CC BY
39
УДК 53(091)
Novichihina T.I., Cand. of Sciences (Physics, Mathematics), senior lecturer, Altai State Pedagogical University (Barnaul, Russia),
E-mail: tnovichixina@mail.ru
THE TRANSFORMATION OF A CONCEPT OF "ELEMENTARY" IN THE SCIENTIFIC INFORMATION FIELD OF PHYSICS.
The article traces history of a concept of "elementary" and restores its contents in the process of expanding the scientific and information field. The work defines stages of systematization of knowledge about the elementary, the development of theoretical concepts of the particles associated with the concept. On the basis of systematization of knowledge on the history of physical science the author studies the filling of the information science field with new contents. The research substantiates the validity of the introduction of a scientific concept of elementary particles. The author gives reasons of transformation of scientific concepts in the different periods of development of fundamental science. For the first time the research indicates possible existence of an infinite sequence of structural components of matter. The work marks the opening value of the particle, which in its parameters resembles the Higgs boson for the development of the concept of "elementary".
Key words: elementary particles, elementary, scientific information field, picture of the world.
Т.И. Новичихина, канд. физ.-мат. наук, доц. Алтайского государственного педагогического университета,
г. Барнаул, E-mail: tnovichixina@mail.ru
ТРАНСФОРМАЦИЯ ПОНЯТИЯ «ЭЛЕМЕНТАРНОСТЬ» В НАУЧНО-ИНФОРМАЦИОННОМ ПОЛЕ ФИЗИКИ
В статье прослеживается история изменения понятия «элементарность», наполнение его сущности в процессе расширения научно-информационного поля. Выделены этапы систематизации знаний об элементарности, развития теоретических представлений о частицах, связанных с данным понятием. На основе систематизации знаний по истории развития физической науки проведено исследование наполнения новым содержанием научно-информационного поля. Обоснована правомерность введения научного понятия - элементарные частицы. Впервые указано на возможность существования бесконечной последовательности структурных составляющих материи. Отмечено значение открытия частицы, которая по своим параметрам напоминает бозон Хиггса для развития понятия «элементарность».
Ключевые слова: элементарные частицы, элементарность, научно-информационное поле, картина мира.
Ведя речь об элементарных частицах, невозможно пройти мимо вопросов, связанных с самим понятием элементарности. На первых порах элементарными считались частицы, у которых отсутствует внутренняя структура, то есть такие частицы, которые далее неделимы.
Элементарные частицы в точном значении этого термина - первичные, далее неразложимые частицы, из которых, по предположению, состоит вся материя. В понятии «элементарная частица» в современной физике находит выражение идея о первообразных сущностях, определяющих все известные свойства материального мира, идея, зародившаяся на ранних этапах становления естествознания и всегда игравшая важную роль в его развитии. Понятие «элементарная частица» сформировалось в тесной связи с установлением дискретного характера строения вещества на микроскопическом уровне. На протяжении почти двух тысяч лет фундаментальной частицей считался атом (по-гречески - «неделимый») [1, с. 67].
Конец XIX столетия трудами Дж. Томсона опроверг, казалось бы, вечную, истину. В 1897 году им была открыта частица, масса которой почти в две тысячи раз меньше массы самого лёгкого в природе атома - атома водорода.
Открытие электрона явилось закономерным результатом общих успехов в изучении строения вещества, достигнутых физикой. 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. Электрон -носитель отрицательного элементарного электрического заряда в атомах. Электроны входят в состав всех атомов, из которых состоят различные вещества.
Вторая элементарная частица - фотон, обязана своим появлением создателю квантовой теории (1900 г.) Максу Планку, который, высказав идею о квантовом характере излучения энергии, ввел в физику понятие кванта. Эта идея была успешно развита А. Эйнштейном, предположившим назвать световую частицу, несущую квант энергии, фотоном. Фотон не обладает зарядом, его масса покоя равна нулю, а импульс и энергия определяются частотой излучения.
Следующую частицу физики искали целенаправленно, будучи уверенными в ее существовании. Действительно, если в состав нейтрального атома входит отрицательный электрон, значит, в атоме должна содержаться и какая-то положительно заряженная частица, компенсирующая заряд электрона. От-
крыть эту частицу, названную протоном, удалось в 1919 году Э. Резерфорду. Осуществив первую в мире ядерную реакцию бомбардировкой а-частицами ядер азота, он получил на выходе протон.
Протон, как и ожидалось, заряжен положительно, причем величина заряда его равна заряду электрона, а масса протона в 1836 раз больше массы электрона. Появление протона вдохновило физиков на решение проблемы структуры ядер, где этой частице отводилась ведущая роль. Если с зарядом ядер стало все ясно - он определяется числом протонов, то с массой ядер вопрос остается открытым - требовалась частица (идея Резер-форда) с массой примерно равной массе протона и с нулевым зарядом.
В 1932 году ученик Резерфорда Дж.Чедвик, осуществляя расщепление металлического бериллия с помощью а-частицы, открыл частицу, не имеющую заряда и по массе примерно равную массе протона. Она получила название - нейтрон.
Открытие протонов и нейтронов привело к установлению сложной структуры ядер. Модель строения ядер, предложенная Д.Д. Иваненко и В. Гейзенбергом, предусматривала, что ядра всех атомов состоят всего из двух этих частиц, и поэтому получила название протонно-нейтронной. Использование названия «элементарные частицы» ко всем перечисленным имеет исторические причины и связано с тем периодом исследований (начало 30-х гг. 20 в.), когда единственно известными представителями данной группы были протон, нейтрон, электрон и частица электромагнитного поля - фотон. Эти четыре частицы тогда естественно было считать элементарными, так как они служили основой для построения окружающего нас вещества и взаимодействующего с ним электромагнитного поля, а сложная структура протона и нейтрона не была известна.
Но прежде чем решать задачу по выявлению сложной структуры нуклонов, необходимо было ответить на вопрос: «Как они удерживаются в столь малом объёме ядра?» Сначала свое слово сказали теоретики. Так, российский физик, лауреат Нобелевской премии И.Е. Тамм предположил, что взаимодействие нуклонов в ядре обусловлено наличием ядерных сил, которые носят обменный характер. А переносчиками этих сил являются некие виртуальные (воображаемые) частицы [2, с. 257].
Японский теоретик Юкава рассчитал массу таких частиц, которая должна была составлять 200-300 масс электронов. Такие частицы с промежуточной массой между массами электрона и протона были обнаружены экспериментально в космических лучах. Их назвали - мезоны (мезон-средний).
В 1937 г. Неддермейер и Андерсон в камере Вильсона открыли мезоны с массой, равной 207 электронных масс - |-ме-зоны.
В 1947 году также в космических лучах группой С. Пауэлла были открыты мезоны с массой в 274 электронные массы, которые получили название п-мезонов. Оказалось, что существуют п+,п - и п0 - мезоны, они играют главную роль во взаимодействии нуклонов в ядрах, обмениваясь п-мезонами, нуклоны сохраняют стабильность ядра [3, с. 182].
В 1932 году была открыта еще одна частица с массой, равной массе электрона и с положительным зарядом, равным заряду электрона, эта частица - позитрон. Позитроны (положительные электроны) в веществе не могут существовать. Потому что они аннигилируют, соединяясь с отрицательными электронами. В этом процессе, который можно рассматривать как обратный процесс рождения пар, положительный и отрицательный электрон исчезают, при этом образуются фотоны, которым передается их энергия.
Позитрон - первая открытая античастица, его существование вытекало непосредственно из релятивистской теории электрона, развитой Полем Дираком. В дальнейшем были обнаружены античастица для всех частиц, считавшихся в то время элементарными.
Открытие новых микроскопических частиц материи постепенно разрушило простую картину мироздания. Вновь обнаруженные частицы, однако, во многих отношениях были близки к первым четырём известным частицам. Объединяющее их свойство заключается в том, что все они являются специфическими формами существования материи, не ассоциированной в ядра и атомы (иногда по этой причине их называют «субъядерными частицами»). Пока количество таких частиц было не очень велико, сохранялось убеждение, что они играют фундаментальную роль в строении материи. И их относили к категории «элементарные частицы». Нарастание числа субъядерных частиц, выявление у многих из них сложного строения показало, что они, как правило, не обладают свойствами элементарности, но традиционное название «элементарные частицы» за ними сохранилось. Их способность к взаимопревращениям привели ученых к идее существования в природе субэлементарных частиц, не имеющих структуры и из которых состоят более сложные частицы. В 1964 году американец Гелл-Ман и швейцарец Цвейг выдвинули так называемую кварковую гипотезу, согласно которой все известные частицы построены из более мелких частиц, называемых кварками. Значит, кварки - это более элементарные частицы, чем адроны. Кварки несут дробный электрический заряд: они обладают зарядом, величина которого составляет либо -1/3 или +2/3 фундаментальной единицы-заряда электрона. Комбинация из двух и трех кварков может образовывать структуры с зарядами протона или нейтрона.
Соединение кварков тройками позволяет образовывать не только нуклоны, но и сравнительно тяжелые частицы-барионы. Легкие же пары кварков могут образовывать «средние» частицы - мезоны.
Конец 40-х - начало 50-х гг. ознаменовались открытием большой группы частиц с необычными свойствами, получивших название «странных». Первые частицы этой группы К+ и К- - мезоны, Л-, ф- гипероны были открыты в космических лучах, последующие открытия странных частиц были сделаны на ускорителях - установках, создающих интенсивные потоки быстрых протонов и электронов. При столкновении с веществом ускоренные протоны и электроны рождают новые элементарные частицы, которые и становятся предметом изучения.
Странность вновь открытых частиц проявляется в том, что они, во-первых, возникают парами при взаимодействии нуклонов с п-мезонами и время их жизни составляет ~10-8 - 10-10 с, хотя процессы взаимодействия длятся всего 10-22 с. Во-вторых, странные частицы распадаются на сильно взаимодействующие нуклоны и п-мезоны (без электронов, |-мезонов и нейтрино), что весьма странно. Например, К-мезон с массой в 1000 те распадается по схеме: К+ ^ п+ + п0 . Затем наступил черед тяжелых частиц - гиперонов, масса которых превышает массу нуклонов. Так, Л-гиперон имеет массу в 2180 те, ^-гиперон - 2340 те, ф-ги-перон - 2580 те, П-гиперон - 3270 те.
В 1960-х гг. на ускорителях было открыто большое число крайне неустойчивых (по сравнению с другими нестабильными элементарными частицами) частиц, получивших название «резо-нансов» [4, с. 254]. Массы большинства резонансов превышают массу протона. Оказалось, что резонансы составляют основную
часть элементарных частиц. Их известно уже несколько сотен.
В 1974 году в США на ускорителе в Станфорде был открыт «джей-пси-мезон» с массой 6000 те, а в 1976 году «ипсилон» -частица с массой в 2000 те, которые в кварковую модель не вписывались. Этим был нанесен удар первому варианту теории кварков, поскольку в ней уже не было места ни для одной новой частицы. Все возможные комбинации из кварков и их антикварков были уже исчерпаны.
Кроме того, неожиданными во многих отношениях оказались свойства обнаруженных элементарных частиц. Для их описания, помимо характеристик, заимствованных из классической физики, таких, как электрический заряд, масса, момент количества движения, потребовалось ввести много новых специальных характеристик, в частности, для описания странных элементарных частиц - странность, очарование, аромат, цвет и т. д., это привело к увеличению числа кварков до 36, и даже целого научного направления - квантовой хромодинамики.
Открытие множества субатомных частиц существенно уменьшило количество дискретных элементов, формирующих свойства вещества. И дало основание предполагать, что цепочка составных частей материи завершается дискретными бесструктурными образованиями - элементарными частицами. Такое предположение, вообще говоря, является экстраполяцией известных фактов и сколько-нибудь строго обосновано быть не может. Нельзя с уверенностью утверждать, что частицы, элементарные в смысле приведенного определения, существуют. Протоны и нейтроны, например, длительное время считавшиеся элементарными частицами, как выяснилось, имеют сложное строение. Не исключена возможность того, что последовательность структурных составляющих материи принципиально бесконечна. Может оказаться также, что утверждение «состоит из...» на какой-то ступени изучения материи окажется лишенным содержания. От данного выше определения «элементарности» в этом случае придется отказаться. Существование элементарных частиц - это своего рода постулат, и проверка его справедливости - одна из важнейших задач физики.
Термин «элементарная частица» часто употребляется в современной физике не в своем точном значении, а менее строго -для наименования большой группы мельчайших частиц материи подчинённых условию, что они не являются атомами или атомными ядрами (исключение составляет простейшее ядро атома водорода - протон) [5, с. 237]. Как показали исследования, эта группа частиц необычайно обширна. Число частиц, включаемых в эту группу, продолжает расти и, скорее всего, неограниченно велико; при этом большинство перечисленных частиц не удовлетворяет строгому определению элементарности, поскольку, по современным представлениям, они являются составными системами.
Изучение внутреннего строения материи и свойств элементарных частиц с первых своих шагов сопровождалось радикальным пересмотром многих устоявшихся понятий и представлений.
Мир субатомных частиц поистине многообразен. Однако физикам было совершенно не понятно, 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. В конце ХХ в. физика начинает понимать, каково значение каждой из элементарных частиц. Миру субатомных частиц присущ глубокий и рациональный порядок. В основе этого порядка - фундаментальные физические взаимодействия.
Основным инструментом для исследования элементарных частиц являются различного вида ускорители. В 70-х годах ХХ века энергия частиц, разогнанных в ускорителях, составила порядка гигаэлектрон-вольт. Стремление к увеличению энергий частиц обусловлено тем, что высокие энергии открывают возможность изучения строения материи на тем меньших расстояниях, чем выше энергия сталкивающихся частиц. Ускорители существенно увеличили темп получения новых данных и в короткий срок расширили и обогатили наше знание свойств микромира. Применение ускорителей для изучения странных частиц позволило более детально изучить их свойства, в частности, особенности их распада, и вскоре привело к важному открытию: выяснению возможности изменения характеристик некоторых микропроцессов.
Более того, в начале XXI века ученые запланировали грандиозный проект - с помощью мощнейшего ускорителя - коллай-
дера - отыскать и исследовать частицу, ответственную за обретение массы всеми другими частицами, которые миллиарды лет назад образовывались в результате Большого взрыва, когда возраст Вселенной составлял меньше одной секунды. Такой частицей, по мнению теоретиков, является бозон Хиггса.
Согласно современным теориям, сразу после Большого взрыва элементарные частицы приобрели такую важную физическую величину как масса именно под воздействием особого поля, сформированного бозонами Хиггса. Если бы не было этого поля, частицы не смогли бы объединиться в атомы, а просто разлетелись бы по космическому пространству, и во Вселенной не появились бы ни галактики, ни звезды, ни планеты. Через поле Хиггса, заполняющее пространство Вселенной, проходят абсолютно все частицы, из которых строятся атомы, молекулы, ткани и целые живые организмы. Ученые полагают, что бозоны Хиггса существуют везде. Но на практике получить доказательства существования неуловимой частицы оказалось делом крайне непростым. Проблема в том, что бозон Хиггса - частица, которая живет ничтожно короткое время и очень быстро распадается.
Но привлекательность открытия этой частицы обусловлена тем, что она может оказаться последним недостающим звеном
Библиографический список
для построения стандартной модели Вселенной. Если такая частица будет открыта, то подтвердится правильность нашего понимания Вселенной.
Поиски частицы Хиггса ведутся с помощью большого адрон-ногоколлайдера, длина основного кольца ускорителя составляет около 27 километров. Он построен в Швейцарии вблизи французской границы, где были задействованы усилия более 10 тысяч учёных и инженеров из более чем 100 стран. Учёные Европейского центра ядерных исследований недавно официально объявили в Женеве на научном семинаре о том, что открыли новую ранее неизвестную частицу, которая по своим параметрам напоминает бозон Хиггса. Но пока с полной уверенностью утверждать, что открытая частица и есть бозон Хиггса учёные не спешат. Трудности, стоящие на пути открытия «хиггса» были столь велики, а его предполагаемая роль столь важна, что частица получила ироническое прозвище «частица бога». В случае, когда существование этой частицы будет доказано, учёные могут почувствовать себя сотрудниками самого господа бога. И тогда, возможно, окажется справедливым высказывание Жана Роста-на: «Наука сделала нас богами раньше, чем мы научились быть людьми»[3, с. 126].
1. Воров Ю.Г., Голубь П.Д. Краткий курс лекций по истории науки. Барнаул: БГПУ, 2008.
2. Голубь П.Д., Овчаров А.В., Насонов А.Д. Из жизни творцов физической науки. Барнаул: АлтГПА, 2010.
3. Усова А.В. Краткий курс истории физики. Челябинск, 2004; 1995.
4. Кудрявцев П.С. Курс истории физики. Москва: Просвещение, 1982.
5. Ильин В.А. История физики. Москва: Академия, 2003.
References
1. Vorov Yu.G., Golub' P.D. Kratkijkurs lekcijpo istoriinauki. Barnaul: BGPU, 2008.
2. Golub' P.D., Ovcharov A.V., Nasonov A.D. Iz zhizni tvorcov fizicheskoj nauki. Barnaul: AltGPA, 2010.
3. Usova A.V. Kratkij kurs istorii fiziki. Chelyabinsk, 2004; 1995.
4. Kudryavcev P.S. Kurs istorii fiziki. Moskva: Prosveschenie, 1982.
5. Il'in V.A. Istoriya fiziki. Moskva: Akademiya, 2003.
Статья поступила в редакцию 20.05.16
УДК 378.1
Rybina I.S., senior teacher, Department of Preschool and Secondary Education, Institute of Psychology and Pedagogy, Director of Center for Social Planning and Youth Initiatives, Altai State Pedagogical University (Barnaul, Russia), E-mail: rybina.soz@mail.ru
MODELING OF PEDAGOGICAL PREPAREDNESS OF FUTURE TEACHERS TO PROFESSIONAL AND MORAL REALIZATION. The paper describes construction of an effective model of pedagogical preparedness of future teachers to professional and moral realization. The model is graphically presented and describes its structural elements - blocks (systematically targeted, structural, procedural and technological, productive and criterion), which include meaningful (goal-setting, approaches, principles, components of readiness, subjects, criteria, indicators, levels) and functional (functions, mechanisms, conditions of formation, stages and methods of formation of system of interaction of subjects, forms and means of organization) parts of pedagogical support. The author reveals the specifics of formation of readiness as a unity of dedicated support for self-development of a personality and external influences in the form of a special content value-oriented design. The article presents results of the survey among teachers and future teachers of the necessity of formation of readiness for vocational and moral realization.
Key words: readiness of future teacher to professional self-realization of moral, pedagogical support, model.
И.С. Рыбина, ст. преп. каф. дошкольного и дополнительного образования института психологии и педагогики, директор центра социального проектирования и молодежных инициатив Алтайского государственного педагогического университета, г. Барнаул, E-mail: rybina.soz@mail.ru
МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ ПЕДАГОГИЧЕСКОГО ОБЕСПЕЧЕНИЯ ГОТОВНОСТИ БУДУЩЕГО ПЕДАГОГА К ПРОФЕССИОНАЛЬНО-НРАВСТВЕННОЙ САМОРЕАЛИЗАЦИИ
В статье раскрыто построение эффективной модели педагогического обеспечения готовности будущего педагога к профессионально-нравственной самореализации. Модель представлена графически и описаны её структурные элементы -блоки (методически-целевой, структурно-содержательный, процессуально-технологический, результативно-критериальный), которые включают содержательное (целеполагание, подходы, принципы, компоненты готовности, субъекты, критерии, показатели, уровни и результат готовности) и функциональное (функции, механизмы, условия формирования, этапы и методика формирования, система взаимодействия субъектов, формы и средства организации) назначение педагогического обеспечения. Автор раскрывает специфику процесса формирования готовности как единство целенаправленной поддержки саморазвития личности и внешнего воздействия в виде особого содержания ценностно-ориентированного проектирования.
Ключевые слова: готовность будущего педагога к профессионально-нравственной самореализации, педагогическое обеспечение, модель.
