Введение.
Прежде всего, проанализируем само понятие элементарного объекта и обсудим различные критерии элементарности. Подобный анализ особенно актуален в настоящее время, когда число частиц, называемых элементарными, достигло несколько сот. Далее кратко остановимся на характеристике основных экспериментальных и теоретических данных о структуре микрочастиц.
V.Проблема Элементарного.
В V в. до н. э. Анаксагор, по – видимому, первым высказал мысль о бесконечной делимости материи. Он представлял мир как совокупность бесконечного числа частиц – «гомеомерий» (подобочастных), каждая из которых в свою очередь состоит из неисчерпаемо огромного количества более мелких «гомеометрий» и т. д. без конца. При этом каждая из этих частиц содержит в себе свойства Вселенной, она «бесконечно велика» и, подобно целому, заключает в себе все существующее и сущее не просто бесконечно, но бесконечно бесконечно.
Иная точка зрения сформулирована, в учении Демокрита, считавшего, что мир состоит из бесконечного числа вечных, абсолютно неделимых, изначально простых частиц – атомов вещества и амеров – атомов пространства. Неисчерпаемое богатство свойств окружающего мира в такой картине реализуется благодаря бесконечному количеству различающихся по своим свойствам атомов (пирамидальных, круглых, гладких, крючковатых и т. д.), которые в силу присущей им твёрдости и непроницаемости определяют предел физической делимости вещества. Между атомами может быть лишь пустота.
Атом Демокрита – это не точка, а протяжённое тело, которое нельзя механически разделить на компоненты, но внутри которого мысленно можно всё же выделить различающиеся между собой части: верх, низ, правое, левое, середину и т.д. Эти минимальные пространственные части, или амеры, представляют собой «истинное неделимое», лишённое каких бы то ни было частей, не имеющие ни верха, ни низа, ни правой, ни левой стороны. Из амеров (квантов пространства, если говорить сегодняшним языком) состоит пустота, из различного числа амеров слагаются большие и малые атомы вещества. С современной точки зрения именно амеры («бесчастные»), они протяжённые атомы следовало бы рассматривать в качестве наипростейших элементов мира. Учение Демокрита было вершиной натурфилософских представлений о материальном превосходстве мира.
Острая критическая ситуация возникла на рубеже XIX и XX веков, когда выяснилось, что по крайней мере часть массы электрона связана с его электромагнитным полем, а в теоретических работах А. Пуанкаре и А. Эйнштейна было установлено взаимно однозначное соответствие между массой и энергией. Значительная часть учёных, не различавших до этого понятий массы, вещества и материи, восприняли эти результаты как доказательство исчезновения материи, как «растворение» её в электромагнитном поле и энергии. Отсюда делался вывод о крахе материалистической картины мира и экспериментальном доказательстве идеальной первоосновы мира.
- Какой объект можно назвать «самым элементарным».
На протяжении всей истории развития науки независимо от того, принималась ли в качестве элементарного некая материальная субстанция или исходными элементами бытия считались некие чувственные «сущности» и «первичные идеи», - во всех случаях элементарное всегда понималось как то основное, неизменное и первичное, «из чего состоят все вещи, из чего как первого они возникают и во что как в последние они, погибая, превращаются»; при этом элементарное представляет собой «предельные части, на которые делимы тела, в то время как сами эти части уже неделимы на другие, отличающиеся от них по виду… Но если они и делятся, то получаются одного с ними вида части».
В течение длительного времени за наинизший известный уровень организации материи принимались атомы химических элементов, хотя уже открытие Д. И. Менделеевым периодического закона наталкивала на мысль, что в природе должно быть что – то ещё более элементарное, свойствами которого и объясняется этот закон. Первая элементарная частица была открыта Дж. Томсоном лишь в самом конце XIX века. В начале нашего века опыты Э. Резерфорда обнаружили сложную структуру атома, а вскоре было установлено, что и ядро атома в свою очередь имеет сложное внутренние строение. В начале 30 – х годов были уже 5 частиц, входящих в состав атома и его ядра или принимающих участие во внутри атомных взаимодействиях: фотон, электрон – позитронная пара, протон и нейтрон. К настоящему времени число таких частиц достигло уже несколько сот и продолжает быстро возрастать. Оказалось, что свойства этих субъядерных частиц не проще, а, наоборот, сложнее, чем у атома и его ядра. Некоторые частицы – это ультракороткоживущие, почти эфемерные[5] образования со временем жизни, в течение которого частица успевает пролететь лишь расстояние, равное радиусу ядра; другие частицы оказались неожиданно очень тяжёлыми, даже тяжелее некоторых атомов. Для описания частиц потребовались совершенно новые понятия: спин[6], гиперзаряд, барионное и лептонное числа и т.д. Эксперимент показал, что субъядерный уровень необычайно бога и разнообразен.
Помимо того, что все открытые частицы участвуют в субъядерных взаимодействиях, они обладают ещё одним общим свойством. Попытки выделить среди них какие – то «более элементарные» объекты, из которых можно было бы построить все остальные, окончились неудачей. Оказалось, что каждая такая частица состоит сразу из всех других. С точки зрения критерия относительности простоты эти частицы в равной степени элементарны. В целом совокупность субъядерных частиц, образно говоря, напоминает некую многомерную сферу, где нет ни первого, ни последнего элемента и где каждый элемент связан со всеми остальными.
Правда, недавние исследования внесли важную поправку в эту картину. Выяснилось, что среди субъядерных частиц имеются такие, которые следует рассматривать как возбуждённые состояния других частиц. Так, семейство J/y - частиц представляет собой спектр («лестницу») возбуждённых состояний, в котором высшие состояния переходят в низшие, с меньшим массами, путём распадов. Другим аналогичным примером является семейство e - частиц, члены которого также связаны между собой цепочками последовательных распадов.
Если исключить возбуждённые частицы – состояния, которые естественно считать более сложными объектами, чем соответствующие им основные невозбужденные частицы – состояния, то даже в тех случаях, когда происходит распад частицы, нельзя говорить о том, что конечные частицы являются более элементарными, чем распавшаяся, а тем более утверждать, что конечные частицы входили в состав исходной. Это было бы верно, если бы энергия связи (дефект масс) была значительно меньше масс участвующих в реакции частиц, а частицы – компоненты не теряли бы своей индивидуальности внутри образуемого ими целого, подобно тому, как это имеет место в атоме, в атомном ядре и во всех макроскопических объектах.
К группе элементарных относят в настоящее время все частицы, которые нельзя рассматривать как возбуждённые состояния других частиц любые возможные распады которых, как реальные, так и виртуальные происходят с дефектом масс.
В тоже время трудно возразить Н. И. Степанову, когда он отмечает, что «многочисленные известные сегодня микрочастицы не потому являются элементарными, что не допускают «деления» ни по какому признаку, что они «наиболее просты» а потому, что в рамках современных представлений все они, несмотря на различие свойств, могут рассматриваться как принадлежащие к одному качественно – специфическому уровню, определяющему предметную область физики элементарных частиц». Специфическою особенностью этого уровня по сравнению со всеми выше стоящими как раз и является большой дефект масс, уничтожающий индивидуальность объединяющихся частиц.
В литературе иногда обсуждаются другие критерии установления «степени элементарности», которые, по мнению их авторов, являются более универсальные. Например, Б. Я. Пахомов предлагает считать более элементарной ту частицу, «с которой связано меньшее число качественно различных форм движения», и более сложной ту, «которая включает в себя большее число форм движения». Развивая эту идею, П. М. Румлянский приходит к выводу о том, что «более элементарными при этом будут частицы нейтрина и фотон, способные вступать только одно взаимодействие … Нейтрино способен вступать в слабое, тогда как фотон – в электромагнитное взаимодействие. Более сложным… считается электрон, способный к вступлению как в слабое так и в электромагнитное. Ещё более сложные … p-мезоны … ». однако подобный подход трубно провести последовательно, так как, согласно современным представлениям, при высоких энергиях частицы должны участвовать во всех типах взаимодействия – электромагнитном, сильном[7] и слабом[8], различие которых при этом становится уже не столь существенным, как при низких энергиях; если же не принимать во внимание всей области энергии то пришлось бы, например, признать электрически нейтральную частицу p - мезон более элементарной чем p+ и p- - мезоны, хотя эти частицы являются зарядовыми состояниями одного и того же изомультиплета[9].