2.4. Физическая (квантово-полевая) теория

В конце 19 и начале 20 столетия в естествознании были сделаны крупнейшие открытия, которые коренным образом изменили представления о картине мира. Эти открытия связаны со строением вещества и взаимосвязи вещества и энергии. В конце прошлого столетия были открыты электроны, входящие в состав атомов. Изучено строение ядра атомов, состоящее из протонов (положительно заряженных частиц) и нейтронов (лишенных заряда). Первым ученым, который это доказал, был советский физик Д.Д. Иваненко (1932 г.). Модель строение атома английского ученого Э.Резерфорда (1871–1937) была усовершенствована датским физиком Нильсом Бором (1885–1962), который предположил, что при вращении электронов по стационарным орбитам, электроны не излучают энергию. Энергия излучается ими или поглощается в виде кванта только при переходе электрона с одной орбиты на другую.

Одновременно с Н. Бором теорию деления атомных ядер разработал в 1939 г. известный советский физик Я.И. Френкель. Вслед за этим ученики Семенова, основателя советской школы, Я.Б. Зельдович, Ю.Б. Харитон исследуя цепные реакции рассчитали условия, необходимые для осуществления цепного процесса в ядре урана. Дело в том, что в ядрах урана много одноименно заряженных протонов, они находятся на грани неустойчивости. Под влиянием этой неустойчивости то одно, то другое ядро урана само делится на осколки, при этом возникают свободные нейтроны, способные вызвать цепной процесс при соответствующих условиях. Работы советских физиков В.И. Векслера и Г.И. Будкера позволили создать мощные ускорители заряженных частиц до 1000 Гэв типа фазотрона, синхрона, синхротрона и синхрофахотрона.

В 1940 г. ученики И.В. Курчатова Г.Н. Флеров и К.А. Петржак произвели серию очень точных исследований, доказавших наличие самопроизвольного деления ядер урана. В 1963 г. группа геофизиков атомщиков под руководством Г.Н. Флерова получила изотопы элементов 102, 103, 104, 105.

В 30-е годы 20 столетия было сделано другое важное открытие, которое показало, что элементарные частицы вещества, например электроны, обладают не только корпускулярными, но и волновыми свойствами. Был сделан вывод, что между веществом и полем не существует резких границ. Де Бройль в 1924 г. установил соотношение между частотой и энергией (волны и частицы). Он полагал, что частицы, и в частности электроны, должны обладать некоторыми волновыми характеристиками. В атомных явлениях электрон не подчиняется законам классической механики. Каждое электромагнитное излучение с любой длиной волны и каждая частица вещества с любой массой имеют двойные качества (волновые и корпускулярные).

В 1934 г. И.Е. Таммом и Д.Д. Иваненко впервые была объяснена природа ядерных сил и составлены их основные характеристики. Они первые доказали, что силы могут быть не только обменными, согласно которым взаимодействие двух заряженных частиц осуществляется посредством квантов, испускаемых и поглощаемых этими частицами. Они пришли к выводу, что электромагнитное поле возникает в результате взаимодействия промежуточных частиц. Нейтрон, испустив отрицательный электрон, становится протоном, а протон, поглотив отрицательный электрон, становится нейтроном.

Таким образом, был установлен закон, что материя из ничего не возникает и не исчезает бесследно. Она только переходит из одной формы в другую. Например, протон можно получить в результате столкновения нейтрона и П-мезона или Лямбда-гиперона и К-мезона, но это не означает, что в структуру всех этих частиц входит протон. Из этого следует, что одни частицы способны превращаться друг в друга, порождать друг друга при различных процессах взаимодействия.

В определенных условиях элементарные частицы вещества обнаруживают волновые свойства, а частицы поля – свойства корпускул. Это явление получило название «дуализма волны и частиц». Так сложились новые квантово-полевые представления о материи. Одной из основных особенностей элементарных частиц является их универсальная взаимозаменяемость и взаимопревращаемость. Эта теория послужила основной для развития квантовой механики.

Другой фундаментальной теорией, которая была использована для разработки теории физической картины была теория относительности, в корне изменившая научное представление о пространстве и времени. По теории относительности все движения, происходящие в природе, имеют относительный характер. Это означает, что в природе не существует никакой абсолютной системы отсчета, которую допускала ньютоновская механика.

Была создана общая теория относительности, теория тяготения, принципиально отличная от прежних теорий. Эта теория впервые установила четкую связь между движущимися материальными телами и их пространственно временной метрикой. Согласно этой теории, луч света, идущий от далекой звезды и проходящий вблизи Солнца, должен отклониться от своего прямолинейного пути и искривиться, что и было подтверждено наблюдениями. Общая теория относительности доказала, что формой существования материи является движение, пространство и время, а также тесная связь между материальными телами и физическими полями.

В современной физической картине мира сложилась новая «квантово-полевая теория существования материи», которая определяется как корпускулярно-волновой дуализм – наличие у каждого элемента материи свойств волны и частицы. Одной из основных особенностей элементарных частиц является их универсальная взаимозависимость и взаимопревращаемость. В кванто-полевой теории о материи все физические взаимодействия между частицами материи представлены в виде гравитационных и электромагнитных волн разной интенсивности.

«Многие западные физики, находясь на позиции идеализма, пытаются доказать, что масса и энергия эквивалентны, в том смысле, что масса может превратиться в энергию и наоборот» (Дж. Амальди). Поводом для неправильного утверждения о превращении энергии в массу и наоборот послужило то, что физики рассматривали электромагнитные излучения, а также другие виды полей как чистую энергию, лишенную каких-либо материальных характеристик.

Однако, как показали исследования советских ученых, электромагнитное излучение характеризуется не только энергией. Кванты света или гамма-излучение обладают массой электромагнитной природы. Электромагнитное поле является особым видом материи, таким же равноправным, как и вещество. Поэтому превращение пары частиц (электрона и протона) в гамма-кванты не означает превращение вещества в энергию, а является превращением одной формы материи – частиц, в другую форму материи – кванты гамма-излучения (электромагнитное поле), обладающую электромагнитной массой. При этом масса и энергия двух исчезающих элементарных частиц превращается в массу и энергию, возникающую в гамма-квантах.

Крушение прежней механистической системы взглядов на природу идеалистически настроенные ученые выдают за крушение материализма. Они основываются на невозможности однозначного описания движений микрообъекта в несвойственных ему понятиях «координат и импульса». В результате они делают выводы об отсутствии причинно-следственных связей в движении микрообъектов.

Какими бы странными не казались нам вновь открытые свойства тех или иных микрообъектов, какими бы необычайными ни были их движения, это ни в коем не влечет за собой никаких идеалистических выводов. Электрон оказался не точкой и не шариком, а бесконечно более сложным объектом. Он действительно, как писал В.И. Ленин, «так же неисчерпаемый, как и атом», но это не дает нам право отрицать его объективное, независимое от наших наблюдений и измерений существование, а также отрицание закономерностей в его движении и взаимодействии. Нельзя отрицать возможность познания наукой этих законов и связей. В физике не привыкли к тому, чтобы исследуемые ими объекты сочетали в себе противоположные свойства. Для материалистической диалектики единство и их противоположные свойства уже давно являются азбучной истиной. Раскрытие двойственной корпускулярно-волновой природы микрообъектов явилось еще одним актом торжества материалистической диалектики в области физики.

Проблема изучения сосуществования этих свойств и их непрерывного взаимодействия внутри микрообъектов стоит перед наукой и возрастает по мере проникновения в недра элементарных частиц, изучения их структуры и взаимодействия со средой. Область фундаментальных исследований строения материи называется физикой высоких энергий. Полученные в ускорителе управляемые пучки быстрых частиц оказались единственным подходящим инструментом для исследования состава и устройства ядерных частиц. Для этого используется энергия в десятки, сотни и даже тысячи гигаэлектрон-вольт (ГэВ). Единица ГэВ равна 10⁹ эВ (С.Х. Карпенков, 1997).

Создание квантово-полевой теории существования материи было настоящей революцией в астрономии при изучении электромагнитных излучений всех частот от различных космических объектов. В результате сделаны первые шаги в нейтронной астрономии, обнаружены гравитационные волны от взрывающихся звезд.

Большие успехи достигнуты в изучении магнитных полей и плотности газа в межзвездной среде, которые стали возможны благодаря развитию ракетно-космической техники. Благодаря научно-технической революции в изучении теории существования материи в астрономии наступила новая эра. Астрономия, прежде всего, стала «волновой», что в огромной степени увеличило её возможности. Огромное значение имеют исследования взаимосвязи между звездами и межзвездной средой, включающие проблемы непрерывного образования звезд из концентрирующейся звездной среды.

Благодаря раскрытию двойственной корпускулярно-волновой природы материи стало возможным объяснение появления ударных волн в солнечном ветре при прохождении через магнитосферу Земли после вспышек на Солнце. Аналогичному воздействию подвергается солнечная система, при вращении вокруг галактического ядра (созвездие Стрельца). Галактический ветер корпускулярно-волновой природы формирует ударные волны при пересечении Солнцем секторной структуры межзвездного магнитного поля.