Әлемнің механикалық және электромагниттік картинасы

Материя ұйымдасуының құрылымдық деңгейлері

Зат және өріс

Элементарлық бөлшектер классификациясы

ӘЛЕМНІҢ МЕХАНИКАЛЫҚ ЖӘНЕ ЭЛЕКТРОМАГНИТТІК КАРТИНАСЫ

Ғылым тарихы XVI-XVII ғасырлардағы ғылыми революциялар арқылы пайда болған жаратылыстану — физика ғылымының дамуымен тығыз байланысты екендігін дәлелдейді. Физика ғана бүгінгі күнде ең дамыған, жүйелі түрде дамып келе жатқан жаратылыс ғылымы болып есептеледі.

Әлемнің физикалық картинасы бір жағынан, табиғат туралы бұрынғы алынған білімді қорытындыласа, екінші жағынан физика ғылымына жаңа философиялық идеялар мен жаңа түсініктерді, жаңа принциптер мен гипотезаларды енгізеді, бұның өзі әлемнің картинасы-ның өзгеріп отыратындығын көрсетеді.

Физика ғылымының дамуы — әлемнің физикалық картинасымен тығыз байланысты. Оның өзгерісімен физика дамуында басқа жаңа түсініктер, принциптер, болжамдар мен ойлау стилінің жүйесі қалыптасқан жаңа кезеңге байланысты. Ал бір кезеңнен келесі кезеңге ауысу — физика ғылымындағы жаңа революцияларға, әлемнің ескі картинасының біртіндеп күйреуіне әкеліп соғады.

Физика дамуының әрбір кезеңдерінің барысында әлемнің физика-лық картинасы эволюциялық жолмен біртіндеп дамып отырады. Әлемнің физикалық картинасындағы негізгі ортақ ғылыми уғым ол -«материя», буған физика ғылымының көптеген мәселелері келіп тіреледі. Сондықтан, материя туралы түсініктің ауысуы — әлемнің физикалық картинасының ауысуына әкеледі. Физика тарихында бұндай жағдай екі рет қайталанды. Алғашында материя құралы атомистикалық, корпускулярлық теория өрістік-континуальдық теориямен алмасты. Одан соң XX ғасырда континуальдық теория қазіргі кванттық тео-риямен ауысты. Соған байланысты әлемнің физикалық картинасының бірін-бірі алмастырған үш түрін қарастыруға болады.

Әлемнің механикалық картинасы ХЛ-Х/ІІ ғасырларда ежелгі фи-лософтардың атомистік көзқарастарын қарастырған Г.Галилей мен П.Гассендидің еңбектерінің, әлемнің физикалық картинасы туралы жаңа түсініктер мен принциптерді ұсынған Декарт пен Нютонның зерттеулерімен тығыз байланысты.

Әлемнің механикалық картинасының негізін қүраған атомизм тео-риясы болды, ал негізгі түсінік — қозғалыс туралы түсінік болды. Қозғалыс заңдарын Ньютон әлем дамуының іргелі заңдары ретінде санады.

Галилейдің «егер дене қозғалысына еш нәрсе әсер етпесе, ол қозғалыс шексіз үзақ уақыт бойында сақталады» деген тәжірибесінің қорытындысы (Галилео Галилей «Әлемнің екі негізгі жүйелері — птоломейлік және коперниктік жүйелердің диалогы», 1632 жыл) Ньютонның классикалық механикасына негіз болды (қозғалыстың үш заңын еске түсірейік). 1686 жылы Исаак Ньютон Лондон корольдығына өзінің «Табиғат философиясының математикалық бастамалары» еңбегін үсынды, онда ол қозғалыстың негізгі заңдарын, бүкіл әлемдік тарты-лыс заңын, масса, инерция, үдеу туралы ұғымдарды баяндады, Гали-лей еңбектеріне байланысты поляк ғылымы Н.Коперниктің «Аспан әлемінің айналымы туралы» еңбегі 30 жылдық зерттеу нәтижесі ретінде жарық көрді.

Әлемнің механикалық картинасында кез келген қүбылыс механи-калық заңдар арқылы қатаң түрде анықталып отырды. XVIII ғасырдың аяғында, XX ғасырдың басында әлемнің механикалық картинасының негізінде жер, аспан және молекулалық механикасы жасалды. Бұның өзі әлемнің механикалық картинасын абсолютті түрде, жан-жақты қарастыруға жол берді.

Сонымен бірге, уақыт өткен сайын физикада әлемнің механикалық картинасына қайшылықты эмпирикалық мәліметтер шықты. мысалы: жарық құбылыстарын түсіндіру үшін эфир түсінігін — ерекше жұқа әрі абсолютті үздіксіз материя қарастырыла бастады.

XIX ғасырда механикалық әдістемелер жылу қүбылыстарына, электрге және магнитизмге таралды. Бұл құбылыстарға механикалық тәсіл оншама қатысты болмағанмен, тәжірибелік фактілер әлемнің механикалық картинасына жасанды түрде енгізілді. Эфирдің атомдық жобасын жасау XX ғасырға дейін созылды. Физика ғылымы материя туралы уғымның заттай өзгеруін, әлемнің физикалық картинасының өзгеріске түсуін қажет етті.

Электрлік және магниттік қубылыстарды ұзақ уақыт бойында зерттей келе Майкл Фарадей материя туралы корпускулалық теорияны континуальдық теориямен, яғни үздіксіздік теориясымен алмастыру керек деген ойға келді.

Фарадей көзқарастарын жақтаушылардың бірі көрнекті ағылшын физигі және математигі Джеймс Максвелл болды. Оның электромагне-тизм теориясында электр мен магнетизмнің органикалық байланысы анықталды. Ертеректе Фарадей ашқан идеяларды негізге ала отырып, Максвелл электромагниттік өріс уғымын енгізді.

Өзіне дейінгі тәжірибелік жолмен ашылған электромагниттік қубылыс заңдары мен М.Фарадей ашқан электромагнетизм индукциясы құбылысын біріктіріп, тужырымдап, Максвелл таза математикалық әдіспен электромагниттік өрісті өрнектейтін дифференциалды теңдеулер жүйесін тапты. Бул теңдеулер жүйесі электромагниттік қубылысты өз шамасында барынша толық өрнектейді және ньютондық механика жүйесі сияқты толық та жетілген жаңа теорияны сипаттайды. Осы теңдеулерден электрлік зарядтарға «байланбаған» өрістің жеке өмір сүру мумкіншілігі болуы керек деген маңыз-ды тужырымдама шығады.

Максвелл теориясы бойынша әрбір зарядталған үсақ бөлшек өріспен көрінбейтін жиекпен қоршалған, ол жақын маңайда орналасқан басқа зарядталған бөлшектерге әсер етеді, басқаша айтқанда, заряд-талған бір бөлшектің өрісі басқа бөлшектерге біршама кушпен әсер етеді. Әсер ету табиғатына мундай көзқарастар тартуды кеңістікпен бөлінген массалар арасындағы тікелей өзара әсер етудің күші деп есептейтін ньютондық тужырымдамадан айрықша ерекшеленеді. Максвелдің теориясында кеңістіктің берілген нүктесіне орналастырылған бөлшектің қозғалысы куштік сипатпен — осы нүктедегі кернеу күшімен анықталады.

Максвелдің электромагниттік өріс теориясы физика мен жараты-лыстануда жаңа кезеңнің басталуын анықтады деуге болады. Физика-ның дамуының дәл осы кезеңінде электромагниттік өріс өмір шындығына, өзара әсердің материалдық сақтаушысына айналды. Әлем бірте-бірте электрлі зарядталған бөлшектерден құрылған, электромагниттік өріс аркылы өзара әсерлесетін электродинамикалық жүйе болып ұғыныла бастады.

Өз теңдеулерін талдай келе, Максвелл электромагниттік толқындар деп аталатын толқындар болуы керек деген қорытындыға келді және олардың таралу жылдамдығы жарықтың жылдамдығымен бірдей екендігін есептеп шығарды. Осыдан келіп жарық дегеніміз элек-тромагниттік толқындардың бір түрі деген қорытынды шығады.

XX ғасырдың басында материя туралы екі қарама-қарсы көзқарас пайда болды: ол шексіз түрде үздіксіз беріледі немесе ол дискреттік бөлшектерден турады. Физиктер осы екі көзқарасты біріктіруге тырысқанымен, ол ешқандай нәтиже бермеді.

1913 жылы Н.Бор атомның жобасын усынғаннан кейін бұл жағдай одан ары күрделене түсті. Ол ядроны айнала қозғалатын электрон электродинамиканың заңдарына кереғар түрде знергия бөліп шығармайды деді. Бул жағдай материя мен қозғалыс туралы жаңа физикалық түсініктердің қалыптасуына әсерін тигізді. 1924 жылы Луи де Броиль әрбір бөлшектің өз толқындық қасиеті (үздіксіздік) және дискреттік қасиеті (кванттылық) бар деген пікір айтты. Бул түсініктер Э.Шредингер мен В.Гейзенбергтің еңбектерінде де атап көрсетілді.

Сонымен, материя туралы жаңа, кванттық-өрістік түсініктер қалыптаса бастады, яғни мунда корпускулалық-дуалистік сипат әр материя белшегінің өзіндік толқындық қасиеті болатындығы айқындалды. Материяның өзгермейтіндігі туралы түсініктер өзгерді.

Элементаралық бөлшектердің негізгі ерекшеліктерінің бірі — олардың өзара байланыстылығы мен өзара айналымдылығы. Қазіргі физи-када негізгі материалдық объект түрге айналуы бөлшектер санына байланысты болады.

Физикалық әрекеттесудің жеке бір түрі болып саналатын қозғалыс туралы түсінік өзгере бастады. Физикалық әрекеттесудің негізгі төрт түрі бар екендігі белгілі: гравитациялық, электромагниттік, күшті және әлсіз.

Кеңістік пен уақыттың салыстырмалығы туралы түсінік толық бекіп, қалыптасты. Уақыт пен кеңістік бір-біріне салыстырмалылық теориясы бойынша тәуелді емес.

Заңдылық пен себептілік туралы кванттық-өрістік түсініктердің ерекшелігі — олар мүмкіндік турғысынан қарастырылатын статистика-лық заңдар түрінде беріледі.

 

МАТЕРИЯ ҰЙЫМДАСУЫНЫҢ ҚҰРЫЛЫМДЫҚ ДЕҢГЕЙЛЕРІ

Материяның негізгі сипаттары — құрылымдық және жүйелілік.

Материя құрылымы — дегеніміз — оның микроәлемдегі құрылысы, яғни оның молекула, атомдар, элементаралық бөлшектер түрінде өмір сүруі. Осы көзқарас бойынша материя қурылымы өзара байланысқан шексіз көп тутас жүйелердің өмір сүруі ретінде қарастырылады: Мета-галактика, жеке галактика, жүлдыздар жүйесі, планета, жеке денелер, молекулалар, атомдар, элементаралық бөлшектер.

Материяның қүрылымдық қасиетімен қатар, екінші бір жағы -жүйелілік. Жүйе дегеніміз — белгілі бір тәртіппен орналасқан және өзара байланысқан элементтер жиынтығы. Өлі табиғатта объектілер жиын-тығы олардың өзара байл+анысы энергиядан көп болған жағдайда толық жүйе болып қалыптасады. Ал басқаша жағдайда жүйе пайда болмайды, немесе тарап кетеді. Ішкі байланыстар энергиясы әрбір жүйе құраушы элементті жеке-жеке бөліп әкетуге жұмсалатын энергия.

Денелерде ішкі энергияның мәні әр түрлі болуы мүмкін. Материал-дық жүйе неғүрлым кіші болған сайын оның элементтері өте күшті байланысады. Ал элементарлық бөлшектерде байланыс энергиясы одан да жоғары.

Атом ядросында ең күшті ядролық күш жинақталған.

Тек микроәлем деңгейінде қазіргі кезде физиктер материя неден турады деген сүраққа жауап іздейді. Материя бөлінуінің шегі бар ма деген сурақ адамзатты бурыннан толғандырып келеді.

Ұзақ уақыт бойында атом ең белінбейтін бөлшек ретінде немесе біздің әлемдегі заттар мен құбылыстар қүрайтын «кірпіштер» есебінде саналып келді. Бірақ XX ғасырдың басына қарай бүлай емес екендігі белгілі болды. Алдымен электрон, одан кейін бірнеше түрлі элемент-аралық бөлшектер ашылды. Көптеген элементарлық бөлшектердің антибөлшектері, яғни теріс зарядты бөлшектері бар екен, электрондар-да — позитрон, протондарда — антипротон, нейтрондарда — антиней-трондар бар екен.

Заттар қарсы заттармен түйіскенде аннигиляция процессі жүреді немесе бөлшектер мен қарсы бөлшектер фотондар мен мезондарға айналады.

 

ЗАТ ЖӘНЕ ӨРІС

Жалпы материяның негізгі формалары ретінде зат пен өріс қарастырылады.

Зат түсінігі ретінде массасы тыныштық күйдегі әр түрлі бөлшектер мен денелерді қарастырылады. Ал өріс пен квантта импульс, энергия тағы басқа қасиеттері болғанымен, тыныштық күйі болмайды. Деген-мен өріс пен затты бір-біріне қарама-қарсы қоюға болмайды, өйткені өріс зат қүрылымына енеді. Сонымен қатар, затқа жататын бөлшектер өріс квантын құрайды.

Белшектер салыстырмалы түрдегі үздіксіздік және топ-тасқандықпен сипатталады, ал өріс болса кеңістікте біркелкі таралған.

Бул жағдайда өріс абсолютті континуальды орта болып санал-майды. Өріс кванттары зат бөлшектерімен дискретті қурылымдар ретінде әрекеттеседі. Зат бөлшектерін де микроскопиялық түрдегі шек-теулі шарик бейнесінде қарастыруға болмайды. Бөлшектер өрістен оқшауланбаған, олардың арасында нақты шекара жоқ,

Материя құрылымындағы үздікті және үздіксіз бірлікті сипттай ке-ле барлық зат бөлшектерінің корпускулалық және толқындық қасиеттерінің бірлігін еске устау керек. Микрообъектілер салыстырма-лы дискреттік арқылы өзара әсер мен қозғалыс кезінде толқындық қасиетке ие болады, ол дегеніміз дифракция және интерференция құбылыстарына қабілеттілік, оның өзі масса мен жылдамдыққа кері пропорционалды толқын ұзындығымен өлшенеді:

 

һ — Планк тұрақтысы, яғни әмбебап физикалық константалардың бірі (екіншісі — вакуумдағы жарық жылдамдығы).

Зат та, өріс те белгілі бір физикалық параметрлермен беріледі. Физика ғылымында өріс ұғымына материяның кеңістік пен уақытта өзіндік таралу формасын қарастырады: кеңістік-уақыттың кез келген бөлігінде материяны сипаттайтын параметрлердің белгілі бір саны болады. Мысалы, қозғалыстағы өріс (толқын) толқын узындығы, фаза, амплитуда параметрлерінің уақыт пен кеңістіктегі өзгерісімен сипатта-лады. Ал материяның басқа түрі — бөлшектер — басқа параметрлермен: спиндер, зарядтар, тыныштық күйдегі масса, тіршілік уақыты және кванттық сандармен сипатталады.

Бөлшектердің ең маңызды сипаттарының бірі — спин — қозғалыс шамасының өзіндік сәті. Классикалық механикада ондай бірлікті де-ненің айналымы сипаттайды. Физикада спин қосымша физикалық жағдайды қамтамасыз ететін, бөлшектердің ішкі еркіндігінің дәрежесі ретінде қарастырылады.

Бөлшектердің қасиеттері мен ерекшеліктері олардың спиндерінің бүтін немесе жарты мәнге ие болуына байланысты.

 

ЭЛЕМЕНТАРАЛЫҚ БӨЛШЕКТЕР КЛАССИФИКАЦИЯСЫ

Спиндердің маңызына байланысты элементаралық бөлшектерді екі топқа бөлуге болады. Жартылай спинді бөлшектерді фермиондар деп (атақты физик Фермидің құрметіне) атайды. Бұл бөлшектердің өзіндік қасиеттері бар: жартылай спинді бөлшектер физикалық жағдайлары әр түрлі болғанда ғана біріге алады. Бүл заң кванттық механикада Паули тосқауылы деп аталады.

Ал, бүтін санды спинді бөлшектер бозондар (тағы бір ірі физик Бозенің құрметіне) деп аталады. Оларға Паули тосқауылы таралмаған, олар кез келген санда бірге бола алады.

Бөлшектердің ондай екі топқа бөлінуінің терең мәні бар. Яғни, фермиондар өрісі үнемі квантталған күйде болады және классикалық шекке жеткен кезде бөлшектерге айналады. Мысалы, фермион болып саналатын электрон (спин саны  ге тең) классикалық шекке жеткен кезде нағыз бөлшектерге айналады, бірақ оларда толқындық қасиет сақталады. Бундай жағдай фермиондар болып саналатын протон, нейтрон және т.б. белшектерге де қатысты. Бозондар өрісі шегіне жеткен-де классикалық өріске айналады. Бозондық бөлшектердің бірі — фотондар (спин саны 1-ге тең) өз шегіне жеткен уақытта электромагниттік өріске (жарық, радиотолқындар) айналады.

Элементарлық бөлшектердің не бозондарға, не фермиондарға жататынын біле отырып, адамзатты көп уақыт бойы толғандырып келген «материя кірпіштері» туралы сұрақтарға жауап беруге болады. Қазіргі кездегі микро әлемде заттардың төрт деңгейін бөледі: молекулалық, атомдық, нуклондык, және кварктық. Енді қазір бесінші деңгей де қарастырылып жүр. Әр ашылған деңгейдің өзіндік сипаттары бар.

Ең қарапайым заттарды іздеу зерттеушілердің абсолютті элементарлық бөлшектердің болмайтынына көзін жеткізді, өйткені кез келген деңгейдегі элементаралық бөлшектердің өзіндік күрделілігі бар. Шартты түрде элементаралық бөлшектерге ішкі қурылымы анықталмаған, мөлшерлері өлшеуге келмейтін бөлшектерді жатқызады. Ондай бвлшектердің үш түрі бар: лептондар, кварктер және бозондар. Лептондар мен кварктер фермиондарға жатады.

Лептондар класы алты бөлшектен және алты қарсы бөлшектерден тұрады (электрон, мюон, тау-лептон және нейтринолар-дың үш түрі. Лептондар әлем құрылымында үлкен рөл атқарады. Әсіресе, электрон мен нейтриноның маңызы зор. Бірақ лептондар яд-ролық бөлшектер — нуклондардың пайда болуына қатыспайды.

Кварктар класы да лептондар класы сияқты алты бөлшектен және алты қарсы бөлшектерден тұрады. Физиктер әрбір кварктер типін аро-маттар деп атады.

Кварктар мен антикварктар екі немесе үш бөлшектерден топталып, қурама бөлшектерді — адрондарды түзеді.

Элементаралық бөлшектерді одан әрі жіктеген кезде оларды — үш кварктен құралатын бариондарға, кварк пен антикварктон туратын мезондарға бөлуге болады.

«Химиялық элемент» және «Элементаралық бөлшектер» түсініктері бір кезде оларды қарапайым және құрылымы жоқ деп қарастыратындықты дәлелдейді. Сонан соң ғалымдар әрбір деңгей үшін бөлінбейтін элемент дегеннен гөрі кварктер деген — ешқандай мағына бермейтін сөзді қолдана бастады.

1994 жылы американ ғалымдарының хабарлауына қарағанда ең ауыр кварк табылған