Развитие представлений о взаимодействии

Если движение, как было сказано в разделе 5 — это способ существования материи, то взаимодействие — это основная причина данного движения, т. е. условие существования материи. Взаимодействие присуще всем материальным объектам независимо от их происхождения и системной организации, и представляет собой активность и направленность действия одного элемента системы на другой. Необходимой стороной и результатом взаимодействия является связь — такое отношение между элементами, при котором изменение свойств одного вызывает изменение соответствующих свойств другого. Особенности различных взаимодействий и обусловленных ими связей определяют условия существования и специфику свойств материальных объектов в целом, поэтому известные к настоящему моменту времени (см. ниже) виды взаимодействий называют ещё фундаментальными взаимодействиями в природе, обеспечивающими целостность и устойчивость образующих её материальных систем.

Исторически первым предметом исследования ученых стало гравитационное взаимодействие. Оно проявляется во взаимном притяжении любых материальных объектов, имеющих массу, подчиняется принципу дальнодействия (см. раздел 3) и определяется законом всемирного тяготения Ньютона. Согласно данному закону гравитация отвечает за динамическую устойчивость планетных и звездных систем космоса. Ньютон это доказал строго математически, рассчитав ускорения двух противоположных по направлению своего действия сил — центростремительной, с которой Луна притягивается к Земле, и центробежной, с которой, благодаря своему «разгону» по околоземной орбите, она пытается «преодолеть» земную гравитацию. Расчеты показали совпадение противоположных по направлению, но одинаковых по величине ускорений с высокой точностью (0,0027 м/с²). Сейчас эти выкладки Ньютона в виде задачи по небесной механике приводятся в школьном учебнике физики за 9 класс, но когда он их впервые изложил на заседании Лондонского королевского научного общества, этот день, 28 апреля 1686 года, в истории науки получил название «триумфа теории всемирного тяготения». Получила объяснение загадка тысячелетий — миллионы лет тела менее тяжелые свободно падают, не чувствуя, благодаря своему движению по круговым орбитам, веса, в поле тяготения тел более массивных, как центров этого тяготения, обеспечивая стабильность существования основных материальных систем космоса — галактик. Но только более чем через сто лет после этого английский физик и химик Г. Кавендиш осуществил лабораторную, т. е. в земных условиях, демонстрацию и измерение силы гравитационного притяжения тел.

После обнаружения полевой формы материи было открыто сначала электростатическое взаимодействие, проявляющееся во взаимном притяжении разноименных и во взаимном отталкивании одноименных постоянных электрических зарядов.

Неподвижные электрические заряды создают именно такое, постоянное по напряженности электростатическое поле, но когда данные заряды движутся, возникают уже переменные по своей напряженности два других поля — электрическое и магнитное. Их синхронное наложение друг на друга создает непрерывное, подчиняющееся другому принципу передачи энергии — принципу близкодействия (см. раздел 3) — электромагнитное поле — переносчик одноименного взаимодействия. Благодаря ему возникают молекулы и происходят химические реакции. Электромагнитным взаимодействием определяются изменения агрегатного состояния вещества, величины сил трения, упругости, поверхностного натяжения и других, оно отвечает за прочность межмолекулярных связей, а, следовательно, ответственно за устойчивость структуры состоящего из молекул вещества (тел). Электромагнитное взаимодействие является основным в химии и биологии.

Развитие представлений о взаимодействии на этапе неклассического естествознания было связано, прежде всего, с проникновением науки в глубины атома (см. раздел 4). Сначала выяснилось, что устойчивость его структуры обеспечивается тем же электромагнитным взаимодействием между положительно заряженным ядром атома и его отрицательно заряженной электронной оболочкой. Далее оказалось, что внутри атомных ядер проявляются два новых фундаментальных взаимодействия — сильное и слабое. Пер-вое отвечает за стабильность ядер атомов, обеспечивая связь протонов и нейтронов между собой, имеет радиус действия, ограниченный размерами атомного ядра (10^-15 м), и подчиняется принципу близкодействия (см. выше).

В стабильном веществе, находящемся, например, в земных условиях, сильное взаимодействие себя не проявляет, оно просто обеспечивает высокую устойчивость ядер атомов. Но если происходит столкновение ядер или их частей — нуклонов (см. выше), обладающих высокой энергией, как это имеет место в недрах звезд за счет колоссальной температуры, происходит реакция термоядерного синтеза, сопровождающаяся выделением этими звездами огромной энергии.

Слабое взаимодействие вызывает медленно протекающие естественные процессы распада элементарных частиц, в результате которых одни химические элементы превращаются в другие. Одним из главных таких процессов является, к примеру, происходящее внутри атомного ядра превращение нейтрона в протон (именно поэтому слабое взаимодействие было обнаружено только после открытия явления естественной радиоактивности). Ра-диус его действия ещё меньше (10^-18 м) и оно также подчиняется принципу близкодействия.

Следует отдельно уточнить, что данные четыре фундаментальных взаимодействия присутствуют в любых материальных системах, но в разных, отграниченных друг от друга областях существования таких систем (уровнях организации материи, как будет показано в теме 3 данного лекционного курса) соотношение этих взаимодействий тоже разное. Так, за стабильность материальных систем космоса, как уже говорилось, отвечает доминирующее там гравитационное взаимодействие. В земных условиях всё определяется электромагнитным и, в меньшей мере, тем же гравитационным взаимодействиями. Устойчивость структуры атома, как тоже было только что сказано, обеспечивают целых три фундаментальных взаимодействия из четырех. Без сильного и слабого взаимодействий не были бы возможны ядерные реакции, идущие в недрах звезд. В силу этого соотношение по силе всех взаимодействий между собой корректно можно показать на примере только конкретной материальной системы, например, атома. Если взять за единицу силу наиболее мощного из них — сильного — то электромагнитное взаимодействие слабее его в 100 раз (это объясняет, кстати, почему протоны ядра атома не разлетаются под воздействием электромагнитных сил отталкивания), слабое — в 10^-14 раз, а гравитационное — в 10^-38 раз.

Установленный факт ответственности конкретного числа взаимодействий, как сил, определяющих устойчивость и стабильность всех природных объектов, потребовал уточнения уже имевшихся научных представлений об их сущности. Так, для исчерпывающего доказательства единства двух форм существования материи — вещества и поля (см. раздел 4) — необходимо было произвести квантование сильного, слабого и гравитационного фундаментальных взаимодействий, т. е. найти кванты, которые, подобно тому, как фотон переносит электромагнитное взаимодействие, являются их частицами-переносчиками. Тогда, в полном соответствии с научным методом (см. раздел 2), гипотеза корпускулярно-волнового дуализма, как прошедшая верификацию более поздними эмпирическими фактами, приобретала бы статус закона природы (там же).

Данная задача решалась уже на современном, четвертом этапе истории естествознания. Было установлено, что переносчиками сильного взаимодействия, связывающего кварки в адроны (см. раздел 4), являются его кванты — глюоны (от англ. glue — клей). Существует 8 разновидностей глюонов, реализующих данное фундаментальное взаимодействие не только между кварками, но также между протонами, нейтронами и нуклонами (см. выше). Подобно кваркам, глюоны не существуют в свободном состоянии (см. раздел 4), поэтому их существование тоже доказано только косвенно (там же). Уточняя, как только что было показано, представления о материи (см. раз-дел 4), добавим к сказанному там, что глюоны «рождаются» физическим вакуумом вместе с парой «кварк + антикварк», и когда при её аннигиляции нарушается симметрия, «уцелевшие» кварки (или антикварки?) глюоны превращают в адроны (см. выше), или, опять же, в антиадроны (?).

С одной стороны более причудливо, а с другой — более успешно в этот же период времени сложились представления о квантовой природе другого фундаментального взаимодействия — слабого. Сначала в 60-х годах появилась теория, объединяющая два известных взаимодействия — уже доказав-шее эту свою природу электромагнитное и ещё не проквантованное слабое — в одно новое, а именно, в электрослабое. Данная теория практически одновременно была создана двумя независимо работавшими физиками — американцем С. Вайнбергом и пакистанцем А. Саламом. Согласно ей, слабое взаимодействие переносится тремя видами своих квантов, получивших название бозонов (в честь индийского физика Ш. Бозе). Радиус его действия чрезвычайно мал — если сильное взаимодействие происходит, как было сказано выше, в пределах ядра атома (10^-15 м), то слабое взаимодействие простирается на расстояние порядка 10^-17 — 10^-24 м. На основании этого факта из теории Вайнберга — Салама следовало, что переносчики такого взаимодействия — бозоны (см. выше) — должны иметь массу, и когда данное предположение в 1983 году было экспериментально проверено на известном Большом адронном коллайдере, физики обнаружили все три бозона, обладающие именно теми свойствами, которые ранее приписывала им теория. Однако та-кой триумф теории электрослабого взаимодействия (С. Вайнберг, А. Салам, Ш. Глэшоу, Нобелевская премия 1979 г.) в который уже раз, в соответствии с сущностью научного метода (см. раздел 2), инициировал противоречие между новой и старой теориями в интерпретации одного и того же факта.

Эта «старая», т. е. более ранняя по отношению к теории электрослабого взаимодействия, интерпретация, в лице так называемой Стандартной модели физики частиц утверждала, что все частицы — переносчики фундаментальных взаимодействий в природе — должны быть безмассовыми, т. е. не иметь массы покоя. И два из четырех этих квантов — фотон (переносчик электромагнитного взаимодействия) и глюон (переносчик сильного взаимодействия) — согласно многочисленным экспериментальным данным, действительно имеют нулевую массу, чего нельзя сказать о квантах слабого взаимодействия — бозонах (см. выше).

«Спасение» ситуации происходило по сценарию, схожему с разрешением «ультрафиолетовой катастрофы» (см. раздел 4).

Подобно Планку (там же) английский физик П. Хиггс и его бельгийский коллега Ф. Энглер предположили существование особого вида имеющих массу элементарных частиц, с которыми безмассовые фотоны и бозоны взаимодействуют, а, точнее говоря, сливаются по-разному, и в зависимости от условий этого слияния они, оставаясь квантами общего — электрослабого — взаимодействия, реализуют раз-ные его частные случаи — электромагнитное или слабое взаимодействие со-ответственно. Таким образом, предложенная Хиггсом и Энглером гипотеза, инкорпорировала (включала) «старую» Стандартную модель (см. выше) в новую теорию электрослабого взаимодействия, т. е. демонстрировала очередное подтверждение правоты принципа соответствия — второй тенденции развития естествознания (см. раздел 3).

Продолжая аналогию с судьбой квантовой гипотезы, частицу, предсказанную именно Хиггсом и получившую в его честь название «бозона Хиггса», искали более полувека — гипотеза, обосновывающая её существование, была выдвинута в 1964 году, а экспериментально бозон Хиггса был «пойман» на том же Большом адронном коллайдере только летом 2012 года. Поэтому свою заслуженную награду весьма пожилые теоретики (Питеру Хиггсу было 84 года, а Франсуа Энглеру — 81) получили лишь недавно (Нобелевская премия 2013 года). То ли потому, что бозон Хиггса столь долго искали, то ли потому, что некоторые физики считают его последним недостающим «кирпичиком» в Стандартной модели, бозон Хиггса в научно-популярной литературе получил название «частицы Бога». Сам Питер Хиггс — атеист, но не любит, когда его частицу называют божественной — это, по его мнению, оскорбляет чувства верующих. Существует легенда, что сам он, может быть как раз в силу трудности экспериментального подтверждения существования бозона Хиггса, склонен был называть его, наоборот, «чертовой частицей».

Остается добавить, что квант последнего фундаментального взаимодействия — гравитационного — не только до сих пор не найден, но даже теория квантовой гравитации на настоящий момент времени не создана. Известно лишь, что в соответствии с вышеупомянутой Стандартной моделью физики частиц, он должен быть безмассовым, и иметь название «гравитон». В силу данного обстоятельства гипотеза единства материи (см. выше) не может считаться прошедшей верификацию (см. раздел 2). Трудность будущего решения данной задачи колоссально увеличивается в силу того нового (буквально последних десятилетий) обстоятельства, что упоминавшаяся в разделе 4 «темная энергия» из-за вызываемого ею ускоряющегося расширения Вселенной (там же) по своей природе должна быть энергией отрицательной гравитации, т. е. силы отталкивания, а не притяжения. Следствие такого фа-кта — это ни больше, ни меньше, как пересмотр теории всемирного тяготения Ньютона! Поэтому развитие представлений о взаимодействии, равно как и о двух других, тесно связанных с этой научной категорией понятиях — материи и энергии (см. соответственно разделы 4 и 5) — как это, в соответствии с научным методом (см. раздел 2), и должно быть, завершенным считаться не может, и, похоже, не сможет в течение довольно долгого периода времени в будущем. Данная связь, точнее диалектическое единство всех этих трех главных научных терминов естествознания, иллюстрируется таблицей 3, представляющей собою общий «скелет» посвященных им трех последних разделов темы

Таблица 3

Развитие представлений о материи, движении и взаимодействии