Владимир Голощапов
Мир

Физическая сущность материи

Физика описывает материю как нечто, существующее в пространстве и во времени (в пространстве – времени), – представление, идущее от Исаака Ньютона (пространство – вместилище вещей, время – событий); либо как нечто, само задающее свойства пространства и времени – представление, идущее от Лейбница и нашедшее выражение в общей теории относительности Эйнштейна. Материя имеет различные виды и различные свойства. Материя – составляющая Вселенной. Материя находится в постоянном движении, она как соединяется, образуя уплотнения различной степени, космические тела различных размеров и различной плотности, так и разъединяется в виде взрывов и излучений. «Изменения во времени, происходящие с различными формами материи, составляют физические явления» («Википедия»). Согласно ОТО Альберта Эйнштейна, «любое тело уже только благодаря факту своего существования обладает энергией, которая пропорциональна массе покоя m₀, каждое тело имеет своё энергетическое поле». Об этом же говорит и следующее определение материи: «Материя (от лат. māteria „вещество“) – фундаментальное физическое понятие, связанное с любыми объектами, существующими в природе, о которых можно судить благодаря ощущениям» («Википедия»). А что такое ощущение? Ощущение – это сигнал, получаемый нашим мозгом от того или иного рецептора нашего организма при каком-либо воздействии на наше тело. Значит, материя имеет своё энергетическое поле. Будем полагать, что эйнштейновское словосочетание «любое тело» обозначает любое материальное тело. Это положение ОТО является фактом, не подлежащим сомнению, это аксиома. Материальное тело – это материя, имеющая ту или иную форму (Аристотель). Это может быть звезда, а может быть и электрон. И звезда, и электрон, и другие материальные тела имеют своё энергетическое поле. А что такое «энергетическое поле»? Откуда берётся энергетическое поле? Какая энергия в этом поле? Ведь есть гравитационное поле, есть электрическое поле, есть магнитное поле. Уже определено, что энергетическое поле – это пространство, в котором материальное тело проявляет свои силы, имеющие то или иное происхождение (гравитация, электричество, магнетизм). Видимо, совокупность этих полей и имел в виду Эйнштейн в выражении «энергетическое поле». Значит, говоря о материальном теле, нельзя говорить об одном его энергетическом поле, а надо говорить обо всех энергетических полях этого материального тела. Все энергетические поля материального тела назовём энергетической оболочкой этого материального тела. Следовательно, любое материальное тело имеет свою энергетическую оболочку. Все тела – и звезды, и планеты, и молекулы, и атомы, и те элементарные частички, из которых состоят эти материальные тела, – есть не что иное как материя. Получается, что физическую суть материи можно определить одной фразой:

«МАТЕРИЯ – это ВСЁ ТО, ЧТО ИМЕЕТ СВОЮ МАССУ И ЭНЕРГЕТИЧЕСКУЮ ОБОЛОЧКУ».

Характеристические признаки материи

С помощью сил своей энергетической оболочки материя производит различные действия. Энергия – это качественная и количественная характеристика действий материи или способности совершить эти действия. Гравитация, электрическая, магнитная энергия – это характеристики сил, объединяющих материю. Материя и поле, по сути, два неразделимых явления, по отдельности они существовать не могут. Одной из основных характеристик материи является масса тела. Масса тела – это характеристика, определяющая количество материи, содержащейся в этом теле.

Я считаю, что при таком определении деление массы на пассивную, активную, инертную не имеет смысла. В этом пункте я не согласен с формулой Эйнштейна: m = m₀/√1 – v²/c². Артуром Комптоном доказано, а опытами Вальтера Боте подтверждено, что количество материи в теле не зависит от скорости движения этого тела. При столкновении любых частиц, двигающихся с любой скоростью, закон сохранения импульса соблюдается. Эта формула Эйнштейна является результатом ошибочного мнения, что свет – это электромагнитные, нематериальные волны. Кинетическая энергия – это характеристика энергии движения материи. Сделаем небольшой обзор макро- и микромира на предмет определения материальности космических тел.

М. В. Ломоносов утверждал, что все вещества состоят из корпускул – молекул, которые являются «собраниями» элементов – атомов. Космические тела – звёзды, планеты, кометы астероиды, космическая пыль и пр. – всё это вещества, состоящие из молекул и атомов. Атомы состоят из ядра и электронов. Ядро атома состоит из протонов и нейтронов. Все эти космические тела и частицы атома имеют свои энергетические поля, измерены их массы. Значит, они материальны. Следовательно, и элементарные частицы, из которых состоят все материальные тела, тоже материальны и должны иметь свои энергетические поля.

Элементарные частицы материи

Общие сведения

Элементарные частицы в точном значении этого термина – первичные, далее неразложимые частицы, из которых, по предположению, состоит вся материя. Существование элементарных частиц физики обнаружили при изучении ядерных процессов, поэтому вплоть до середины XX в. физика элементарных частиц была разделом ядерной физики. В настоящее время физика элементарных частиц и ядерная физика являются близкими, но самостоятельными разделами физики, объединенными общностью многих рассматриваемых проблем и применяемыми методами исследования. Главная задача физики элементарных частиц – это исследование природы, свойств и взаимных превращений элементарных частиц. Открытие элементарных частиц явилось закономерным результатом общих успехов в изучении строения вещества, достигнутых физикой в конце XIX в. Оно было подготовлено всесторонними исследованиями оптических спектров атомов, изучением электрических явлений в жидкостях и газах, открытием фотоэлектричества, рентгеновских лучей, естественной радиоактивности, свидетельствовавших о существовании сложной структуры материи. В 60–70-е гг. физики были совершенно сбиты с толку многочисленностью, разнообразием и необычностью вновь открытых субатомных частиц. Казалось, им не будет конца. Совершенно непонятно, для чего столько частиц? Являются ли эти элементарные частицы хаотическими и случайными осколками материи? Или, возможно, они таят в себе ключ к познанию структуры Вселенной? Развитие физики в последующие десятилетия показало, что в существовании такой структуры нет никаких сомнений. Понятие «элементарные частицы» сформировалось в тесной связи с установлением дискретного характера строения вещества на микроскопическом уровне. Обнаружение на рубеже XIX–XX вв. мельчайших носителей свойств вещества – молекул и атомов – и установление того факта, что молекулы построены из атомов, впервые позволило описать все известные вещества как комбинации конечного, хотя и большого, числа структурных составляющих – атомов. Выявление в дальнейшем наличия составных слагающих атомов – электронов и ядер, – установление сложной природы ядер, оказавшихся построенными всего из двух типов частиц (протонов и нейтронов), существенно уменьшило количество дискретных элементов, формирующих свойства вещества, и дало основание предполагать, что цепочка составных частей материи завершается дискретными бесструктурными образованиями – элементарными частицами.

История открытия «элементарных частиц»

Представление о том, что мир состоит из фундаментальных частиц, имеет долгую историю. Впервые мысль о существовании мельчайших невидимых частиц, из которых состоят все окружающие предметы, была высказана за 400 лет до н. э. Автором этого заявления был греческий философ Демокрит. Он назвал эти частицы атомами, то есть неделимыми частицами. Главным достижением философии Демокрита считается развитие им учения об атоме – неделимой частице вещества, обладающей истинным бытием, не разрушающейся и не возникающей из ничего. Он описал мир как систему атомов в пустоте, отвергая бесконечную делимость материи, постулируя не только бесконечность числа атомов во Вселенной, но и бесконечность их форм (идей, είδος – «вид, облик», материалистическая категория, в противоположность идеалистическим идеям). Атомы согласно этой теории движутся в пустом пространстве (Великой пустоте, как говорил Демокрит) хаотично, сталкиваются и вследствие соответствия форм, размеров, положений и порядков либо сцепляются, либо разлетаются. Образовавшиеся соединения держатся вместе и таким образом производят возникновение сложных тел. (Какая прозорливость!!! Это за 400 лет до н. э.! Сейчас 2022 г., но и сейчас ещё люди не полностью знают о свойствах кванта.) Движение же – свойство, естественно присущее атомам. Тела – это комбинации атомов. Разнообразие тел обусловлено как различием слагающих их атомов, так и различием порядка сборки, как из одних и тех же букв слагаются разные слова. Только в начале XIX в. наука начала использовать представление об атомах, когда на этой основе удалось объяснить целый ряд химических явлений. В 30-е гг. XIX в. в теории электролиза, развитой М. Фарадеем, появилось понятие «иона» и было выполнено измерение элементарного заряда. Конец XIX в. ознаменовался открытием явления радиоактивности (А. Беккерель, 1896 г.), а также открытиями электронов (Дж. Томсон, 1897 г.) и б-частиц (Э. Резерфорд, 1899 г.). В 1905 г. в физике возникло представление о квантах электромагнитного поля (М. Планк, А. Эйнштейн). В 1911 г. было открыто атомное ядро (Э. Резерфорд) и окончательно было доказано, что атомы имеют сложное строение. В 1919 г. Резерфорд в продуктах расщепления ядер атомов ряда элементов обнаружил протоны. В 1932 г. Дж. Чедвик открыл нейтрон. Стало ясно, что ядра атомов, как и сами атомы, имеют сложное строение. Возникла протон-нейтронная теория строения ядер (Д. Иваненко и В. Гейзенберг). В том же 1932 г. в космических лучах был открыт позитрон (К. Андерсон). Позитрон – положительно заряженная частица, имеющая ту же массу и тот же (по модулю) заряд, что и электрон. Существование позитрона было предсказано П. Дираком в 1928 году. В эти годы были обнаружены и исследованы взаимные превращения протонов и нейтронов и стало ясно, что эти частицы также не являются неизменными элементарными «кирпичиками» природы. Японский физик-теоретик Хидэки Юкава в 1934 г., в возрасте двадцати семи лет, создал свою мезонную теорию и предсказал заряженные мезоны, а в 1938 г. вместе со своим учеником Сёити Сакатой (1911–1970), исходя из зарядовой независимости ядерных сил, предсказал существование нейтральных мезонов. В 1947 г. Сесил Ф. Пауэлл обнаружил частицу Ю с помощью ионизационной камеры, помещенной на больших высотах. Почти наверняка он не был знаком с работой Сакаты, но, похоже, ему была известна двухмезонная гипотеза, предложенная Робертом Е. Маршаком и Хансом А. Бете в 1947 г. В 1948 г. мезоны были искусственно получены в лаборатории Калифорнийского университета в Беркли. За эти работы Юкава в 1949 г., после открытия пи-мезонов американским учёным, первым среди японских ученых получил Нобелевскую премию. Пионы (то есть р-мезоны) по современным представлениям осуществляют взаимодействие между нуклонами в ядре. В последующие годы число вновь открываемых частиц стало быстро расти. Этому способствовали исследования космических лучей, развитие ускорительной техники и изучение ядерных реакций. В настоящее время известно около 400 субъядерных частиц, которые принято называть элементарными. Подавляющее большинство этих частиц являются нестабильными. Исключение составляют лишь фотон, электрон, (позитрон), протон и нейтрино. Все остальные частицы через определенные промежутки времени испытывают самопроизвольные превращения в другие частицы. Нестабильные элементарные частицы сильно отличаются друг от друга по временам жизни. Наиболее долгоживущей частицей является нейтрон. Время жизни нейтрона порядка 15 мин. Другие частицы «живут» гораздо меньшее время. Например, среднее время жизни м-мезона равно 2,2^10-6 с., нейтрального р-мезона – 0,87 · 10^-16 с. Многие массивные частицы – гипероны – имеют среднее время жизни порядка 10^-10 с. Существует несколько десятков частиц со временем жизни, превосходящим 10^-17 с. По масштабам микромира это значительное время. Такие частицы называют относительно стабильными. Большинство короткоживущих элементарных частиц имеют времена жизни порядка 10^-22—10^-23с. Способность к взаимным превращениям – это наиболее важное свойство всех элементарных частиц. Элементарные частицы способны рождаться и уничтожаться (испускаться и поглощаться). Это относится также и к стабильным частицам с той только разницей, что превращения стабильных частиц происходят не самопроизвольно, а при взаимодействии с другими частицами. Примером может служить аннигиляция (то есть исчезновение) электрона и позитрона, сопровождающаяся рождением фотонов большой энергии. Может протекать и обратный процесс – рождение электронно-позитронной пары, например, при столкновении фотонов достаточно большой энергией с ядром атома, с протоном или с другим солидным для фотона препятствием. Такой опасный двойник, каким для электрона является позитрон, есть и у протона. Он называется антипротоном. Электрический заряд антипротона отрицателен. В настоящее время античастицы найдены у всех частиц. Античастицы противопоставляются частицам потому, что при встрече любой частицы со своей античастицей происходит их аннигиляция, то есть обе частицы исчезают, превращаясь в кванты излучения. Я замечу, что это происходит не всегда. Для аннигиляции необходимо создать определённые условия. Ведь не аннигилируют в протоне электроны и позитроны?! Не аннигилируют. Они прекрасно совмещаются, создав при этом самую устойчивую крупную частицу – протон. Так какая же из трёх стабильных частиц является элементарной? Нейтрино? Нет, нейтрино не имеет электрического заряда, а частица должна иметь заряд. Электрон? Возможно, но при столкновении электрона с позитроном происходит реакция аннигиляции, при которой электрон и позитрон распадаются на гамма кванты (фотоны). Остаётся одна кандидатура, удовлетворяющая всем требованиям элементарной частицы. Это ФОТОН.