В узком смысле слова элементарными можно назвать частицы, у которых внутренняя структура никогда не наблюдалась. К ним относятся, например, электрон и фотон. Подавляющее большинство элементарных частиц(мезоны, барионы)обладают внутренней структурой.

В 1920-е гг. были известны две частицы – электрон и протон, а также два вида взаимодействий – гравитационное и электромагнитное. На их основе объяснялись все явления природы.

Можно выделить два основных потока открытий новых элементарных частиц. Первый приходится на 1930-1950-е гг., когда прежде всего были найдены нейтрон и позитрон. Позитрон – античастица по отношению к электрону; он подобен электрону во всем, но обладает положительным, а не отрицательным зарядом. При соударении электрона с позитроном, как и при соударении любой частицы с соответствующей ей античастицей, может произойти их аннигиляция, т. е. исчезновение частиц, причем их энергия превращается в другие формы.

Далее было обнаружено нейтрино. Сейчас известно несколько разновидностей нейтрино. Концепция существования нейтрино спасла несколько физических законов. Причем один тип взаимодействует только с электроном, а другой – только с р-мезоном. Существование мезонов было предсказано Х. Юкавой в 1935 г. В 1937 г. был открыт первый мезон, но не тот (р-мезон). Предсказанный же Юкавой мезон был открыт в 1947 г. (р-мезон). Он имеет отношение к ядерным взаимодействиям.

Второй поток открытий элементарных частиц пришелся на 1960–1965 гг. К концу этого периода число частиц превысило 200. Само понятие элементарности потеряло смысл, поскольку не существует критерия элементарности. Использование стабильности частиц или времени их жизни в качестве критерия оказалось неэффективным.

Стабильных (не самораспадающихся) элементарных частиц всего четыре: электрон, протон, фотон и все виды нейтрино. На основе этих частиц невозможно построить все остальные, обладающие способностью самопроизвольно распадаться. Среди этих частиц дольше всех живет свободный нейтрон, меньше всех – нейтральный ж-мезон (10-16с). В конце 1960 г. был открыт новый класс частиц, получивший название резонансов. Эти частицы живут крайне мало: порядка 10-23с.

Стабильность протона, электрона, фотона и нейтрино означает, что они могут претерпевать изменения лишь при взаимодействиях с другими частицами.

Следует особо подчеркнуть, что существование античастиц не гипотетично, а модели с их использованием не являются плодом фантазии физиков. В 1956 г. был открыт антинейтрон. Если электрон от позитрона и протон от антипротона отличаются прежде всего знаком зарядов, то чем различаются нейтрон и антинейтрон? Нейтрон не имеет электрического заряда, но имеет связанное с ним магнитное поле. Причина этого не совсем ясна, хотя установлено, что магнитное поле нейтрона ориентировано в одном направлении, а магнитное поле антинейтрона – в противоположном.

Античастицы имеют и другие фундаментальные свойства по сравнению с частицами. Так, при переходе от мира к антимиру меняются местами «право» и «лево» и одновременно меняются знаки всех зарядов. Время в антимире течет от будущего к прошлому, а не от прошлого к будущему, как в мире.

В современном естествознании все окружающие нас материальные объекты принять условно делить на микро-, макро– и мегамир. Одна из основных концепций естествознания говорит о единстве всех систем микро-, макро– и мегамира. Можно говорить о единой материальной основе происхождения всех материальных систем на разных стадиях эволюции Вселенной.

Материальные объекты микро-, макро– и мегамира отличаются не только своими геометрическими размерами, но и другими количественными характеристиками. Так, например, Солнце состоит из колоссального числа частиц: 1 056ядер атомов водорода и примерно такого же количества ядер атомов гелия.

Свойства и особенности материальных объектов микро– и мегамира описываются разными теориями, принципами, законами.

При объяснении процессов в микромире используются принципы и теории квантовой механики, квантовой статистики и т. п. Движение планет Солнечной системы описывается законом всемирного тяготения и законами Кеплера. Происхождение и эволюция Вселенной объясняются на основании комплекса естественно-научных знаний, включающих физику элементарных частиц, квантовую теорию поля, теорию относительности и т. п.

Материальные объекты образуют целостную систему лишь в том случае, если энергия связи между ними больше кинетической энергии каждого из них. Энергия связи – это та энергия, которую необходимо затратить, чтобы полностью «растащить» систему на отдельные ее составляющие. Величина энергии связи природных систем на различных уровнях организации материи зависит от вида взаимодействия и характера сил, объединяющих материальные объекты в систему. Например, существование в течение миллиардов лет звезд, в том числе и Солнца, обусловливается устойчивым равновесием между энергией взаимного гравитационного притяжения частиц, стремящегося сжать вещество звезды, и энергией их теплового движения, приводящего к его рассеиванию. Объединяющую роль в атомах и молекулах играет электромагнитное взаимодействие.

Существенное различие между материальными объектами микро– и макромира заключается в тождественности микрочастиц и индивидуальности мега-систем. Для микрочастиц выполняется принцип тождественности: состояния системы частиц, получающиеся друг из друга перестановкой частиц местами, нельзя различить ни в каком эксперименте. Такие состояния рассматриваются как одно физическое состояние. Этот квантово-механический принцип характеризует одно из основных различий между классической и квантовой механикой. В классической механике можно проследить за движением отдельных частиц по траекториям и таким образом отличить частицы одну от другой. В квантовой механике тождественные частицы полностью лишены индивидуальности. Однако в природе не существует двух совершенно одинаковых мегасистем – все они индивидуальны. Индивидуальность может проявляться и на молекулярном уровне. Например, молекулы этилового спирта и диме-тилового эфира имеют одинаковые атомный состав и мо-лекулярную массу, но различные химические и физические свойства. Такие вещества называются химическими изомерами. Нестабильные ядерные изомеры при одинаковом составе ядер имеют различные периоды полураспада.

В классической механике был известен принцип относительности Галилея: если законы механики справедливы в одной системе координат, то они справедливы и в любой другой системе, движущейся прямолинейно и равномерно относительно первой. Такие системы называются инерциальными.

А. Эйнштейн использовал мысленный эксперимент, который получил название «поезд Эйнштейна»: «Представим себе наблюдателя, едущего в поезде и измеряющего скорость света, испускаемого фонарями на обочине дороги, т. е. движущегося со скоростью с в системе отсчета, относительно которой поезд движется со скоростью V. По классической теореме сложения скоростей наблюдатель, едущий в поезде, должен был бы приписать свету, распространяющемуся в направлении движения поезда, скорость с – V...». Однако скорость света выступает как универсальная постоянная природы.

Рассматривая это противоречие, А. Эйнштейн предложил отказаться от представления об неизменности свойств пространства и времени. Данный вывод противоречит здравому смыслу, так как мы не можем представить никакого пространства, кроме трехмерного, и никакого времени, кроме одномерного. Но главный критерий для науки – соответствие теории и эксперимента. Теория Эйнштейна удовлетворяла этому критерию и была принята.