26. Открытие элементарных частиц. Их характеристика (масса, заряд, время жизни) и классификация

Открытие элементарных частиц

Во второй половине XX в. физики, занятые изучением фундаментальной структуры материи, получили поистине удивительные результаты. Было открыто множество новых субатомных частиц. Их обычно называют элементарными частицами, но далеко не все из них действительно элементарны. Многие из них в свою очередь состоят из еще более элементарных частиц. Исторически первыми экспериментально обнаруженными элемен­тарными частицами были электрон, протон, а затем нейтрон. Новые частицы обычно открывают в реакциях рассеяния уже известных частиц, Для этого сталкивают частицы с как можно большими энергиями, а затем исследуют продукты их взаимодействия и фрагменты, на которые распались образовавшиеся частицы. До 50-х гг. основным источником первичных частиц были космические лучи, а в наше время ускорители, создающие интенсивные пучки частиц с высокими энер­гиями. Мир субатомных частиц поистине многообразен. Среди них и «кирпичики», из которых построено вещество: составляющие атомные ядра протоны и нейтроны, а также электроны, обращающиеся вокруг ядер. Но есть и такие частицы, которые в окружающем нас веществе практически не встречаются – резонансы. Время их жизни – мельчайшие доли секунды. По истечении этого чрезвычайно короткого вре­мени они распадаются на обычные частицы. Таких нестабильных короткоживущих частиц поразительно много: их известно уже свыше трех сотен. В 50–70-е гг. ХХ в. физики были совершенно сбиты с толку многочисленностью, разно­образием и необычностью вновь открытых субатомных частиц. Если в конце 40-х гг. было известно 15 элементарных частиц, то в конце 70-х гг. уже около четырехсот. Совершенно непонятно, для чего столько частиц. Являются ли элементарные частицы хаотическими и случайными осколками материи или, возможно, за взаимодействиями этих частиц скрывается некоторый порядок, указывающий на существование фунда­ментальной структуры субъядерного мира? Развитие физики в последующие десятиле­тия показало, что в существовании такой структуры нет никаких сомнений. Миру субатомных частиц присущи объективные закономерности и глубокий структурный порядок. В основе этого порядка – фундаментальные физические взаимодействия.

          Характеристика элементарных частиц

Основными характеристиками субатомных частиц являются масса, электри­ческий заряд, время жизни частицы.

Когда говорят о массе частицы, имеют в виду ее массу покоя, по­скольку она не зависит от состояния движения. Частица, имеющая нулевую массу покоя, движется со скоростью света (фотон). Нет двух частиц с одинаковыми массами. Электрон – самая легкая частица с ненулевой массой покоя. Протон и нейтрон тяжелее электрона почти в 2000 раз. А самая тяжелая из полученных в ускорителях элементарных частиц (Z-частица) обладает массой в 200 000 раз боль­шей массы электрона.

Электрический заряд меняется в довольно узком диапазоне и всегда кратен фундаментальной единице заряда – заряду электрона (–1). Некоторые частицы (фотон, нейтрино) вовсе не имеют заряда.

Частицы характеризуются и временем жизни. По этому признаку частицы делятся на стабильные и нестабильные. Стабильные части­цы – это электрон, протон, фотон и нейтрино. Нейтрон стабилен, когда находится в ядре атома, но свободный нейтрон распадается примерно за 15 минут. Все остальные известные частицы нестабиль­ны; время их жизни колеблется от нескольких микросекунд до 10^-24 с.

Классификация элементарных частиц

Изобилие типов элементарных частиц поставило перед фи­зиками трудные вопросы: что же лежит в основе строения вещества, есть ли какая-нибудь общая схема, систематика, ко­торая позволила бы просто и ясно объяснить взаимную связь элементарных частиц?

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

В настоящее время в основе современной классификации элементарных частиц лежит их деление на два класса (рис. 1): сильно взаимодействующих (адроны) и слабо взаимодействую­щих (лептоны) частиц. Адроны делятся также на мезоны и барионы, а последние, в свою очередь, на нуклоны (нейтроны и протоны) и гипероны (λ, Σ, Ξ, Ω.). Название «гипероны» проис­ходит от греческого «гипер» – выше, так как они тяжелее про­тона, «барионы» – от греческого «барис» тяжелый. К лептонам относятся электроны, мюоны и нейтрино. Барионы (нуклоны, гипероны, барионные резонансы – короткоживущие частицы) при любых реакциях могут превращаться в протоны или из них получаться. Разность между числом барионов и антибарионов в системе называется барионным числом.

В теории элементарных частиц существует закон сохранения барионного числа в любом процессе. Именно этим законом обусловлена невозможность аннигиляции протона и электрона в обычных условиях, потому что протон – это барион, а электрон – лептон. Закон сохране­ния барионных чисел обеспечивает также стабильность протонов. С точки зрения квантовой статистики, частицы с разными (целыми и полуцелыми) спинами могут также разделяться на фермионы (статистика Ферми) с полуцелым спином (¹/₂): электрон, нейтрон, мюон, протон, нейтрон, гиперон), бозоны (статистика Бозе) с целым (0,1) спином: пион (π-мезон), каон (К-мезон), фотон. Фермионы, все без исключения, возникают или аннигилируют парами. С другой стороны, бозоны могут рождаться или поглощаться по одному и группами по несколь­ко частиц.

В дополнение к закону сохранения числа барионов Гелл-Манн и Нишиджима в 1953 г. ввели еще одну квантовую характеристику – странность S, для которой тоже существует закон сохранения, согласно которому странность со­храняется во всех сильных (ядерных) взаимодействиях, дейст­вующих на расстоянии около 10^{-13 см. Эти законы позволяют прогнозировать природу взаимодействия различных элементар­ных частиц. К концу 50-х годов ХХ века численность и раз­нообразие элементарных частиц настолько выросли, что класси­фикация их только по массе, заряду и спину, даже с учетом упо­мянутых законов сохранения барионного числа и странности, вызывала у физиков-теоретиков значительное неудовлетворение. Появлялись даже идеи, что за этим разнообразием скрывается некая симметрия.}

Литература

1.    Найдыш В.М. Концепции современного естествознания: Учебное пособие. М., 2003

 

44. Развитие учение о структуре вещества. Работы А.М. Бутлерова

Развитие знания о химических явлениях позволило устано­вить, что большое влияние на свойства вещества оказывает не только его химический состав, но и структура молекул – их взаимное расположение друг по отношению к другу (упорядо­ченность). Осознание этого стало началом структурной химии. Ключевым понятием данной концептуальной системы являет­ся «структура», точнее, структура молекулы реагента, в том числе макромолекулы или монокристалла. Под структурой обычно понимают устойчивую упорядоченность качественно неизменной системы, каковой является молекула.

В изучении структуры вещества оказались важными работы Дж. Дальтона, который в 1803 г. показал, что химический ин­дивид представляет собой совокупность молекул, обладающих строго определенным качественным и количественным соста­вом. В 1830-е гг. Й.Я. Берцелиус выдвинул гипотезу, согласно которой молекула представляет собой не хаотическое нагро­мождение атомов, а определенную упорядоченность – объеди­нение двух разноименно заряженных атомов или атомных групп (радикалов), способных к самостоятельному существованию. В 1840-х гг. Ш. Жерар сделал вывод, что модель Берцелиуса достаточно редко отвечает действительности, а в общем случае молекула является единой неделимой системой. В этой системе все атомы химических элементов, входящих в нее, взаимодействуют и взаимно преобразуют друг друга.

В формировании идей структурой химии большую роль сыграла теория валентности Ф.А. Кекуле (1857). Он выдвинул идею о существовании четырех единиц сродства: у углерода четыре единицы сродства, у азота – три, у кислорода – две, у водорода – одна единица. Количество единиц сродства, прису­щее атому того или иного химического элемента, он назвал валентностью элемента. По представлениям Кекуле, объединение атомов в молекулу происходит путем присоединения свобод­ных единиц сродства. Комбинируя атомы разных химических элементов с их единицами сродства, можно создавать структур­ные формулы любого химического соединения. Следовательно, возможен синтез любого химического соединения. Присущий формулам Кекуле схематизм наталкивал исследователей на по­пытки синтеза самых разнообразных веществ путем комбиниро­вания всевозможных органических радикалов и бирадикалов типа СП, СН₃, СОН, СН₃ и т.д., которые можно получить посред­ством преобразования соответствующих молекул.

Теория химического строения A.M. Бутлерова добавила к представлениям Кекуле энергетическую оценку связей, показав их энергетическую неэквивалентность. Он доказал, что от коли­чества сродства следует отличать его напряженность – большую или меньшую энергию, с которой она связывает вещества между собой, что является причиной активности одних веществ и пас­сивности других. Теория Бутлерова также указала на наличие активных центров и активных группировок в структуре молеку­лы, что способствовало активной деятельности химиков в на­правлении синтеза органических соединений.

В 1860-1880-е гг. появился термин «органический синтез» и на основе простейших углеводов из каменноугольной смолы и аммиака были синтезированы анилиновые красители – фуксин, анилиновая соль, ализарин, затем индиго, флавоны и ксантоны; взрывчатые вещества – тринитротолуол, тринитрофенол; лекар­ственные препараты – уротропин, аспирин, фенацетин, антифеб­рин, салол и др.

Однако сведений только о молекулах вещества, находящегося в дореакционном состоянии, которые давала структурная химия, оказалось недостаточно для того, чтобы управлять процессами превращения веществ. Структурная химия не смогла указать пути получения этилена, ацетилена, бензола и других так называемых диеновых углеводородов с цепочкой С=С–С=С из парафиновых углеводородов, хотя, все эти процессы составляют основу нефтехи­мического производства и легко осуществляются. Производство, ос­нованное на базе органического синтеза, имело очень низкий выход продукции, большие отходы (кроме синтеза азокрасителей и взрыв­чатых веществ) и требовало использования дорогостоящего сельско­хозяйственного сырья – зерна, жиров, молочных продуктов.

Относительно недавно был открыт новый класс металлоорганических соединений, которые за свою двухслойную структуру получили название «сэндвичевые соединения». Молекула этого соединения представляет собой две «пластины» из соединений водорода и углерода, между которыми находится атом какого-либо металла. Они сыграли важную роль в пересмотре представ­лений о валентности и химической связи. Их можно рассматри­вать как наглядную демонстрацию наличия у молекул единой системы электронно-ядерного взаимодействия.

Другая группа вопросов в концептуальной системе струк­турной химии связана с проблемами структурной неорганичес­кой химии. По существу это проблемы химии твердого тела. В широком смысле их две:

–      синтез кристаллов с максимальным приближением к иде­альной решетке для получения материалов с высокой механи­ческой прочностью, термостойкостью и долговечностью в экс­плуатации;

–      создание методов синтеза кристаллов с запроектированны­ми дефектами решетки, что позволит получить материалы с за­данными электрофизическими и оптическими свойствами.

 

Литература

1.    Бондарев В.П. Концепции современного естествознания: Учебное пособие. М., 2003

 

76. Особенности экологической и биомедицинской этики. Пути решения проблем. Этика ответственности

В эпоху научно-технической революции, когда человек полу­чил достаточную силу, чтобы сделать с природной средой все, что ему заблагорассудится, во весь рост встала проблема ответственно­сти человека за природу и установления гармонии с ней. Ее решению отвечает новое направление – экологическая этика. «Развитие этики можно выразить не только через философ­ские, но и через экологические понятия. Этика в экологическом смысле – это ограничение свободы действий в борьбе за существова­ние» (Леопольд О. Календарь песчаного графства. М., 1983. С. 200). Так понимал этику создатель первого варианта экологичес­кой этики, которую он назвал этикой Земли.

Традиционное общество принципиально отличалось от индус­триального в экологическом смысле не только тем, что главный упор был перенесен с сельскохозяйственного на промышленное произ­водство, но и тем, что традиционное общество основано на религиоз­но-нравственных запретах, а промышленное – нет. В этом смысле мы имеем дело с двумя различными социально-экологическими ти­пами обществ. Тотемная мораль, анимизм, мифологическое единст­во человека с природой вырабатывали определенные ограничения на воздействие человека на природную среду, и это были внутричеловеческие механизмы сдерживания.

Рубежом освобождения человека от религиозных догм стала эпоха Возрождения. Это не значит, что человек освободился от пони­мания себя как господина природы. Свое освобождение он использо­вал как раз для реализации данной идеи. Представление об ответственности человека за преобразуемую природу близко экзистенциалистам. Еще до возникновения экологиче­ского кризиса, но после создания атомного оружия А. Камю сказал, что задача его поколения «состоит в том, чтобы не дать миру погибнуть» (Камю А. Бунтующий человек. М., 1990. С. 360). Маленькому Прин­цу, созданному воображением французского писателя А. Сент-Экзюпери, дается совет быть ответственным за всех, кого он приручил.

Основной принцип своей философии – «благоговение перед жизнью» – А. Швейцер раскрывает как «безграничную ответствен­ность за все живое на земле» (Швейцер А. Благоговение перед жиз­нью. М., 1992. С. 36). Именно Швейцера признают наиболее ярким представителем экологической этики.

Наряду с ответственностью, стержнем экологической этики является любовь к природе. При этом рассудку трудно бывает побороть соображения собствен­ной выгоды, а для чувства любви, жалости, сострадания достаточно бывает мгновения. Поэтому к экологической этике ближе путь через чувство любви, чем расчет, через благоговение перед природой, чем принятие экологического законодательства, которое еще надо при­учиться исполнять. Здесь, как в отношениях между людьми, лучше, если все будет основываться, как предлагал Конфуций, на нравст­венности, а не на принуждении. В связи с этим большое внимание в экологической литературе уделяется понятию экологической чув­ствительности, под которой понимается более тонкое проникновение с помощью чувств человека в мир природы.

Успехи современной биологии и медицины, новые биомеди­цинские технологии, невозможные еще пятьдесят лет назад, дали специалистам настоящую власть над жизнью и смертью. Поэтому ответственность ученого-биолога и врача сейчас намного выше, чем раньше. Эта новая ситуация потребовала новых форм кон­троля со стороны общества за разработкой и использованием но­вых научных достижений.

Традиционно основной формой контроля за деятельностью человека были моральные нормы, нравственное регулирование, опирающиеся на тот внутренний стержень, который имеется в душе каждого человека и заложен в процессе воспитания. Такой способ регулирования поведения людей является особенно эф­фективным по сравнению с нормами права – внешним регуля­тором поведения человека. Но во все времена особенно важной была нравственная надежность врача. Поэтому еще на заре разви­тия медицины были сформулированы основные принципы отно­шения врача к больному, его обязанности по отношению к обществу, а также правила взаимоотношений врачей между собой.

Впервые нравственные заповеди врача были изложены в знаменитой клятве Гиппократа, согласно которой врач должен приходить к больному только для его пользы, бороться за его жизни до последней возможности и т.д. В несколько измененном виде эта клятва стала основой факультетского обещания, которое под писывалось врачами в Средние века и Новое время. Сохранилась традиция давать такую клятву и в наши дни. Именно клятва Гип­пократа стала основой традиционной медицинской этики, важ­нейшими вопросами которой были: сохранение врачебной тайны, информирование больного о его болезни и ходе лечения, сооб­щение о наличии опасных для общества болезней соответствую­щим учреждением здравоохранения и т.п.

Но существовавшие до последнего времени моральные нормы не могут подсказать, какое поведение будет правильным в современной ситуации. Ведь новый опыт биомедицинского знания ста­вит человека перед возможностью не только «давать» жизнь – се­годня есть возможность искусственного оплодотворения, опреде­ления и изменения качественных параметров жизни с помощью генной инженерии, транссексуальная хирургия, меняющая пол человека. Сегодня врач может продлить жизнь, отодвинув время смерти с помощью современных реанимационных процедур, мето­дов геронтологии, а также за счет трансплантации органов.

В свете традиционного морально-мировоззренческого сознания новый опыт биомедицинских технологий – техногенное произ­водство и уничтожение жизни на эмбриональном уровне, трансплантологическое продление и завершение жизни – не всегда может быть оценен как вполне моральный. Более того, в ряде случаев он вступает в явное противоречие с установившимися моральными ценностями и принципами. Прежде всего, вновь встает вопрос о моральности убийства эмбриона при искусст­венном оплодотворении и генетических опытах, о моральности эвтаназии (легкой смерти) больного для избавления его от не­выносимых страданий и т.д.

В этих условиях и появилась биоэтика – система новых этических стандартов в сфере экспериментальной и теоретиче­ской деятельности в биологии и медицине, а также при практи­ческом применении результатов данных исследований. Рассмотрим область применения биоэтики, значительно рас­ширившей сферу традиционной медицинской этики.

Так, сегодня иначе решаются многие традиционные для ме­дицинской этики вопросы, в частности вопрос об информиро­вании больного о его болезни и ходе ее лечения. Если раньше считалось, что больной ни в коем случае не должен знать о за­болевании с возможным смертельным исходом, то сегодня такая информация считается обязательной, чтобы человек мог при­нять необходимые решения, привести в порядок свои дела. Кроме того, необходимой является информация об успехах со­временной медицины и новых методах лечения таких болезней, поэтому у больного появляется шанс на благополучный исход.

Множество проблем порождает современная реанимацион­ная практика. Появление новых сложных, дорогостоящих меха­низмов (дыхательных аппаратов, «искусственной почки» и пр.) превратило умирание в длительный механизированный процесс, дало возможность очень долго поддерживать жизнь в человече­ском теле. Поэтому биоэтика решает принципиально новый мо­рально-этический вопрос: кто в такой ситуации должен принимать решение о смерти – сам умирающий, его родственники или врачи. Но в любом случае, отключение этих аппаратов будет означать смерть пациента, и с точки зрения традиционной мо­рали должно оцениваться как убийство или самоубийство.

В тесной связи с возможностью продления жизни с помощью специальных аппаратов находится проблема эвтаназии – добро­вольная безболезненная смерть безнадежно больного пациента. В последнее время возможность эвтаназии широко обсуждается на страницах периодических изданий и других средств массовой ин­формации разных стран. Периодически в западных странах про­исходят судебные процессы, на которых звучат обвинения в адрес врачей, решившихся на эвтаназию, ведь в большинстве стран это расценивается как убийство. И так же часто происходят процес­сы, на которых больные предъявляют иски к государству с требо­ванием разрешить им добровольный уход из жизни. Конечно, в реальной врачебной практике медикам приходится постоянно решать вопросы о продлении (непродлении) жизни своего паци­ента. Но выписать безнадежно больного человека из больницы домой, заведомо зная, что там он умрет, это один моральный ас­пект медицинской этики. Другое дело – самому прекратить его страдания, введя смертельную инъекцию.

Еще одной областью биоэтики является трансплантология. Ведь основным источником биоматериала – человеческих орга­нов, подлежащих трансплантации, являются терминальные (уми­рающие) пациенты. Поэтому их смерть задерживается, продле­вается во времени, чтобы извлечь и сохранить нужные для пере­садки органы. Таким образом, у современной медицины появи­лась новая функция – смертеобеспечение, отсутствующая у тра­диционной медицины.

В данном случае существует еще одна сложная этическая проблема – определение, кому должен быть пересажен тот или иной орган, при том, что законы большинства стран запрещают покупку донорских органов. Человек может подарить их после своей смерти, оставив соответствующее завещание. Правда, да­леко не каждый человек способен на подобную гуманность. Возможность же использования врачами органов без согласия донора приводит к судебным процессам, которые периодически происходят на Западе. Эта ситуация также должна получить оценку в рамках биоэтики. Ведь, с одной стороны, врач наруша­ет волю умершего, запретившего использовать его органы, но с другой стороны, он спасает жизнь тем людям, которые иначе просто погибли бы.

По-прежнему обсуждается право женщин на аборт, на ее свободный выбор – сохранять или не сохранять жизнь своего ребенка. Во многих странах это разрешено законодательством (в том числе, и в нашей стране). Но с точки зрения традиционной морали – это обесценение и вытеснение такой ее нормы, как «не убий».

Обесценение традиционных моральных норм и ценностей также связано со все большим распространением методик искус­ственного оплодотворения. Ведь такое «асексуальное размноже­ние» неизбежно приведет к деформации биофизиологических родственных человеческих взаимоотношений – место обычной семьи займут неполные семьи, однополые браки. Также встает проблема суррогатного материнства – как оценить женщину, вынашивающую и рожающую чужого ребенка за вознаграждение.

Транссексуальная хирургия – еще одно медицинское ново­введение, ставящее множество моральных проблем, связанных с сексуальностью человека. В традиционном понимании сексу­альность – это сложный процесс, сопровождающий становле­ние человеческого существа, который предполагает для каждого индивида переход от ощущения удовольствия, связанного с функционированием органов у младенца, к разумному отноше­нию к функции продолжения рода. Перемена пола, произведен­ная хирургическим путем, как правило, сопряжена с подавлени­ем функции продолжения рода, что с традиционной точки зре­ния не является нормальным. Тем не менее, в результате широ­кого правозащитного движения такие операции проводятся, а значит, идет формирование новых этических стандартов.

В последнее время успехи генной инженерии создали воз­можность клонирования не только низших, но и высших орга­низмов, в том числе и человека. Это сразу же вызвало самое ши­рокое обсуждение не только среди специалистов, но и в СМИ. При этом в центре развернувшейся дискуссии были не столько технические, сколько моральные проблемы этого открытия. Так, широко обсуждается множество сценариев грядущих катастроф, связанных с возможностью клонирования человека. Говорят и о создании каст людей, приспособленных для выполнения узко­специализированной деятельности, и о выращивании существ-«копий», которые должны стать живыми складами донорских ор­ганов для своих генетических оригиналов, и о воссоздании умер­ших гениев или злодеев.

В процессе решения подобных и других биоэтических про­блем утверждаются основные пути решения проблем биоэтики, среди ко­торых чаще всего упоминают следующие:

–      укрепление единства жизни и этики, их глубокое соответ­ствие и взаимообусловленность. Если жизнь – это высшее про­явление упорядоченности, организованности в мире природы, то этика есть высшее выражение сил, противостоящих хаосу в обществе;

–      признание жизни в качестве высшей категории среди всех этических ценностей, принцип известного гуманис­та А. Швейцера «преклонения перед жизнью»;

–      гармонизация системы человек – биосфера, вы­двигающий в качестве актуальной задачи современности нала­живание оптимальных взаимоотношений между человеком и природой и требующий от общества все более полного учета биологических оснований социального бытия, поиска путей превращения биосферы в ноосферу (сферу разума) и предот­вращения возможности ее уничтожения.

Современная биоэтика основывается на принципе уважения к жизни и достоинству каждого человека, интересы которого во всех случаях должны ставиться выше интересов науки и общества. Одним из коренных положений биоэтики является автономия (неприкосновенность) психического и физического статуса человека. Заметим, что при изучении проблем биоэти­ки перекрещиваются интересы биологических, медицинских, философских и юридических наук. Поэтому успехи в научном и практическом решении проблем биоэтики в немалой степени зависят от налаживания плодотворного сотрудничества пред­ставителей различных областей знания.