Панорама современного естествознания 2

Панорама современного естествознания

Остановимся лишь на ключевых, концептуальных положениях, сгруппировав их в три больших класса, сообразно масштабу объектов и рассматриваемых процессов: микро-, макро- и мега- .

1. Микрофизика. Основными предметами этого раздела естествознания являются элементарные частицы, фундаментальные физические поля, пространство-время и их взаимодействия. Синонимом микрофизики являются «физика высоких энергий» или «физика элементарных частиц». В предыдущем модуле мы уже кратко обсуждали краеугольные камни этого фундаментального раздела современной науки. После открытий Бора, Резерфорда, Эйнштейна и др. квантовая механика продолжала развиваться и к середине 30-х годов 20-го века выросла в мощную, сильную математизированную теорию микромира. Было открыто множество «элементарных» частиц и реакций между ними, в результате которых они превращались друг в друга или рождали новые, неизвестные до той поры частицы. Помимо гравитационного и электромагнитного полей, которые безуспешно пытался объединить в рамках одной теории Эйнштейн, обнаружились еще два фундаментальных физических поля: ядерное (сильное) и слабое, которые по своим свойствам отличались от двух предыдущих. Были открыты ядерные реакции, приводившие к синтезу или распаду ядер на более мелкие осколки, увеличению или уменьшению их электрического заряда на один или два элементарных. Т.е. открылась новая отрасль науки - ядерная химия. Фактически на новом витке развития науки осуществилась вековая мечта полузабытых алхимиков о превращении одного химического элемента в другой. Несколько хорошо оснащенных лабораторий мира продолжают «удлинять» таблицу Менделеева в сторону с большим атомным номером. В природе не существует элементов тяжелее урана, т.к. они нестабильны и относительно быстро распадаются, если их даже получить искусственно путем ядерной реакции. Причем, чем дальше они отстоят в таблице Менделеева от урана, тем период полураспада делается меньше, уменьшаясь до малых долей секунды. Но в области атомных номеров 114-116 (уран имеет атомный номер 92) теория предсказывает «остров стабильности», где могут существовать химические элементы с совершенно удивительными свойствами. Первые атомы (да-да, не удивляйтесь, в экспериментах по созданию новых химических элементов счет идет буквально на атомы) с такими высокими элементами уже в 21 веке получили российские ученые из Объединенного института ядерных исследований в подмосковном городе Дубна. Росло и число вновь открываемых «элементарных» частиц. Современные справочники содержат сейчас уже около 400 таких частиц (вместе с античастицами, у которых все свойства, кроме электрического заряда тождественны соответствующим частицам). По всеобщему мнению - это слишком много, для того чтобы образовывать основу, фундамент нашего мира. Да и большинство из них не являются в буквальном смысле «элементарными«, т.е. не состоящими из более мелких частиц. Напротив, о многих из них известно, что в их составе имеются более мелкие образования. Таковы, например, основные частицы атомного ядра - нейтроны, протоны, пи-мезоны. Сейчас твердо установлено, что они состоят из трех (первые две) или двух (пи-мезоны) частиц, получивших название «кварки». Есть подозрения, что и кварки могут оказаться не вполне элементарными. До каких же пор ученые будут разбирать эту «матрешку» природы? На это никто пока не может дать ответа. Проблема установления полного набора истинно элементарных частиц во Вселенной - одна из наиболее принципиальных нерешенных в современной науке (в физике элементарных частиц она называется проблемой «спектра масс» ).

Помимо чисто познавательного интереса, работы в этой области подогреваются еще и тем, что опускаясь все ниже по ступенькам структуры материи вглубь, мы сталкиваемся и овладеваем все большими и большими силами и энергиями в Природе. Так, например, если в самой энергонасыщенной химической реакции (это фактически реакция между наружными, слабоудерживаемыми электронами в атомах, не затрагивающая ни глубоких электронных орбиталей, ни тем более атомных ядер), может выделиться несколько электрон-вольт энергии в расчете на реагирующий атом, то в ядерной реакции, когда происходят изменения в составе реагирующих ядер, может выделиться 10 миллионов электроно - вольт энергии на каждое реагирующее ядро. Напомним, что в мире атомов электрон - вольт является удобной единицей измерения энергии, которая равна дополнительной энергии, приобретаемой электроном в электрическом поле с разностью потенциалов в 1 Вольт. Если уподобить электрон-вольт рублю, то можно сказать, что в мире химических реакций (будь то горение угля, бензина, газа, пороха, взрыв детонирующего взрывчатого вещества и т.п.) расчет всяких обменов и продаж ведется рублями, а в мире ядерных реакций - сразу десятками миллионов рублей. Причем, заметьте, эти силы заключены в одном и том же атоме, только химические - в электрических полях атома и валентных электронах, а ядерные - глубже, в ядре, в поле неизмеримо более мощных ядерных сил. При переходе на еще более глубокий, более тонкий уровень строения материи мы можем получить доступ к еще более мощным источникам энергии. Пока это, правда, тоже только лишь задача будущего. Парадокс заключается в том, что для исследований все более мелких частиц необходимо строить все более крупные исследовательские приборы – детекторы и ускорители, и разгонять в них частицы до все более больших энергий, чтобы преодолеть все более мо