком А.Саламом и др. была создана единая теория слабого и электромагнитного взаимодействий, позднее получившая название стан- дартной теории электрослабого взаимодействия. В этой теории наряду с фотоном, осуществляющим электромагнитное взаимодействие, появляют- ся промежуточные векторные бозоны - частицы, переносящие слабое взаимодействие. Эти частицы были экспериментально обнаружены в 1983 году в ЦЕРНе.

Открытие на опыте промежуточных векторных бозонов подтверждает правильность основной (калибровочной) идеи стандартной теории элек-

трослабого взаимодействия.

Однако для проверки теории в полном объеме необходимо также экспе-

риментально исследовать механизм спонтанного нарушения симметрии.

Если этот механизм действительно осуществляется в природе, то должны существовать элементарные скалярные бозоны - так называемые хиггсовы бозоны. Стандартная теория электрослабого взаимодействия предсказыва- ет существование, как минимум, одного скалярного бозона.

 

 

Механизм спонтанного нарушения симметрии, который встречается в разнообразных физических ситуациях, получил широкое распространение в квантовой теории поля. Было показано, что в калибровочных теориях этот механизм может приводить к появлению конечной массы у безмас- совых калибровочных частиц (т.н. эффект Хиггса).

В моделях "Великого объединения" группа симметрии электрослабого взаимодействия и группа симметрии сильного взаимодействия являются

подгруппами единой группы, характеризующейся единой константой ка-

либровочного взаимодействия.

В основе "Великого объединения" - тот факт, что при переходе к малым расстояниям (т.е. к высоким энергиям) увеличивается константа электро-

слабого взаимодействия и уменьшается константа сильного взаимодейст-

вия. Экстраполяция такой тенденции на сверхвысокие энергии приводит к равенству констант всех трех взаимодействий при некотором энергетиче-

ском масштабе, при котором происходит спонтанное нарушение симмет-

рии "великого объединения", приводящее к возникновению масс у частиц,

описывающих смешанные калибровочные поля.

В разных моделях "великого объединеия" предсказывается различная величина энергетического масштаба, но в любом случае такие энергии не-

достижимы в обозримом будущем ни на ускорителях, ни в космических лучах. Для проверки моделей "Великого объединения" могут использо- ваться либо их предсказания в низкоэнергетической области, либо космо- логические следствия этих моделей (по современным представлениям, на

очень ранних стадиях расширения Вселенной могли достигаться темпера- туры много большие, чем энергетический масштаб "Великого объедине- ния").

Одним из предсказаний моделей "Великого объединения" является не-

сохранение барионного заряда и, как следствие, нестабильность протона.

Супергравитация - калибровочная теория суперсимметрии, представ-

ляющая собой суперсимметричное обобщение общей теории относитель-

ности (теории тяготения).

Расширенная теория супергравитации обладает симметрией, в принципе позволяющей объединить все известные виды взаимодействий - гравита-

ционное, слабое, электромагнитное и сильное. Однако имеющиеся модели пока далеки от реальной действительности (в частности, в них нет места

некоторым фундаментальным частицам).

 

Теория великого объединения. Согласно современным представлениям, при очень высоких температурах (и, соответственно, энергиях) все четыре взаимодействия объединяются в одно. Так, при энергии 100 ГэВ объеди- няются электромагнитное и слабое взаимодействия. Такая энергия соот- ветствует температуре Вселенной через 10-10 с после Большого Взрыва.

Это открытие, сделанное в ЦЕРНе, позволяет предположить, что при энер-

 

 

гии порядка 1015 ГэВ произойдет объединение электромагнитного, слабого и сильного взаимодействий, а при 1019 ГэВ к ним присоединится и грави- тационное. Эти теории называются Теориями Великого Объединения (ТВО).

 

Проблема элементарных частиц связана с самыми основами естественно- научной картины мира, и изучается она в некотором отрыве от других об- ластей физики. Здесь особенно интересно то, что ответы на многие вопро- сы, связанные с элементарными частицами ищутся в современной космо- логии, в моделях первичного нуклеосинтеза, т.е. ядерного синтеза в первые мгновения после Большого Взрыва – гипотетического Начала Вселенной. Именно в этот период, как считается были порождены элементарные час- тицы. Дело еще и в том, что ускорителей, на которых можно было бы по- лучить энергии, соответствующие энергиям объединения трех и четырех взаимодействий пока не предвидится, поэтому и обращаются к Вселенной, чтобы найти в ней возможные ограничения для огромного числа элемен- тарных частиц. Таким образом, в последние 30 лет между физикой элемен- тарных частиц и космологией существует тесная связь. Совокупность аст- рофизических данных можно рассматривать как «экспериментальный ма- териал», накопленный в результате работы Вселенной как гигантского ус- корителя частиц.

 

Возможная логическая схема показана на следующем рисунке

 

 

 

 
Неразлож. ЭЧ Субъяд.Ч. Превращ. ЭЧ

 

Элем.Част

(ЭЧ)    e,γ,π,μ, ν

 

кварки

 

 

Объединен?

Классифик.?

 

Фунд. Част.

 

m, e. S, τ

 

 
B,L,G-заряд

e  (1897)

e+  (1932)

 

 

Таблица

ЭЧ+ФЧ

 

Деление ЭЧ

(350 - ЭЧ?!)

 

Взаимод.(int).

Классификация K,R,τ, переносчик (Int)

 

 

 

Рел.Кв.Теор.

 

Теория ЭЧ

Теория Адронов Клибр.Симметр. (SU(2,3)-E-int

Кварки- Кв.Хромо Динамика

 

 

 

Фотон,

Теория ЭС (E+W)

Вайнберг,

±          0          Глэшоу,

w ,Z

 

Interaction.

Салам -

60гг.(20в)

 

 

 

Нестабиль..

протона

 

Теория Вел. Объе-

динения

Связь с космоло-

гией

E~100 Гэв (E+W), τ~10-10

E~1015 Гэв (E+W+S), E~1019 Гэв (E+W+S+G),

 

1

Гэв?

 

 

Комментарий. Каждый логический фрагмент состоит в среднем из 4-х ло- гических элементов. Все они расположены горизонтально. Вертикальные связи между этими фрагментами не указаны.