Что такое жизнь, с точки зрения физики

Несмотря на быстрое  признание теория Н.Бора все же не давала ответов на многие вопросы. В  частности, ученым не удавалось точно  описать многоэлектронные атомы. Выяснилось, что это связано с волновой природой электронов, представлять которые в виде твердых частиц, движущихся по определенным орбитам, ошибочно.

В действительности состояния  электрона могут меняться. Н.Бор  предположил, что микрочастицы не являются ни волной, ни корпускулой. При одном  типе измерительных приборов они  ведут себя как непрерывное поле, при другом -- как дискретные материальные частицы. Выяснилось, что представление о точных орбитах движения электронов также ошибочно. Вследствие своей волновой природы электроны скорее «размазаны» по атому, причем весьма неравномерно. В определенных точках плотность их заряда достигает максимума. Кривая, связывающая точки максимальной плотности заряда электрона, и представляет собой его «орбиту».

В 20-30-е гг. В.Гейзенберг и Л. де Бройль заложили основы новой  теории -- квантовой механики. В 1924г. в работе «Свет и материя»

Л. де Бройль высказал предположение  об универсальности корпускулярно-волнового  дуализма, согласно которому все микрообъекты могут вести себя и как волны, и как частицы. На основе уже установленной  дуальной (корпускулярной и волновой) природы света он высказал идею о волновых свойствах любых материальных частиц. Так, например, электрон ведет себя как частица, когда движется в электромагнитном поле, и как волна, когда проходит сквозь кристалл. Эта идея получила название корпускулярно-волнового дуализма. Принцип корпускулярно-волнового дуализма устанавливает единство дискретности и непрерывности материи.

В 1926г. Э.Шредингер на основе идей Л. де Бройля построил волновую механику. По его мнению, квантовые процессы -- это волновые процессы, поэтому классический образ материальной точки, занимающей определенное место в пространстве, адекватен только макропроцессам и совершенно неверен для микромира. В микромире частица существует одновременно и как волна, и как корпускула. В квантовой механике электрон можно представить как волну, длина которой зависит от ее скорости. Уравнение Э.Шредингера описывает движение микрочастиц в силовых полях и учитывает их волновые свойства.

На основе этих представлений  в 1927г. был сформулирован принцип дополнительности, по которому волновые и корпускулярные описания процессов в микромире не исключают, а взаимно дополняют друг друга, и только в единстве дают полное описание. При точном измерении одной из дополнительных величин другая претерпевает неконтролируемое изменение. Понятия частицы и волны не только дополняют друг друга, но и в то же время противоречат друг другу. Они являются дополняющими картинами происходящего. Утверждение корпускулярно-волнового дуализма стало основой квантовой физики.

В 1927г. немецкий физик  В.Гейзенберг пришел к выводу о невозможности  одновременного, точного измерения  координаты частицы и ее импульса, зависящего от скорости, эти величины мы можем определить только с определенной степенью вероятности. В классической физике предполагается, что координаты движущегося объекта можно определить с абсолютной точностью. Квантовая механика существенно ограничивает эту возможность. В.Гейзенберг в работе «Физика атомного ядра» изложил свои идеи.

Вывод В. Гейзенберга  получил название принципа соотношения неопределенностей, который лежит в основе физической интерпретации квантовой механики. Его суть в следующем: невозможно одновременно иметь точные значения разных физических характеристик микрочастицы -- координаты и импульса. Если мы получаем точное значение одной величины, то другая остается полностью неопределенной, существуют принципиальные ограничения на измерение физических величин, характеризующих поведение микрообъекте. Таким образом, заключил В.Гейзенберг, реальность различается в зависимости от того, наблюдаем мы ее или нет. «Квантовая теория уже не допускает вполне объективного описания природы», -- писал он. Измерительный прибор влияет на результаты измерения, т.е. в научном эксперименте влияние человека оказывается неустранимым. В ситуации эксперимента мы сталкиваемся с субъект-объектным единством измерительного прибора и изучаемой реальности.

Важно отметить, что это  обстоятельство не связано с несовершенством  измерительных приборов, а является следствием объективных, корпускулярно-волновых свойств микрообъектов. Как утверждал  физик М. Борн, волны и частицы -- это только «проекции» физической реальности на экспериментальную ситуацию.

Два фундаментальных  принципа квантовой физики -- принцип  соотношения неопределенностей  и принцип дополнительности -- указывают  на то, что наука отказывается от описания только динамических закономерностей. Законы квантовой физики -- статистические. Как пишет В.Гейзенберг, «в экспериментах с атомными процессами мы имеем дело с вещами и фактами, которые столь же реальны, сколь реальны любые явления повседневной жизни. Но атомы или элементарные частицы реальны не в такой степени. Они образуют скорее мир тенденций или возможностей, чем мир вещей и фактов». В дальнейшем квантовая теория стала базой для ядерной физики, а в 1928г. П.Дирак заложил основы релятивистской квантовой механики.

4. Современные представления об элементарных частицах. Структура микромира

Структурность и системность наряду с пространством, временем, движением являются неотъемлемыми свойствами материи. Современное миропонимание предполагает упорядоченность и организованность мира, а проблема самоорганизации бытия является одной из самых важных в науке и философии. Бытие представляет собой сложноорганизованную иерархию систем, все элементы которой находятся в закономерной связи друг с другом, кажущаяся неоформленность изменений в каком-то одном отношении оказывается упорядоченностью в другом. Именно это обстоятельство выражается в понятии системности.

Понятия «система» существует несколько десятков определений, однако классическим признано определение, данное основоположником теории систем Л.Берталанфи: система - это комплекс взаимодействующих элементов. Ключевым понятием в этом определении является понятие «элемент». Под элементом понимается - неразложимый компонент системы при определенном, заданном способе ее рассмотрения. Если меняется угол зрения, то явления или события, рассматриваемые в качестве элемента системы, сами могут становиться системами. Например, элементами системы «газ» выступают молекулы газа. Однако сами молекулы в свою очередь могут рассматриваться в качестве систем, элементами которых являются атомы.

Атом - тоже система, однако принципиально другого уровня, чем  газ и т.д. Элементами системы признаются только те предметы, явления или процессы, которые участвуют в формировании ее свойств. Комплекс элементов системы может складываться в подсистемы разного уровня, которые выполняют частные программы и представляют собой промежуточные звенья между элементами и системой.

По характеру связей между элементами все системы  делятся на суммативные и целостные. В суммативных системахсвязь между элементами выражена слабо, они автономны по отношению друг к другу и системе в целом. Качество такого образования равно сумме качеств составляющих его элементов. Примерами суммативной системы являются груда камней, куча песка и т.п. Несмотря на высокую степень автономности элементов, образования, аналогичные груде камней, все же рассматриваются как системы, поскольку могут сохранять устойчивость длительное время и существовать в качестве самостоятельных совокупностей. Кроме того, существует предел количественных изменений таких систем, превышение которого приводит к изменению их качества. У суммативных систем есть собственная программа существования, которая выражается в структурности.

В целостных системах четко выражена зависимость их возникновения и функционирования от составляющих элементов и наоборот. Каждый элемент такой системы в своем возникновении, развитии и функционировании зависит от всей целостности, и, в свою очередь, система зависит от каждого из своих элементов. Внутренние связи в целостностях стабильнее внешних, а качество системы не сводится к сумме составляющих ее элементов. Примером целостной системы является живой организм или общество. Под действием определенных факторов суммативные системы могут преобразовываться в целостные и наоборот.

Кроме типологии систем в зависимости от характера связи между элементами системы различают по типу их взаимодействия с окружающей средой. В этом случае выделяют открытые и закрытые (замкнутые) системы. Взакрытых системах не происходит обмена энергией и веществом с внешним миром. Такие системы стремятся к равновесному состоянию, максимальная степень которого - неупорядоченность и хаос. Открытые системы, напротив, обмениваются энергией и веществом с внешним миром. В таких системах при определенных условиях из хаоса могут самопроизвольно возникать новые упорядоченные структуры, а система в целом повышает уровень своей структурной организации.

Структурность выражается в упорядоченности существования материи и ее конкретных форм и предполагает внутреннюю расчлененность материи. Структура определяется как совокупность устойчивых, закономерных связей и отношений между элементами системы, обеспечивающих сохранение ее основных свойств. Современные представления о структурированности Вселенной касаются мега-, макро- и микромира; и Метагалактика, и известный нам макромир, и микрочастица структурированы. Переход от одной области действительности к другой связан с изменением числа факторов, обеспечивающих упорядоченность, и трансформацией самих структур. Единство упорядоченности - системности, и внутренней расчлененности - структурности, определяет существование мира как системы систем: систем объектов, систем свойств или отношений и т.п.

Элементами структуры  микромира выступают микрочастицы. На данный момент известно более 350 элементарных частиц, различающихся массой, зарядом, спином, временем жизни и еще рядом физических характеристик.

Время жизни  элементарной частицы определяет ее стабильность или нестабильность. По времени жизни частицы делятся на стабильные, квазистабильные и нестабильные. Большинство элементарных частиц нестабильно. Нестабильные частицы живут несколько микросекунд, стабильные не распадаются длительное время. Нестабильные частицы распадаются в результате сильного и слабого взаимодействия. Стабильными частицами считаются фотон, нейтрино, нейтрон, протон и электрон. При этом нейтрон стабилен только в ядре, в свободном состоянии он также распадается. Сейчас высказываются предположения о возможной нестабильности протона. Квазистабильные частицы распадаются в результате электромагнитного и слабого взаимодействия, иначе их называют резонансными.Резонансные частицы были открыты в начале 60-х гг. XXв.. Время жизни резонансов - порядка 10--22 с.

Все многообразие элементарных частиц можно разделить на три  группы: частицы, участвующие в сильном взаимодействии - адроны, частицы, не участвующие в сильном взаимодействии - пептоны, и частицы--- переносчики взаимодействий.

Все перечисленные частицы  различаются по заряду, массе, спину, времени жизни и другим физическим характеристикам. Однако внутри одного типа элементарные частицы совершенно идентичны, лишены индивидуальности: все электроны тождественны друг другу, все фотоны тождественны друг другу и т.п.

В 1936г. П.Дирак предположил, что каждой частице соответствует  античастица, отличающаяся от нее только знаком заряда. В 1936г. был открыт позитрон -- античастица электрона, в 1955г. -- антипротон, в 1956г. -- антинейтрон. Сейчас уже не вызывает сомнения, что каждая частица имеет своего «двойника» -- античастицу, совершенно идентичную по всем физическим характеристикам, кроме заряда. В 70-80-е гг. XX века в физике появилось множество теорий антивещества и антиматерии. Наиболее сложной формой антивещества, полученной в лабораторных условиях, являются антиядра трития, гелия. Эксперименты по получению антивещества были выполнены на серпуховском ускорителе в 1970-1974 гг. В 1998г. получены первые атомы антиводорода.

К середине 60-х гг. XX в. число известных адронов превысило  сотню. В связи с этим возникла гипотеза, согласно которой наблюдаемые частицы не отражают предельный уровень материи. В 1964г. была создана теория строения адронов, илитеория кварков. Ее авторы - физики М.Гелл-Манн и Д.Цвейг. Слово «кварк» позаимствовано М.Гелл-Маном из романа Дж.Джойса «Поминки по Финнегану», герою которого слышались слова о трех кварках. Слово «кварк» не имеет прямого смыслового значения. Кварки -- это гипотетические материальные объекты, их экспериментальное наблюдение пока невозможно, однако теоретические положения кварковой гипотезы оказались плодотворными, а теория в целом эвристичной. Кварковая теория позволила систематизировать известные частицы и предсказать существование новых.

Основные положения  теории кварков заключаются в  следующем. Адроны состоят из более  мелких частиц - кварков. Кварки представляют собой истинно элементарные частицы и поэтому бесструктурны. Главная особенность кварков - дробный заряд. Кварки различаются спином, ароматом и цветом. Аромат кварка не имеет никакого отношения к аромату, понимаемому буквально (аромат цветов, духов и т.п.), это его особая физическая характеристика. Для того чтобы учесть все известные адроны, необходимо было предположить существование шести видов кварков, различающихся ароматом: u (uр - верхний), d (down - нижний), s (strange - странный), с (сharm - очарование), b (beauty - прелесть) и t (tор - верхний). Существует устойчивое мнение, что кварков не должно быть больше.

Считается, что каждый кварк имеет один из трех возможных  цветов, которые выбраны произвольно: красный, зеленый, синий. Понятно, что  цвет кварка не имеет никакого отношения к обычному оптическому цвету в макромире, цвет кварка, как и аромат, - условное название для определенной физической характеристики. Гипотеза о существовании цвета у кварков впервые была высказана в 1965г. независимо Н.Боголюбовым, Б.Струминским, А.Тавхелидзе и М.Ханом, И.Намбу. Впоследствии она получила значительное число экспериментальных подтверждений.

Каждому кварку соответствует  антикварк с противоположным  цветом (антикрасный, антизеленый и  антисиний). Кварки соединяются тройками, образуя барионы (нейтрон, протон), или парами, образуя мезоны. Антикварки, соединяясь тройками, соответственно, образуют антибарионы. Мезон состоит из кварка и антикварка. Суммарный цвет объединившихся кварков или антикварков, независимо от того, объединены три кварка (барионы), три антикварка (антибарионы) или кварк и антикварк (мезоны), должен быть белым или бесцветным. Белый цвет дает сумма красного, зеленого, синего или красного - антикрасного, синего - антисинего и т.п.

Таким образом, можно говорить о цветовой симметрии в микромире. Кварки объединяются между собой благодаря сильному взаимодействию. Переносчиками сильного взаимодействия выступают глюоны, которые как бы «склеивают» кварки между собой. Глюоны также имеют цвета, но в отличие от кварков их цвета смешанные, например красный-- антисиний и т.п., т.е. глюон. состоит из цвета и антицвета. Испускание или поглощение глюона меняет цвет кварка, но сохраняет аромат.