Главная > Календарь посадок > Концепции макромира классической физики и концепции микромира современной науки. Фундаментальное строение материи Главный постулат естественных наук

Концепции макромира классической физики и концепции микромира современной науки. Фундаментальное строение материи Главный постулат естественных наук

П.С.Исаев

Некоторые проблемы физики элементарных частиц

в области высоких энергий

Физика элементарных частиц за вторую половину ХХ века сделала такой гигантский шаг вперед, продвинулась с такой громадной скоростью в область новых явлений и закономерностей, ввела так много новых понятий, во многом, тем не менее, не отрываясь от квантово-механических представлений, развитых в 20-x-30-x годах нашего столетия, что настало время осмотреться, осмыслить пройденный за полвека путь и ответить на ряд фундаментальных вопросов: был ли пройденный путь единственным? Почему не был решен ряд важных проблем, поставленных перед учеными самой природой? Не оказалась ли физика элементарных частиц вследствие неосмотрительно быстрого (и потому не всегда должным образом обоснованного) движения вперед в идейном тупике?

В предисловии к немецкому изданию своей книги «Физика в жизни моего поколения» лауреат Нобелевской премии Макс Борн писал: «...В 1921 году я был убежден, и это убеждение разделялось большинством моих современников-физиков, что наука дает объективное знание о мире, который подчиняется детерминистическим законам. Мне тогда казалось, что научный метод предпочтительнее других, более субъективных способов формирования картины мира - философии, поэзии, религии. Я даже думал, что ясный и однозначный язык науки должен представлять собой шаг на пути к лучшему пониманию между людьми.

В 1951 году я уже ни во что не верил. Теперь грань между объектом и субъектом уже не казалась мне ясной; детерминистические законы уступили место статистическим; и хотя в своей области физики

всех стран хорошо понимали друг друга, они ничего не сделали для лучшего взаимопонимания народов, а, наоборот, лишь помогли изобрести и применить самые ужасные орудия уничтожения.

Теперь я смотрю на мою прежнюю веру в превосходство науки перед другими формами человеческого мышления и действия как самообман, происходящий оттого, что молодости свойственно восхищение ясностью физического мышления, а не туманностью метафизических спекуляций» .

Со дня написания этих строчек прошло более сорока лет, однако, я думаю, что точка зрения Борна на научное знание не потеряла своей актуальности и сегодня, а для меня, прежде всего, может быть потому, что я уже вышел из возраста «восхищения ясностью физического мышления» и перешел в категорию людей, задумывающихся над философской, поэтической, религиозной картиной мира.

Есть смысл взглянуть на проблемы современной физики элементарных частиц с более общих научно-методических, научно-философских, а не только чисто научных, позиций, не обращаясь за доказательствами к строгой математике.

Современное состояние физики элементарных частиц разными специалистами оценивается по-разному. Обычно его оценивают как имеющее большие успехи. И это верно. Однако с большой убедительностью его можно оценить как кризисное, ибо трудности финансовые, научно-методические и трудности стандартной модели ведут к затяжному застойному периоду.

В конце 1993 года конгресс США принял решение прекратить финансирование строительства SSC, выделив сравнительно небольшую сумму на «терминацию» проекта. Более 2000 ученых, инженеров, строителей остались без дела. Это - трагедия научная и человеческая. Если бы СССР как великая держава не распался, сверхпроводящий суперколлайдер (SSC) на энергии протонов 2х20 ТэВ был бы построен в США к 1999 г. (хотя бы из соображений конкуренции) и приглашение директора SSC проф. Швиттерса ученым мира принять участие в научной конференции в Далласе в 1999 г., посвященное первым научным результатам, полученными на SSC, осталось бы в силе.

Продвижение «в глубь материи» в связи с созданием мощных ускорителей, огромных экспериментальных установок, с участием в каждом эксперименте большого числа людей (иногда более сотни исследователей) стало весьма дорогостоящим делом.

Такие науки, как физика элементарных частиц или космология, являются науками, прикладное значение которых в наше время кажется не очень заметным (хотя бесспорно, что фундаментальные

открытия Фарадея и Максвелла окупили расходы на фундаментальную науку на многие столетия вперед). «...Современное развитие науки происходит в обществе, главная концепция рационализма которого следует доктрине инструментализма: истина ценится меньше, чем полезность...» . Не этой ли доктриной объясняется тот факт, что ныне прикладные исследования в США получают все большую финансовую поддержку по сравнению с фундаментальными исследованиями?

Заметную роль в развитии кризиса фундаментальных исследований в области физики элементарных частиц может играть изменение взглядов на принцип редукционизма, согласно которому все явления природы можно свести к нескольким элементарным, первичным законам и из них путем чистой дедукции вывести строение и развитие Вселенной и, может быть, развитие жизни на Земле. Редукционистский взгляд на науку придавал физике элементарных частиц статус «самой главной», «фундаментальной» науки среди всех других фундаментальных наук. В последней четверти ХХ в. начинает утверждаться иная точка зрения: каждый уровень науки, каждая наука (физика, химия, биология и т.д.) имеет свои собственные фундаментальные законы, не сводимые к нескольким элементарным, первичным.

Швебер пишет, что Эйнштейн выступил сторонником всеобщего единства, связанного с радикальной формой теории редукционизма. В 1918 году Эйнштейн сказал: «Наивысшей проверкой физики будет достижение тех универсальных элементарных законов, из которых космос может быть построен путем чистой дедукции». В частности, гипотеза Большого Взрыва есть реализация эйнштейновской теории редукционизма в самом рафинированном виде. По Швеберу, всеобщее единство и редукция являются двумя принципами, которые доминировали в фундаментальной теоретической физике в течение двадцатого столетия. Один характеризовал надежду дать единое описание всех физических явлений, другой стремился уменьшить число независимых концепций, необходимых для формулировки фундаментальных законов. Огромные успехи физических наук и молекулярной биологии подтверждали подобную точку зрения. Однако вскоре стало очевидным, что описание явлений, например, в физике конденсированных сред не нуждается в знании законов взаимодействия элементарных частиц на малых расстояниях (при очень высоких энергиях). Две ветви физики - физика элементарных частиц и физика конденсированных сред - становятся в некотором смысле «разделенными», например, в том смысле, что существование

t-кварка или какой-либо новой тяжелой частицы в физике элементарных частиц не оказывало влияния на описание явлений в другой ветви физики.

В 1972 году Филипп Андерсон, известный специалист в области физики конденсированных сред, бросил вызов радикальной теории редукционизма. Он заявил: «...гипотеза редукционизма не означает ничего более, как «конструкционизм»: возможность свести все явления природы к простым фундаментальным законам не означает возможности исходя из этих законов реконструировать Вселенную. В действительности, чем больше физика элементарных частиц говорит нам о природе фундаментальных законов, тем менее отношения они, кажется, имеют к реальным проблемам остальной науки, и еще менее к самому обществу. Гипотеза конструкционизма нарушается, когда приходит в столкновение с двойными трудностями шкалы и сложности...» . Андерсон верит в существование дополнительных законов, которые не менее фундаментальны, чем в физике элементарных частиц. Исследования материи на каждом уровне ее сложности, по Андерсону, так же фундаментальны, как и в физике элементарных частиц.

Большую роль в возникновении кризиса физики элементарных частиц играет постулат о «принципиальной ненаблюдаемости кварков» в смысле принципиальной невозможности видеть кварки в свободном состоянии - тезис, неприемлемый с точки зрения научно-философской. Физики начинают изучать свойства кварков и глюонов не в результате непосредственного наблюдения взаимодействия свободных кварков и глюонов со свободными элементарными частицами и друг с другом, а опосредованно, через наши представления о возможной природе кварков и глюонов. Много ли нового и верного мы могли бы сказать сегодня о строении ядра атома, если бы Резерфорд постулировал в свое время, что ядро атома существует, но оно «принципиально не наблюдаемо» (в смысле невозможности видеть его в свободном состоянии)?

Вводя понятие материального, но принципиально не наблюдаемого объекта, физика начинает терять статус экспериментальной науки и превращается в объект теоретических спекуляций. Грань, отделяющая науку экспериментальную от спекулятивной, становится неясной. Утверждается вера в то, что физика «принципиально ненаблюдаемых» кварков и глюонов - это все еще физика реально существующих объектов. Струйность явлений воспринимается как фрагментация ненаблюдаемых, но реально существующих кварков и глюонов в адроны. «Post hoc ergo proptev hoc». Мы имеем дело с

хорошо известной нам аналогией: Бог есть, но Бог принципиально не наблюдаем. Каждый воспринимает его по-своему. Можем ли мы составить научный портрет Бога?

Физики уже на сегодняшнем этапе не имеют морального права мириться с современной теорией, научно-философские установки которой противоречат статусу экспериментальной науки.

Кварки возникли из преувеличенного внимания к симметриям, господствующим в теории элементарных частиц на протяжении всей второй половины ХХ века. В лагранжиан взаимодействия стандартной модели кварки вошли как точное следствие неточной SU(3)-симметрии, выполняющейся на эксперименте с точностью ∼10% (кварки вошли как фундаментальное представление SU(3)-симметрии).

Я вполне допускаю мысль, что именно недостаточно обоснованное (физически) введение кварков в физику элементарных частиц привело к необходимости провозгласить совершенно неприемлемый постулат о «принципиальной ненаблюдаемости кварков» - в смысле принципиальной невозможности наблюдать их в свободном состоянии.

Доказательств существования кварков много. Однако и веры в то, что кварки - всего лишь способ описания экспериментальных данных (и не более того!) тоже довольно много.

Помимо неприемлемости тезиса о «принципиальной ненаблюдаемости кварков и глюонов» (с точки зрения научно-философской), стандартная модель обладает рядом других недостатков. Она содержит 18 свободных параметров: две константы связи (ее и α(q2)), двенадцать масс фермионов и бозонов (массы кварков - u, d, s, с, b, t, массы лептонов - е, μ, τ, массы бозонов Wt ∓ ∓ ,Z ,χ, (χ - хиггсовский бозон)), четыре угла смешивания в матрице Кобаяши-Маскава. Если у нейтрино есть масса (а по моему глубокому убеждению масса покоя нейтрино равна нулю - об этом ниже я буду говорить), то в лагранжиан взаимодействия стандартной модели следует добавить еще 7 параметров - три массы лептонных нейтрино ν e νμ, ντ и еще 4 угла смешивания. Таким образом, общее число свободных параметров увеличивается до 25, что, конечно, недопустимо для хорошей теории. До сих пор не открыт хиггсовский бозон. Хиггсовский бозон является обязательно существующей частицей в стандартной модели. Если он не будет найден, то стандартную модель придется считать неверной, от нее придется отказаться. Однако до тех пор, пока нет другой общепринятой теории, мы не можем говорить о какой-либо иной реальности, кроме той, которая содержится в лагранжиане стандартной модели. ,

«В каждой естественной науке заключено столько истины, сколько в ней математики» (И.Кант). Однако только сама природа решает, какая математика адекватна ее закономерностям, а какая - нет. Но даже если наши представления о структуре материи, о ее составляющих - кварках и глюонах - окажутся неверными и нам придется отказаться от них в будущем, то мы не можем жалеть о пройденном пути - за это время мы успели узнать удивительно много нового о природе микромира. Кстати, Пуанкаре писал, что в физике невозможно обойтись без гипотез (верных или неверных) «...и часто ложные гипотезы оказывали больше услуг, чем верные» .

Усилия, потраченные на создание стандартной модели? настолько велики, сама стандартная модель настолько выстрадана и настолько глубоко пронизана всеми достижениями теоретической и экспериментальной физики элементарных частиц, что отречься от нее или как-то изменить ее простым путем невозможно. Такое кризисное состояние несоответствия теории реальному миру элементарных частиц может оказаться весьма затяжным.

Выход из создавшегося положения может быть найден на пути решения ряда проблем, могущих кардинальным образом изменить наши представления о микромире. С моей точки зрения? до сих пор не существует окончательного ответа на ряд вопросов.

Я думаю, что до сих пор не ясно, существует в природе одна Λ°-частица или их две? Экспериментальные данные, публикуемые Particle Data Group, допускают возможность существования двух, разных по массе Λ°-частиц. Я обсуждал эту возможность в работе .

Неясно, по какому закону кинетическая энергия сталкивающихся частиц переходит в массу покоя (например, в реакции π+Λ→π+K). Соотношение Эйнштейна E=mc2 лишь постулирует эквивалентность массы и энергии, но не отвечает на поставленный вопрос. Дискретный спектр масс элементарных частиц явно указывает на существование условий, при которых энергия сталкивающихся частиц определенными квантами переходит в массу покоя. В работе я высказал положение о том, что энергия сталкивающихся частиц переходит в массу покоя в том случае, когда действие пропорционально целочисленному значению постоянной Планка.

До сих пор не было проведено целенаправленного поиска частиц со странностью S≥4. Может быть, теперь, когда создание SSC откладывается на неопределенный срок, экспериментаторы смогут в более спокойной творческой атмосфере, с большей статистикой определить, существуют ли две разных Λ°-частицы, и ответить на вопрос, существуют ли частицы со странностью S≥4.

Закономерности в природе существуют потому, что существует стабильность материи и повторяемость событий. Это негласно принятые нами постулаты. Однако сроки существования естественных экспериментальных наук слишком малы (всего несколько столетий), чтобы мы настаивали на неизменности форм фундаментальных составляющих материи. Русский ученый Н.И.Пирогов был ярым противником раз и навсегда данных неизменных атомов: «...Остановиться мыслью на вечно движущихся и вечно существовавших атомах я не могу теперь - вещество бесконечно делимое, движущееся и бесформенное само по себе, как-то случайно делается ограниченным и оформленным...» .

Пирогов (1810-1881 гг.) считал, что «возможно допустить образование вещества из скопления силы»..., т.е. он угадал и словами выразил то, что было позднее сформулировано Эйнштейном в его знаменитом соотношении E=mc2.

Я допускаю существование двух основных принципов развития форм материи во Вселенной.

1. Принцип рождения себе подобных видов материи. Этот принцип обеспечивает стабильность материи во Вселенной и повторяемость событий, обеспечивает существование закономерностей, а следовательно, постулируется познаваемость мира.

2. Принцип случайного отклонения от рождения себе подобных, что обеспечивает динамику развития Вселенной, поиск новых закономерностей развития Вселенной, сохраняет ту вечную тайну, которая составляет вечную сущность научно-исследовательского труда.

С точки зрения философской, здесь высказаны тезис, антитезис и синтез - знаменитая Гегелевская триада (развития Вселенной). Мы должны отказаться от принципа тождественности элементарных частиц одинакового сорта, если допускаем изменение масс во времени и пространстве.

Как понимается тождественность частиц в современной теоретической физике? Тождественные частицы невозможно различить ни по их внутренним свойствам, ни по их взаимодействию друг с другом, или с другими, отличающимися от них по внутренним свойствам, частицами. Например, все электроны имеют одинаковые значения масс, электрических зарядов, одинаковые спины, одинаковые внутренние четности, одинаковые размеры протяженности в пространстве. (Физики считают, что электроны имеют точечные размеры.) Их нельзя различить по их взаимодействиям с другими частицами (например, протонами, π-мезонами и др.).

В классической механике существует понятие траектории отдельно взятой частицы, что позволяет в принципе различать тождественные частицы в продолжении всего опыта. Даже при взаимодействии тождественных частиц друг с другом можно различать по траекториям частицы первую и вторую до и после взаимодействия. В квантовой механике невозможно различить две тождественные частицы, если волновые пакеты, описывающие эти частицы, перекрывались в процессе взаимодействия, т.е. в квантовой механике невозможно локализовать частицы, не нарушая при этом процесса взаимодействия. В результате возникают квантово-механические эффекты, не имеющие классических аналогий.

Под тождественными частицами понимаются такие частицы, при перестановке которых физическая система, в которую они входили, остается неизменной.

Труднее по сравнению с точечными электронами вообразить себе тождественность таких сложных частиц, как протоны, или мезоны. По современным представлениям протоны состоят из кварков и глюонов. Распределение кварков и глюонов, например, по импульсам в каждом протоне должно быть тождественным распределению кварков и глюонов по импульсам в любом другом протоне. Даже после взаимодействия какого-либо протона, допустим, с ядром какого-либо вещества, которое описывается с современной точки зрения как обмен глюонами или кварками, в рассеянном протоне не должно произойти какого-либо перераспределения по импульсам кварков и глюонов, отличного от невзаимодействовавшего какого-либо другого протона (с той же энергией, импульсом, массой). Вот такое «мгновенное» тождественное выравнивание внутренних распределений кварков и глюонов по импульсам у тождественных частиц кажется уже чрезмерным, непостижимым требованием современной квантовой хромодинамики даже для искушенных теоретиков. Например, в реакции рождения π-мезонов γ-квантами на протонах (γ+р→π+р) во вновь возникшем π-мезоне с бесконечно большим набором кварк-антикварковых пар и глюонов, их распределения по импульсам должно сразу принять вполне определенный математически строгий, тождественный с другими π-мезонами, вид. Если кварк-глюонное строение вещества признать верным, признать, что кварки и глюоны существуют реально, то с точки зрения «здравого смысла» в него трудно поверить. Если же гипотеза кварк-глюонного строения вещества есть способ математического описания структуры элементарных частиц, позволяющий объяснить все наблюдаемые явления с единой точки зрения, то такое понимание структуры частиц не должно вызывать возражений.

Таким образом, проблема тождественности элементарных частиц в наше время оказывается тесно связанной с проблемой наблюдаемости кварков и глюонов.

Допуская постоянное изменение масс во времени во всей Вселенной, можно прийти к выводам о существовании новых форм относительно стабильной материи, новым типам делимости материи, что и будет составлять сущность вечно меняющейся Вселенной. Может ли современная физика элементарных частиц уловить эти изменения на Земле и во Вселенной в наше время - это подлежит научной проверке. Вводя в теорию новые принципы развития Вселенной, мы придем к совершенно новому лагранжиану взаимодействия элементарных частиц, поймем, что дальше некоторого временного предела и назад, и вперед мы, находясь на Земле, Вселенную изучить не можем, поскольку законы ее развития менялись на разных этапах в прошлом пока не известным нам путем и будут меняться в будущем тоже пока не известным образом и только проникновение человека в космос (лично или его приборов) на дальние расстояния позволит расширить наши знания о путях развития Вселенной и приспособить род человеческий к ее эволюции. Ныне существующий довольно прямолинейный и я бы даже сказал примитивный способ использования стандартной модели для сценария развития Вселенной в виде Большого взрыва уступит место не менее захватывающему и динамичному сценарию, когда одна форма стабильности материи в одной из областей Вселенной будет в грандиозных масштабах превращаться в другую форму стабильности и когда эволюционные периоды развития материи в отдельных областях Вселенной могут сменяться фантастическими по своим размерам катаклизмами.

Отказ от принципа тождественности элементарных частиц приведет к обычному пониманию причинности, наступит эра пересмотра ряда статистических закономерностей. Разброс «тождественных» частиц по массам вместе с признанием принципа изменения масс во времени внесет в понимание развития Вселенной, да и самой жизни на Земле, тот необходимый принцип необратимости явлений во времени, который все мы признаем и испытываем на себе, но от которого сегодня отказываемся при описании явлений в физике микромира. Таким образом, P-нечетность, T-неинвариантность, ныне существующие в теории, получат естественное толкование.

В современной физике элементарных частиц предполагается, что масса элементарной частицы определяется ее взаимодействием с себе подобными или какими-либо другими частицами. Это предположение вместе с принципом тождественности элементарных частиц логически

приводит к представлению об абсолютной неподвижности Вселенной. Действительно, во Вселенной существует огромное число пар электронов, тождественных по массе, спину, четности, заряду (или пар других тождественных частиц, например пар протонов и т.д.). Если скорости частиц пары будут разными, то можно найти такую систему координат, в которой они будут двигаться с одинаковыми скоростями относительно начала координат этой системы. Но тогда вся остальная часть Вселенной обязана двигаться симметрично относительно данной пары электронов, чтобы «обеспечить» тождественность их масс. Так как тождественных пар частиц во Вселенной бесконечно много, то будет бесконечно много точек, относительно которых движения всех частей Вселенной должны быть симметричными. Разумным образом удовлетворить такому представлению о движении всех частей Вселенной можно, пожалуй, только предполагая, наоборот, неподвижность всех тел во Вселенной. Очевидно, проще отказаться от принципа тождественности элементарных частиц, либо от постулата о зависимости масс частиц от взаимодействия с другими частицами, чем признать неподвижность тел во Вселенной.

Мы не знаем, изменяется ли масса частиц во Вселенной в зависимости от времени и пространства. Нам трудно предположить, как будут меняться законы физики, химии, биологии и других наук в связи с изменением масс во времени и пространстве. Следовательно, остается неизвестной и эволюция Вселенной. Можно, в частности, предположить, что красное смещение спектральных линий, наблюдаемое в астрофизике, связано не только с расширением Вселенной, но и изменением масс элементарных частиц во Вселенной в зависимости от времени и пространства.

Еще в 1932 году наблюдалась реакция γ+ядро→ядро+(е+е -), т.е. наблюдалось превращение γ-кванта в пару (е+е -), без затраты энергии на создание электрического заряда. Природа более шестидесяти лет назад указала на принципиальную возможность рождения элементарной единицы электричества в соударении элементарных частиц, но у нас до сих пор нет ясного представления о динамике возникновения заряда, о природе происхождения электричества. Носителем заряда является масса, однако размер заряда не зависит от величины массы элементарной частицы - он всегда равен ±±е. Современные экспериментальные данные указывают на следующие закономерности :

1) в свободном состоянии все нейтральные частицы с массой покоя, отличной от нуля, нестабильны;

2) в свободном состоянии стабильные частицы с массой покоя, не равной нулю (протон, электрон и их античастицы), имеют электрический заряд.

Из этих закономерностей следует, что

1) если заряд нейтрино равен нулю, а его масса отлична от нуля, то нейтрино - нестабильная частица;

2) если нейтрино имеет массу покоя, отличную от нуля, и нейтрино - стабильная частица, то у нейтрино должен быть отличный от нуля электрический заряд, каким бы малым он ни был. Заряженные нейтрино тоже могут быть нестабильными. Однако после цепочки возможных распадов должны оставаться стабильные заряженные нейтрино, ибо, как мы знаем, единственным носителем заряда является масса. Естественнее всего, конечно, предположить, что у нейтрино нет электрического заряда и его масса равна нулю.

Итак, современная теория физики элементарных частиц не имеет решения ряда крупных физических проблем: происхождение массы, электрического заряда, тождественности масс частиц, изменение массы элементарных частиц во времени и некоторых других. Естественно, надо считаться с тем, что некоторые проблемы не могут быть решены на сегодняшнем этапе развития науки - для них не настало время. Можно привести исторический пример. В конце ХIХ - начале ХХ вв. теоретиками обсуждалась проблема структуры атома и электрона. Модель строения атома была дана Резерфордом. Структура электрона рассматривалась в начале ХХ в. в работах Абрагама, Лоренца, Пуанкаре. Однако до сих пор физики считают электрон точечной частицей, и у них нет необходимости отказаться от этого представления.

В цитированной мной в начале статьи книге Макс Борн пишет: «... Человек Запада, не в пример созерцательному жителю Востока, любит рискованную жизнь и физика является одним из его рискованных предприятий» . Я не знаю к человеку какого типа (западного или восточного) относит Макс Борн российских физиков, но из его высказывания видно, что чтобы стать настоящими физиками, российские физики обязаны рисковать и в том числе в области создания новой теории физики элементарных частиц. Если в основу теории были бы положены некоторые из упомянутых мною идей и выше названных закономерностей (например, отказ от тождественности элементарных частиц, изменение масс частиц во времени и пространстве, переход энергии в массу и др.), то теория элементарных частиц могла бы пойти иным путем, обогатившись новыми, вполне реальными закономерностями.

Примечания

Schweber S.S. Physics, community and the crisis in physical theory // physics today. 1993. November. P. 34-40.

Федеральное государственное образовательное учреждение

высшего профессионального образования

«ЮЖНЫЙ ФЕДЕРАЛЬНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ»

Экономический факультет

Элементарные частицы.

Их классификация и основные свойства.

Выполнила

студентка 1 курса 11 группы

Бубликова Екатерина

Ростов– на–Дону – 2009

Введение. Мир элементарных частиц.

Фундаментальные физические взаимодействия.

Гравитация.
Электромагнитное взаимодействие.
Слабое взаимодействие.
Сильное взаимодействие.

Классификация элементарных частиц.

Характеристики субатомных частиц.
История открытия элементарных частиц.

2.5. Теория кварков.

2.6. Частицы – переносчики взаимодействий.

3. Теории элементарных частиц.

3.1. Квантовая электродинамика.

3.2. Теория электрослабого взаимодействия.

3.3. Квантовая хромодинамика.

3.4. На пути к… Великому объединению.

Список использованной литературы.

Мир элементарных частиц.

В середине и второй половине ХХ века в тех разделах физики, которые заняты изучением фундаментальной структуры материи, были получены поистине удивительные результаты. Прежде всего это проявилось в открытии целого множества новых субатомных частиц. Их обычно называют элементарными частицами, но далеко не все из них действительно элементарны. Элементарные частицы в точном значении этого термина - первичные, далее неразложимые частицы, из которых, по предположению, состоит вся материя, но многие из них в свою очередь состоят из еще более элементарных частичек.

Мир субатомных частиц поистине многообразен. В настоящее время известно более 350 элементарных частиц. К ним относятся протоны и нейтроны, составляющие атомные ядра, а также обращающиеся вокруг ядер электроны. Но есть и такие частицы, которые в окружающем нас веществе практически не встречаются. Если среднее время жизни нейтрона, находящегося вне атомного ядра, составляет 15 минут, то время жизни таких короткоживущих частиц чрезвычайно мало, оно составляет мельчайшие доли секунды. По истечении этого чрезвычайно короткого времени они распадаются на обычные частицы. Таких нестабильных короткоживущих частиц поразительно много: их известно уже несколько сотен. Однако нельзя считать, что нестабильные элементарные частицы «состоят» из стабильных хотя бы потому, что одна и та же частица может распадаться несколькими способами на различные элементарные частицы.

Каждая элементарная частица (за исключением абсолютно нейтральных частиц) имеет свою античастицу.

Cуществование элементарных частиц физики обнаружили при изучении ядерных процессов, поэтому вплоть до середины XX века физика элементарных частиц была разделом ядерной физики. В настоящее время физика элементарных частиц и ядерная физика являются близкими, но самостоятельными разделами физики, объединенными общностью многих рассматриваемых проблем и применяемыми методами исследования. Главная задача физики элементарных частиц - это исследование природы, свойств и взаимных превращений элементарных частиц.

В 60-70-е годы физики были совершенно сбиты с толку многочисленностью, разнообразием и необычностью вновь открытых субатомных частиц. Казалось, им не будет конца. Совершенно непонятно, 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 века физика начинает понимать, каково значение каждой из элементарных частиц.

Миру субатомных частиц присущ глубокий и рациональный порядок. В основе этого порядка - фундаментальные физические взаимодействия.

1.Фундаментальные физические взаимодействия.

В свой повседневной жизни человек сталкивается с множеством сил, действующих на тела. Здесь и сила ветра или набегающего потока воды, давление воздуха, мощный выброс взрывающихся химических веществ, мускульная сила человека, вес тяжелых объектов, давление квантов света, притяжение и отталкивание электрических зарядов, сейсмические волны, вызывающие подчас катастрофические разрушения, и вулканические извержения, приводившие к гибели цивилизации, и т. д. Одни силы действуют непосредственно при контакте с телом, другие, например, гравитация, действуют на расстоянии, через пространство. Но, как выяснилось в результате развития теоретического естествознания, несмотря на столь большое разнообразие, все действующие в природе силы можно свести всего лишь к четырем фундаментальным взаимодействиям: гравитационное, электромагнитное, слабое и сильное. Именно эти взаимодействия в конечном счете отвечают за все изменения в мире, именно они являются источником всех преобразований тел и процессов. Элементарные частицы разделяются на группы по способностям к различным видам фундаментальных взаимодействий. Изучение свойств фундаментальных взаимодействий составляет главную задачу современной физики.

1.1. Гравитация.

В истории физики гравитация (тяготение) стала первым из четырех фундаментальных взаимодействий предметом научного исследования. После появления в ХVII в. ньютоновской теории гравитации - закона всемирного тяготения - удалось впервые осознать истинную роль гравитации как силы природы. Гравитация обладает рядом особенностей, отличающих ее от других фундаментальных взаимодействий.

Наиболее удивительной особенностью гравитации является ее малая интенсивность. Величина гравитационного взаимодействия между компонентами атома водорода составляет 10n, где n = -39, от силы взаимодействия электрических зарядов. Может показаться удивительным, что мы вообще ощущаем гравитацию, коль скоро она так слаба. Как она может оказаться господствующей силой во Вселенной?

Все дело во второй удивительной черте гравитации - ее универсальности. Ничто во Вселенной не избавлено от гравитации. Каждая частица испытывает на себе действие гравитации и сама является источником гравитации. Поскольку каждая частица вещества вызывает гравитационное притяжение, гравитация возрастает по мере образования все больших скоплений вещества. Мы ощущаем гравитацию в повседневной жизни потому, что все атомы Земли сообща притягивают нас. И хотя действие гравитационного притяжения одного атома пренебрежимо мало, но результирующая сила притяжения со стороны всех атомов может быть значительной.

Гравитация - дальнодействующая сила природы. Это означает, что, хотя интенсивность гравитационного взаимодействия убывает с расстоянием, оно распространяется в пространстве и может сказываться на весьма удаленных от источника телах. В астрономическом масштабе гравитационное взаимодействие, как правило, играет главную роль. Благодаря дальнодействию гравитация не позволяет Вселенной развалиться на части: она удерживает планеты на орбитах, звезды в галактиках, галактики в скоплениях, скопления в Метагалактике.

Сила гравитации, действующая между частицами, всегда представляет собой силу притяжения: она стремится сблизить частицы. Гравитационное отталкивание никогда еще не наблюдалось (хотя в традициях квазинаучной мифологии есть целая область, которая называется левитация - поиск "фактов" антигравитации). Поскольку энергия, запасенная в любой частице, всегда положительна и наделяет ее положительной массой, частицы под действием гравитации всегда стремятся сблизиться.

Чем является гравитация, неким полем или проявлением искривления пространства-времени, - на этот вопрос пока еще однозначного ответа нет. Существуют разные мнения и концепции физиков на сей счет.

1.2. Электромагнитное взаимодействие.

По величине электрические силы намного превосходят гравитационные. В отличие от слабого гравитационного взаимодействия, электрические силы, действующие между телами обычных размеров, можно легко наблюдать. Электромагнетизм известен людям с незапамятных времен (полярные сияния, вспышки молнии и др.).

В течение долгого времени электрические и магнитные процессы изучались независимо друг от друга. Решающий шаг в познании электромагнетизма сделал в середине XIX века Дж. К. Максвелл, объединивший электричество и магнетизм в единой теории электромагнетизма - первой единой теории поля.

Существование электрона было твердо установлено в 90-e годы прошлого столетия. Ныне известно, что электрический заряд любой частицы вещества всегда кратен фундаментальной единице заряда - своего рода "атому" заряда. Почему это так - чрезвычайно интересный вопрос. Однако не все материальные частицы являются носителями электрического заряда. Например, фотон и нейтрино электрически нейтральны. В этом отношении электричество отличается от гравитации. Все материальные частицы создают гравитационное поле, тогда как с электромагнитным полем связаны только заряженные частицы. Переносчиком электромагнитного взаимодействия между заряженными частицами является электромагнитное поле, или кванты поля - фотоны.

Как и электрические заряды, одноименные магнитные полюса отталкиваются, а разноименные - притягиваются. Однако в отличие от электрических зарядов магнитные полюса встречаются не по отдельности, а только парами - северный полюс и южный полюс. Еще с древнейших времен известны попытки получить посредством разделения магнита лишь один изолированный магнитный полюс - монополь. Но все они заканчивались неудачей. Может быть, существование изолированных магнитных полюсов в природе исключено? Определенного ответа на этот вопрос пока не существует. Некоторые теоретические концепции допускают возможность существования монополя.

Как электрическое и гравитационное взаимодействия, взаимодействие магнитных полюсов подчиняется закону обратных квадратов. Следовательно, электрическая и магнитная силы "дальнодействующие", и их действие ощутимо на больших расстояниях от источника. Так, магнитное поле Земли простирается далеко в космическое пространство. Мощное магнитное поле Солнца заполняет всю Солнечную систему. Существуют и галактические магнитные поля.

Электромагнитное взаимодействие определяет структуру атомов и отвечает за подавляющее большинство физических и химических явлений и процессов. Электромагнитное взаимодействие приводит также к излучению электромагнитных волн.

1.3. Слабое взаимодействие.

К выявлению существования слабого взаимодействия физика продвигалась медленно. Слабое взаимодействие ответственно за распады частиц, и поэтому с его проявлением столкнулись с открытием радиоактивности и исследованием бета-распада.

У бета-распада обнаружилась в высшей степени странная особенность. Исследования приводили к выводу, что в этом распаде нарушается один из фундаментальных законов физики - закон сохранения энергии. Казалось, что в этом распаде часть энергии куда-то исчезала. Чтобы "спасти" закон сохранения энергии, В. Паули предположил, что вместе с электроном при бета - распаде вылетает еще одна частица. Она - нейтральная и обладающая необычайно высокой проникающей способностью, вследствие чего ее не удавалось наблюдать. Э. Ферми назвал частицу-невидимку "нейтрино".

Нейтрино (итал. neutrino, уменьшительное от neutrone - нейтрон), стабильная незаряженная элементарная частица со спином 1/2 и, возможно, нулевой массой. Нейтрино относится к лептонам. Они участвуют только в слабом и гравитационном взаимодействиях и поэтому чрезвычайно слабо взаимодействуют с веществом. Различают электронное нейтрино, всегда выступающее в паре с электроном или позитроном, мюонное нейтрино, выступающее в паре с мюоном, и тау-нейтрино, связанное с тяжелым лептоном. Каждый тип нейтрино имеет свою античастицу, отличающуюся от нейтрино знаком соответствующего лептонного заряда и спиральностью: нейтрино имеют левую спиральность (спин направлен против движения частицы), а антинейтрино - правую (спин - по направлению движения).

Но предсказание и обнаружение нейтрино - это только начало проблемы, ее постановка. Нужно было объяснить природу нейтрино, но здесь оставалось много загадочного. Дело в том, что и электроны и нейтрино испускались нестабильными ядрами. Но было неопровержимо доказано, что внутри ядер таких частиц нет. Как же они возникали? Было высказано предположение, что электроны и нейтрино не существуют в ядре в "готовом виде", а каким-то образом образуются из энергии радиоактивного ядра. Дальнейшие исследования показали, что входящие в состав ядра нейтроны, предоставленные самим себе, через несколько минут распадаются на протон, электрон и нейтрино, т.е. вместо одной частицы появляются три новые. Анализ приводил к выводу, что известные силы не могут вызвать такой распад. Он, видимо, порождался какой-то иной, неизвестной силой. Исследования показали, что этой силе соответствует некоторое слабое взаимодействие.

Оно гораздо слабее электромагнитного, хотя и сильнее гравитационного. Оно распространяется на очень незначительных расстояниях. Радиус слабого взаимодействия очень мал и составляет около 2*10^(-16)см. Слабое взаимодействие прекращается на минимальном расстоянии от источника и потому не может влиять на макроскопические объекты, а ограничивается отдельными субатомными частицами. В слабом взаимодействии участвуют все элементарные частицы, кроме фотона. Оно обусловливает большинство распадов элементарных частиц, взаимодействия нейтрино с веществом и др. Для слабого взаимодействия характерно нарушение четности, странности, «очарования». Единая теория слабого и электромагнитного взаимодействия была создана в конце б0-х годов С. Вайнбергом, Ш. Глэшоу и А. Саламом. Она описывает взаимодействия кварков и лептонов, осуществляемых посредством обмена четырьмя частицами: безмассовыми фотонами (электромагнитное взаимодействие) и тяжелыми промежуточными векторными бозонами - частицами W+, W- и Z°, которые являются переносчиками слабого взаимодействия (экспериментально открыты в 1983 году). Это единое взаимодействие стало называться электрослабым. С момента построения Максвеллом теории электромагнитного поля создание этой теории явилось самым крупным шагом на пути к единству физики.

1.4. Сильное взаимодействие.

Последнее в ряду фундаментальных взаимодействий - сильное взаимодействие, которое является источником огромной энергии. Наиболее характерный пример энергии, высвобождаемой сильным взаимодействием, - это наше Солнце. В недрах Солнца и звезд, начиная с определенного времени, непрерывно протекают термоядерные реакции, вызываемые сильным взаимодействием. Но и человек научился высвобождать сильное взаимодействие: создана водородная бомба, сконструированы и совершенствуются технологии управляемой термоядерной реакции.

К представлению о существовании сильного взаимодействия физика шла в ходе изучения структуры атомного ядра. Какая-то сила должна удерживать протоны в ядре, не позволяя им разлетаться под действием электростатического отталкивания. Гравитация для этого слишком слаба; очевидно, необходимо какое-то новое взаимодействие, причем, более сильное, чем электромагнитное. Впоследствии оно было обнаружено. Выяснилось, что хотя по своей величине сильное взаимодействие существенно превосходит все остальные фундаментальные взаимодействия, но за пределами ядра оно не ощущается. Радиус действия новой силы оказался очень малым. Сильное взаимодействие резко падает на расстоянии от протона или нейтрона, превышающем примерно 10^(-15) м.

Кроме того, выяснилось, что сильное взаимодействие испытывают не все частицы. Его испытывают протоны и нейтроны, но электроны, нейтрино и фотоны не подвластны ему. Это значит, что в сильном взаимодействии участвуют только адроны.

Сильное взаимодействие превосходит электромагнитное примерно в 100 раз. Теоретическое объяснение природы сильного взаимодействия развивалось трудно. Прорыв наметился в начале 60-х годов, когда была предложена кварковая модель. В этой теории нейтроны и протоны рассматриваются не как элементарные частицы, а как составные системы, построенные из кварков. Современной теорией сильного взаимодействия является квантовая хромодинамика.

Таким образом, в фундаментальных физических взаимодействиях четко прослеживается различие сил дальнодействующих и близкодействующих. С одной стороны, имеют место взаимодействия неограниченного радиуса действия (гравитация, электромагнетизм), а с другой - взаимодействия малого радиуса действия (сильное и слабое). Мир физических элементов в целом развертывается в единстве этих двух полярностей и является воплощением единства предельно малого и предельно большого - близкодействия в микромире и дальнодействия во всей Вселенной.

1.5. Проблема единства физики.

Познание есть обобщение действительности, и поэтому цель науки - поиск единства в природе, связывание разрозненных фрагментов знания в единую картину. Для того чтобы создать единую систему, нужно открыть связующее звено между различными отраслями знания, некоторое фундаментальное отношение. Поиск таких связей и отношений - одна из главных задач научного исследования. Всякий раз, когда удается установить такие новые связи, значительно углубляется понимание окружающего мира, формируются новые способы познания, которые указывают путь к не известным ранее явлениям.

Установление глубинных связей между различными областями природы - это одновременно и синтез знания, и метод, направляющий научные исследования по новым, непроторенным дорогам. Выявление Ньютоном связи между притяжением тел в земных условиях и движением планет ознаменовало собой рождение классической механики, на основе которой построена технологическая база современной цивилизации. Установление связи термодинамических свойств газа с хаотическим движением молекул поставило на прочную основу атомно-молекулярную теорию вещества. В середине прошлого столетия Максвелл создал единую электромагнитную теорию, охватившую как электрические, так и магнитные явления. Затем в 20-х годах ХХ века Эйнштейн предпринимал попытки объединить в единой теории электромагнетизм и гравитацию.

Но к середине ХХ века положение в физике радикально изменилось: были открыты два новых фундаментальных взаимодействия - сильное и слабое, т.е. при создании единой физики приходится считаться уже не с двумя, а с четырьмя фундаментальными взаимодействиями. Это несколько охладило пыл тех, кто надеялся на быстрое решение данной проблемы. Но сам замысел под сомнение всерьез не ставился, и увлеченность идеей единого описания не прошла.

Существует точка зрения, что все четыре (или хотя бы три) взаимодействия представляют собой явления одной природы и должно быть найдено их единое теоретическое описание. Перспектива создания единой теории мира физических элементов на основе одного-единственного фундаментального взаимодействия остается весьма привлекательной. Это главная мечта физиков ХХ века. Но долгое время она оставалась лишь мечтой, и очень неопределенной.

Однако во второй половине ХХ века появились предпосылки осуществления этой мечты и уверенность, что это дело отнюдь не отдаленного будущего. Похоже, что вскоре она вполне может стать реальностью. Решающий шаг на пути к единой теории был сделан в 60-70-х годах с созданием сначала теории кварков, а затем и теории электрослабого взаимодействия. Есть основания для мнения, что мы стоим на пороге более могущественного и глубокого объединения, чем когда-либо ранее. Среди физиков усиливается убеждение, что начинают вырисовываться контуры единой теории всех фундаментальных взаимодействий - Великого объединения.

2. Классификация элементарных частиц.

2.1. Характеристики субатомных частиц.

Обнаружение на рубеже ХIХ-ХХ веков мельчайших носителей свойств вещества - молекул и атомов - и установление того факта, что молекулы построены из атомов, впервые позволило описать все известные вещества как комбинации конечного, хотя и большого, числа структурных составляющих - атомов. Выявление в дальнейшем наличия составных слагающих атомов - электронов и ядер, установление сложной природы ядер, оказавшихся построенными всего из двух типов частиц (протонов и нейтронов), существенно уменьшило количество дискретных элементов, формирующих свойства вещества. Нельзя с уверенностью утверждать, что частицы, элементарные в смысле приведённого определения, существуют. Протоны и нейтроны, например, длительное время считавшиеся элементарными, 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 лишённым содержания. От данного выше определения «элементарности» в этом случае придется отказаться. Существование элементарных (субатомных) частиц - это своего рода постулат, и проверка его справедливости - одна из важнейших задач физики.

Характеристиками субатомных частиц являются масса, электрический заряд, спин (собственный момент количества движения), время жизни частицы, магнитный момент, пространственная четность, зарядовая четность, лептонный заряд, барионный заряд, странность, «очарование» и др.

Когда говорят о массе частицы, имеют в виду ее массу покоя, поскольку эта масса 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 известных элементарных частиц (Z - частица) обладает массой в 200 000 раз больше массы электрона.

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

Важная характеристика частицы - спин. Он не имеет классического аналога и, безусловно, указывает на “внутреннюю сложность” микрообъекта. Правда, иногда с понятием спина пытаются сопоставить модель объекта, вращающегося вокруг своей оси (само слово “спин” переводится как “веретено”). Такая модель наглядна, но неверна. Во всяком случае ее нельзя принимать буквально. Встречающийся в литературе термин “вращающийся микрообъект” означает отнюдь не вращение микрообъекта, а лишь наличие у него специфического внутреннего момента импульса. Для того, чтобы этот момент “превратился” в классический момент импульса (и тем самым объект действительно начал бы вращаться), необходимо потребовать выполнение условия s >> 1 (много больше единицы). Однако такое условие никогда не выполняется. Спин также всегда кратен некоторой фундаментальной единице, которая выбрана равной Ѕ. Спин у всех частиц одного вида одинаков. Обычно спины частиц измеряют в единицах постоянной Планка ћ. Он может быть целым (0, 1, 2,...) или полуцелым (1/2, 3/2,...). Так, протон, нейтрон и электрон имеют спин Ѕ, а спин фотона равен 1. Известны частицы со спином 0, 3/2, 2. Частица со спином 0 при любом угле поворота выглядит одинаково. Частицы со спином 1 принимают тот же вид после полного оборота на 360°. Частица со спином 1/2 приобретает прежний вид после оборота на 720° и т.д. Частица со спином 2 принимает прежнее положение через пол-оборота (180°). Частиц со спином более 2 не обнаружено, и возможно их вообще не существует. Знание спина микрообъекта позволяет судить о характере его поведения в коллективе себе подобных (иначе говоря, позволяет судить о статистических свойствах микрообъекта). Оказывается, что по своим статистическим свойствам все микрообъекты в природе разделяются на две группы: группа микрообъектов с целочисленным спином и группа микрообъектов с полуцелым спином.

Микрообъекты первой группы способны “заселять” одно и тоже состояние в неограниченном числе, причем тем выше, чем сильнее это состояние “заселено”. О таких микрообъектах говорят, что они подчиняются статистике Бозе - Эйнштейна. Для краткости их называют просто бозонами. Микрообъекты второй группы могут “заселять” состояния только поодиночке. И если рассматриваемое состояние занято, то никакой микрообъект данного типа не может попасть в него. О таких микрообъектах говорят, что подчиняются статистике Ферми - Дирака, а для краткости их называют фермионами. Из элементарных частиц к бозонам относятся фотоны и мезоны, а к фермионам - лептоны (в частности электроны), нуклоны, гипероны.

Частицы характеризуются и временем их 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 10n сек (где n = -23). Это означает, что они, когда это время истекает, самопроизвольно, без каких-либо внешних воздействий распадаются, превращаясь в другие частицы. Например, нейтрон самопроизвольно распадается на протон, электрон и электронное антинейтрино. Невозможно предсказать, когда именно произойдет указанный распад того или иного конкретного нейтрона, ведь каждый конкретный акт распада случаен. Каждая нестабильная элементарная частица характеризуется своим временем жизни. Чем меньше время жизни, тем больше вероятность распада частицы. Нестабильность присуща не только элементарным частицам, но и другим микрообъектам. Явление радиоактивности (самопроизвольное превращение изотопов одного химического элемента в изотопы другого, сопровождающееся испусканием частиц) показывает, что нестабильными могут быть атомные ядра. Атомы и молекулы в возбужденных состояниях также оказываются нестабильными: они самопроизвольно переходят в основное или менее возбужденное состояние.

Определяемая вероятностными законами нестабильность есть, наряду с наличием спина, второе сугубо специфическое свойство, присущее микрообъектам. Его также можно рассматривать как указание на некую “внутреннюю сложность” микрообъекта.

Однако нестабильность - это специфическое, но отнюдь не обязательное свойство микрообъекта. Наряду с нестабильными существует много стабильных микрообъектов: фотон, электрон, протон, нейтрино, стабильные атомные ядра, а также атомы и молекулы в основном состоянии.

Лептонный заряд (лептонное число) - внутренняя характеристика лептонов. Он обозначается буквой L. Для лептонов он равен +1, а для антилептонов -1. Различают: электронный лептонный заряд, которым обладают только электроны, позитроны, электронные нейтрино и антинейтрино; мюонный лептонный заряд, которым обладают только мюоны и мюонные нейтрино и антинейтрино; лептонный заряд тяжелых лептонов и их нейтрино. Алгебраическая сумма лептонного заряда каждого типа с очень высокой точностью сохраняется при всех взаимодействиях.

Барионный заряд (барионное число) - одна из внутренних характеристик барионов. Обозначается буквой B. У всех барионов B = +1, а у их античастиц B = -1 (у остальных элементарных частиц B = 0). Алгебраическая сумма барионных зарядов, входящих в систему частиц, сохраняется при всех взаимодействиях.

Странность - целое (нулевое, положительное или отрицательное) квантовое число, характеризующее адроны. Странность частиц и античастиц противоположны по знаку. Адроны с Ѕ, равным 0, называются странными. Странность сохраняется в сильном и электромагнитном взаимодействиях, но нарушается в слабом взаимодействии.

«Очарование» (шарм) - квантовое число, характеризующее адроны (или кварки). Оно сохраняется в сильном и электромагнитном взаимодействиях, но нарушается слабым взаимодействием. Частицы с ненулевым значением «очарование» называются «очарованными» частицами.

Магнетон - единица измерения магнитного момента в физике атома, атомного ядра и элементарных частиц. Магнитный момент, обусловленный орбитальным движением электронов в атоме и их спином, измеряется в магнетонах Бора. Магнитный момент нуклонов и ядер измеряется в ядерных магнетонах.

Четность - еще одна характеристика субатомных частиц. Четность - это квантовое число, характеризующее симметрию волновой функции физической системы или элементарной частицы при некоторых дискретных преобразованиях: если при таком преобразовании функция не меняет знака, то четность положительна, если меняет, то четность отрицательна. Для абсолютно нейтральных частиц (или систем), которые тождественны своим античастицам, кроме четности пространственной, можно ввести понятия зарядовой четности и комбинированной четности (для остальных частиц замена их античастицами меняет саму волновую функцию).

Пространственная четность - квантовомеханическая характеристика, отражающая свойства симметрии элементарных частиц или их систем при зеркальном отражении (пространственной инверсии). Эта четность обозначается буквой Р и сохраняется во всех взаимодействиях, кроме слабого.

Зарядовая четность - четность абсолютной нейтральной элементарной частицы или системы, соответствующая операции зарядового сопряжения. Зарядовая четность также сохраняется во всех взаимодействиях, кроме слабого.

Комбинированная четность - четность абсолютно нейтральной частицы (или системы) относительно комбинированной инверсии. Комбинированная четность сохраняется во всех взаимодействиях, за исключением распадов долгоживущего нейтрального К - мезона, вызванных слабым взаимодействием (причина этого нарушения комбинированной четности пока не выяснена).

2.2. История открытия элементарных частиц.

Представление о том, что мир состоит из фундаментальных частиц, имеет долгую историю. Впервые мысль о существовании мельчайших невидимых частиц, из которых состоят все окружающие предметы, была высказана за 400 лет до нашей эры греческим философом Демокритом. Он назвал эти частицы атомами, т. е. неделимыми частицами. Наука начала использовать представление об атомах только в начале XIX века, когда на этой основе удалось объяснить целый ряд химических явлений. В 30-е годы XIX века в теории электролиза, развитой М. Фарадеем, появилось понятие иона и было выполнено измерение элементарного заряда. Но примерно с середины XIX века стали появляться экспериментальные факты, которые ставили под сомнение представления о неделимости атомов. Результаты этих экспериментов наводили на мысль о том, что атомы имеют сложную структуру и что в их состав входят электрически заряженные частицы. Это подтвердил французский физик Анри Беккерель, который в 1896 году открыл явление радиоактивности.

Затем последовало открытие первой элементарной частицы английским физиком Томсоном в 1897 году. Это был электрон, который окончательно обрел статус реального физического объекта и стал первой известной элементарной частицей в истории человечества. Его масса примерно в 2000 раз меньше массы атома водорода и равна:

m = 9.11*10^(-31) кг.

Отрицательный электрический заряд электрона называется элементарным и равен:

e = 0.60*10^(-19) Кл.

Анализ атомных спектров показывает, что спин электрона равен 1/2, а его магнитный момент равен одному магнетону Бора. Электроны подчиняются статистике Ферми, так как они обладают полуцелым спином. Это согласуется с экспериментальными данными о структуре атомов и о поведении электронов в металлах. Электроны участвуют в электромагнитных, слабых и гравитационных взаимодействиях.

Второй открытой элементарной частицей был протон (от греч. protos - первый). Эту элементарную частицу открыл в 1919 году Резерфорд, исследуя продукты расщепления ядер атомов различных химических элементов. В буквальном смысле протон – ядро атома самого легкого изотопа водорода - протия. Спин протона равен 1/2. Протон обладает положительным элементарным зарядом +e. Его масса равна:

m = 1.67*10^(-27) кг.

или примерно 1836 масс электрона. Протоны входят в состав ядер всех атомов химических элементов. После этого в 1911 году Резерфордом была предложена планетарная модель атома, которая помогла ученым в дальнейших исследованиях состава атомов.

В 1932 году Дж. Чедвик открыл третью элементарную частицу нейтрон (от лат. neuter - ни тот, ни другой), который не имеет электрического заряда и обладает массой примерно 1839 масс электрона. Спин нейтрона также равен 1/2.

Вывод о существовании частицы электромагнитного поля - фотона - берёт своё начало с работы М. Планка (1900 год). Предположив, что энергия электромагнитного излучения абсолютно чёрного тела квантованна (т.е. состоит из квантов), Планк получил правильную формулу для спектра излучения. Развивая идею Планка, А. Эйнштейн (1905 год) постулировал, что электромагнитное излучение (свет) в действительности является потоком отдельных квантов (фотонов), и на этой основе объяснил закономерности фотоэффекта. Прямые экспериментальные доказательства существования фотона были даны Р. Милликеном в 1912 - 1915 годах и А. Комптоном в 1922 году.

Открытие нейтрино - частицы, почти не взаимодействующей с веществом, ведёт своё начало от теоретической догадки В. Паули в 1930 году, позволившей за счёт предположения о рождении такой частицы устранить трудности с законом сохранения энергии в процессах бета-распада радиоактивных ядер. Экспериментально существование нейтрино было подтверждено лишь в 1953 году Ф. Райнесем и К. Коуэном.

Но в веществе состоят не только частицы. Также существуют античастицы - элементарные частицы, имеющие те же массу, спин, время жизни и некоторые другие внутренние характеристики, что и их «двойники»-частицы, но отличающиеся от частиц знаками электрического заряда и магнитного момента, барионного заряда, лептонного заряда, странности и др. Все элементарные частицы, кроме абсолютно нейтральных, имеют свои античастицы.

Первой открытой античастицей стал позитрон (от лат. positivus - положительный) - частица с массой электрона, но положительным электрическим зарядом. Эта античастица была обнаружена в составе космических лучей американским физиком Карлом Дейвидом Андерсоном в 1932 году. Интересно то, что существование позитрона было теоретически предсказано английским физиком Полем Дираком почти за год до экспериментального открытия. Более того, Дирак предсказал так называемые процессы аннигиляции (исчезновения) и рождения электронно-позитронной пары. Сама по себе аннигиляция пары - один из видов превращений элементарных частиц, происходящий при столкновении частицы с античастицей. При аннигиляции частица и античастица исчезают, превращаясь в другие частицы, число и сорт которых лимитируются законами сохранения. Процесс, обратный аннигиляции, - рождение пары. Сам по себе позитрон стабилен, но в веществе из-за аннигиляции с электронами существует очень короткое время. Аннигиляция электрона и позитрона заключается в том, что они при встрече исчезают, превращаясь в γ- кванты (фотоны). А при столкновении γ- кванта с каким-либо массивным ядром происходит рождение электронно-позитронной пары.

В 1955 году была обнаружена еще одна античастица - антипротон, а несколько позже - антинейтрон. Антинейтрон, так же как и нейтрон, не имеет электрического заряда, но он, бесспорно, относится к античастицам, поскольку участвует в процессе аннигиляции и рождения пары нейтрон - антинейтрон.

Возможность получения античастиц привела ученых к идее о создании антивещества. Атомы антивещества должны быть построены таким образом: в центре атома - отрицательно заряженное ядро, состоящее из антипротонов и антинейтронов, а вокруг ядра обращаются позитроны, имеющие положительный заряд. В целом атом также получается нейтрален. Эта идея получила блестящее экспериментальное подтверждение. В 1969 году на ускорителе протонов в городе Серпухове советские физики получили ядра атомов антигелия. Также в 2002 году на ускорителе ЦЕРНа в Женеве было получено 50000 атомов антиводорода. Но, несмотря на это, скопления антивещества во Вселенной пока не обнаружены. Также становится ясно, что при малейшем взаимодействии антивещества с любым веществом произойдет их аннигиляция, которая будет сопровождаться огромным выбросом энергии, в несколько раз превосходящей энергию атомных ядер, что крайне небезопасно для людей и окружающей среды.

В настоящее время экспериментально обнаружены античастицы почти всех известных элементарных частиц.

Большую роль в физике элементарных частиц играют законы сохранения, устанавливающие равенство между определенными комбинациями величин, характеризующих начальное и конечное состояние системы. Арсенал законов сохранения в квантовой физике больше, чем в классической. Он пополнился законами сохранения различных четностей (пространственной, зарядовой), зарядов (лептонного, барионного и др.), внутренних симметрий, свойственных тому или иному типу взаимодействия.

Выделение характеристик отдельных субатомных частиц - важный, но только начальный этап познания их мира. На следующем этапе нужно еще понять, какова роль каждой отдельной частицы, каковы ее функции в и структуре материи.

Физики выяснили, что прежде всего свойства частицы определяются ее способностью (или неспособностью) участвовать в сильном взаимодействии. Частицы, участвующие в сильном взаимодействии, образуют особый класс и называются адронами. Частицы, участвующие в слабом взаимодействии и не участвующие в сильном, называются лептонами. Кроме того, существуют частицы-переносчики взаимодействий.

2.3. Лептоны.

Лептоны считаются истинно элементарными частицами. Хотя лептоны могут иметь электрический заряд, а могут и не иметь, спин у всех у них равен 1/2. Среди лептонов наиболее известен электрон. Электрон - это первая из открытых элементарных частиц. Как и все остальные лептоны, электрон, по-видимому, является элементарным (в собственном смысле этого слова) объектом. Насколько известно, электрон не состоит из каких-то других частиц.

Другой хорошо известный лептон - нейтрино. Нейтрино являются наиболее распространенными частицами по Вселенной. Вселенную можно представить безбрежным нейтринным морем, в котором изредка встречаются острова в виде атомов. Но несмотря на такую распространенность нейтрино, изучать их очень сложно. Как мы уже отмечали, нейтрино почти неуловимы. Не участвуя ни в сильном, ни в электромагнитном взаимодействиях, они проникают через вещество, как будто его вообще нет. Нейтрино - это некие "призраки физического мира".

Достаточно широко распространены в природе мюоны, на долю которых приходится значительная часть космического излучения. Во многих отношениях мюон напоминает электрон: имеет тот же заряд и спин, участвует в тех те взаимодействиях, но имеет большую массу (около 207 масс электрона) и нестабилен. Примерно за две миллионные доли секунды мюон распадается на электрон и два нейтрино. В конце 70-х годов был обнаружен третий заряженный лептон, получивший название "тау-лептон". Это очень тяжелая частица. Ее масса около 3500 масс электрона. Но во всем остальном он ведет себя подобно электрону и мюону.

В 60-х годах список лептонов значительно расширился. Было установлено, что существует несколько типов нейтрино: электронное нейтрино, мюонное нейтрино и тау-нейтрино. Таким образом, общее число разновидностей нейтрино равно трем, а общее число лептонов - шести. Разумеется, у каждого лептона есть своя античастица; таким образом, общее число различных лептонов равно двенадцати. Нейтральные лептоны участвуют только в слабом взаимодействии; заряженные - в слабом и электромагнитном. Все лептоны участвуют в гравитационном взаимодействии, но не способны к сильным.

2.4. Адроны.

Если лептонов существует чуть свыше десятка, то адронов сотни. Такое множество адронов наводит на мысль, что адроны не элементарные частицы, а построены из более мелких частиц. Все адроны встречаются в двух разновидностях - электрически заряженные и нейтральные. Среди адронов наиболее известны и широко распространены нейтрон и протон, которые в свою очередь относятся к классу нуклонов. Остальные адроны короткоживущие и быстро распадаются. Адроны участвуют во всех фундаментальных взаимодействиях. Они делятся на барионы и мезоны. К барионам относятся нуклоны и гипероны.

Для объяснения существования ядерных сил взаимодействия между нуклонами квантовая теория требовала существования особых элементарных частиц с массой больше массы электрона, но меньше массы протона. Эти предсказанные квантовой теорией частицы позже были названы мезонами. Мезоны были обнаружены экспериментально. Их оказалось целое семейство. Все они оказались короткоживущими нестабильными частицами, живущими в сободном состоянии миллиардные доли секунды. Например, заряженный пи-мезон или пион, имеет массу покоя 273 электронных массы и время жизни:

t = 2.6*10^(-8) с.

Далее при исследованиях на ускорителях заряженных частиц были обнаружены частицы с массами, превосходящими массу протона. Эти частицы были названы гиперонами. Их обнаружилось даже больше, чем мезонов. К семейству гиперонов относятся: лямбда-, сигма-, кси- и омега-минус-гипероны.

Существование и свойства большинства известных адронов были установлены в опытах на ускорителях. Открытие множества разнообразных адронов в 50-60-x годах крайне озадачило физиков. Но со временем адроны удалось классифицировать по массе, заряду и спину. Постепенно стала выстраиваться более или менее четкая картина. Появились конкретные идеи о том, как систематизировать хаос эмпирических данных, раскрыть тайну адронов в научной теории. Решающий шаг здесь был сделан в 1963 году, когда была предложена теория кварков.

2.5. Теория кварков.

Теория кварков - это теория строения адронов. Основная идея этой теории очень проста. Все адроны построены из более мелких частиц, называемых кварками. Значит, кварки - это более элементарные частицы, чем адроны. Кварки являются гипотетическими частицами, т.к. не наблюдались в свободном состоянии. Барионный заряд кварков равен 1/3. Они 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 иметь суммарный заряд, равный нулю или единице. Все кварки имеют спин Ѕ, поэтому они относятся к фермионам. Основоположники теории кварков Гелл-Манн и Цвейг, чтобы учесть все известные в 60-е годы адроны ввели три сорта (цвета) кварков: u (от up - верхний), d (от down - нижний) и s (от strange - странный).

Кварки могут соединяться друг с другом одним из двух возможных способов: либо тройками, либо парами кварк - антикварк. Из трех кварков состоят сравнительно тяжелые частицы - барионы. Наиболее известны из барионов нейтрон и протон. Более легкие пары кварк - антикварк образуют частицы, получившие название мезоны - "промежуточные частицы". Например, протон состоит из двух u-кварков и одного d-кварков (uud), а нейтрон - из двух d-кварков и одного u-кварка (udd). Чтобы это "трио" кварков не распадалось, необходима удерживающая их сила, некий "клей".

Оказалось, что результирующее взаимодействие между нейтронами и протонами в ядре представляет собой просто остаточный эффект более мощного взаимодействия между самими кварками. Это объяснило, почему сильное взаимодействие кажется столь сложным. Когда протон "прилипает" к нейтрону или другому протону, во взаимодействии участвуют шесть кварков, каждый из которых взаимодействует со всеми остальными. Значительная часть сил тратится на прочное склеивание трио кварков, а небольшая - на скрепление двух трио кварков друг с другом. Но позднее выяснилось, что кварки участвуют и в слабом взаимодействии. Слабое взаимодействие может изменять цвет кварка. Именно так происходит распад нейтрона. Один из d-кварков в нейтроне превращается в u-кварк, а избыток заряда уносит рождающийся одновременно электрон. Аналогичным образом, изменяя аромат, слабое взаимодействие приводит к распаду и других адронов.

То обстоятельство, что из различных комбинаций трех основных частиц можно получить все известные адроны, стало триумфом теории кварков. Но в 70-е годы были открыты новые адроны (пси-частицы, ипсилон-мезон и др.). 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.

Проблему удалось решить за счет введения трех новых цветов. Они получили название - с - кварк (charm - очарование), b - кварк (от bottom - дно, а чаще beauty - красота, или прелесть), и впоследствии был введен еще один цвет - t (от top - верхний).

До настоящего времени кварки и антикварки в свободном виде не наблюдались. Однако сомнений в реальности их существования практически не осталось. Более того, ведутся поиски следующих за кварками «настоящих» элементарных частиц - глюонов, которые являются носителями взаимодействий между кварками, т.к. кварки скрепляются между собой сильным взаимодействием, а глюоны (цветовые заряды) являются переносчиками сильного взаимодействия. Область физики элементарных частиц, изучающая взаимодействие кварков и глюонов, носит название квантовой хромодинамики. Как квантовая электродинамика - теория электромагнитного взаимодействия, так квантовая хромодинамика - теория сильного взаимодействия. Квантовая хромодинамика - квантовополевая теория сильного взаимодействия кварков и глюонов, которое осуществляется путем обмена между ними - глюонами (аналогами фотонов в квантовой электродинамике). В отличие от фотонов, глюоны взаимодействуют друг с другом, что приводит, в частности, к росту силы взаимодействия между кварками и глюонами при удалении их друг от друга. Предполагается, что именно это свойство определяет короткодействие ядерных сил и отсутствие в природе свободных кварков и глюонов.

По современным представлениям, адроны имеют сложную внутреннюю структуру: барионы состоят из 3 кварков, мезоны - из кварка и антикварка.

Хотя и существует некоторая неудовлетворенность кварковой схемой, большинство физиков считает кварки подлинно элементарными частицами - точечными, неделимыми и не обладающими внутренней структурой. В этом отношении они напоминают лептоны, и уже давно предполагается, что между этими двумя различными, но сходными по своей структуре семействами должна существовать глубокая взаимосвязь.

Таким образом, наиболее вероятное число истинно элементарных частиц (не считая переносчиков фундаментальных взаимодействий) на конец ХХ века равно 48. Из них: лептонов (6х2) = 12 и кварков (6х3)х2 =36.

2.6. Частицы - переносчики взаимодействий.

Перечень известных частиц не исчерпывается перечисленными частицами - лептонами и адронами, которые образуют строительный материал вещества. В этот перечень не включен, например, фотон. Есть также еще один тип частиц, которые не являются непосредственно строительным материалом материи, а обеспечивают все четыре фундаментальных взаимодействия, т.е. образуют своего рода "клей", не позволяющий миру распадаться на части. Такие частицы называются переносчиками взаимодействий, причем отдельный вид частиц переносит свои взаимодействия.

Переносчиком электромагнитного взаимодействия между заряженными частицами выступает фотон. Фотон - квант электромагнитного излучения, нейтральная частица с нулевой массой. Спин фотона равен 1.

Теория электромагнитного взаимодействия была представлена квантовой электродинамикой.

Переносчики сильного взаимодействия - глюоны. Это гипотетические электрически нейтральные частицы с нулевой массой и спином 1. Подобно кваркам, глюоны обладают квантовой характеристикой «цвет». Глюоны - переносчики взаимодействия между кварками, т.к. связывают их попарно или тройками.

Переносчики слабого взаимодействия три частицы - W+, W- и Z° бозоны. Они были открыты лишь в 1983 г. Радиус слабого взаимодействия чрезвычайно мал, поэтому его переносчиками должны быть частицы с большими массами покоя. В соответствии с принципом неопределенности время жизни частиц с такой большой массой покоя должно быть чрезвычайно коротким - всего лишь около 10n сек (где n = -26). Радиус переносимого этими частицами взаимодействия очень мал потому, что столь короткоживущие частицы не успевают отойти особенно далеко.

Высказывается мнение, что возможно существование и переносчика гравитационного поля - гравитона (в тех теориях гравитации, которые рассматривают ее не (только) как следствие искривления пространства-времени, а как поле). Теоретически, гравитон - квант гравитационного поля, имеющий нулевую массу покоя, нулевой электрический заряд и спин 2. В принципе гравитоны можно зафиксировать в эксперименте. Но поскольку гравитационное взаимодействие очень слабое и в квантовых процессах практически не проявляется, то непосредственно зафиксировать гравитоны очень сложно, и пока это не удалось ни одному ученому.

Классификация частиц на лептоны, адроны и переносчики взаимодействий исчерпывает мир известных нам субатомных частиц. Каждый вид частиц играет свою роль в формировании структуры материи и Вселенной.

3. Теории элементарных частиц.

3.1. Квантовая электродинамика (КЭД).

Квантовая теория объединяет квантовую механику, квантовую статистику и квантовую теорию поля.

Квантовая механика (волновая механика) - теория, устанавливающая способ описания и законы движения микрочастиц в заданных внешних полях. Она позволяет описывать движение элементарных частиц, но не их порождение или уничтожение, т. е. применяется лишь для описания систем с неизменным числом частиц. Квантовая механика - один из основных разделов квантовой теории. Квантовая механика впервые позволила описать структуру атомов и понять их спектры, установить природу химической связи, объяснить периодическую систему элементов и т. д. Так как свойства макроскопических тел определяются движением и взаимодействием образующих их частиц, законы квантовой механики лежат в основе понимания большинства макроскопических явлений. Так, квантовая механика позволила понять многие свойства твердых тел, объяснить явления сверхпроводимости, ферромагнетизма, сверхтекучести и многое др. Квантовомеханические законы лежат в основе ядерной энергетики, квантовой электроники и т. д. В отличие от классической теории, все частицы выступают в квантовой механике как носители и корпускулярных, и волновых свойств, которые не исключают, а дополняют друг друга. Волновая природа электронов, протонов и других частиц подтверждена опытами по дифракции частиц. Состояние квантовой системы описывается волновой функцией, квадрат модуля которой определяет вероятность данного состояния и, следовательно, вероятности для значений физических величин, его характеризующих. Из квантовой механики вытекает, что не все физические величины могут одновременно иметь точные значения. Волновая функция подчиняется принципу суперпозиции, что и объясняет, в частности, дифракцию частиц. Отличительная черта квантовой теории - дискретность возможных значений для ряда физических величин: энергии электронов в атомах, момента количества движения и его проекции на произвольное направление и т. д.; в классической теории все эти величины могут изменяться лишь непрерывно. Фундаментальную роль в квантовой механике играет постоянная Планка ћ - один из основных масштабов природы, разграничивающий области явлений, которые можно описывать классической физикой, от областей, для правильного истолкования которых необходима квантовая теория. Постоянная Планка названа по имени М. Планка. Она равна:

Ћ = h/2π ≈ 1,0546 . 10 ^(-34) Дж. с

Обобщением квантовой механики является квантовая теория поля - это квантовая теория систем с бесконечным числом степеней свободы (физических полей). Квантовая теория поля является основным аппаратом физики элементарных частиц, их взаимодействий и взаимопревращений. Потребность в такой теории порождается квантово-волновым дуализмом, существованием волновых свойств у всех частиц. В квантовой теории поля взаимодействие представляют как результат обмена квантами поля. Эта теория включает теорию электромагнитного (квантовую электродинамику) и слабого взаимодействий, выступающих в современной теории как единое целое (электрослабое взаимодействие), и теорию сильного (ядерного) взаимодействия (квантовую хромодинамику).

Квантовая статистика - статистическая физика квантовых систем, состоящих из большого числа частиц. Для частиц с целым спином - это статистика Бозе Эйнштейна, с полуцелым - статистика Ферми Дирака.

В середине ХХ века была создана теория электромагнитного взаимодействия - квантовая электродинамика КЭД - это продуманная до мельчайших деталей и оснащенная совершенным математическим аппаратом теория взаимодействия фотонов и электронов. В основе КЭД - описание электромагнитного взаимодействия с использованием понятия виртуальных фотонов - его переносчиков. Эта теория удовлетворяет основным принципам как квантовой теории, так и теории относительности.

В центре теории анализ актов испускания или поглощения одного фотона одной заряженной частицей, а также аннигиляции электронно-позитронной пары в фотон или порождение фотонами такой пары.

Если в классическом описании электроны представляются в виде твердого точечного шарика, то в КЭД окружающее электрона электромагнитное поле рассматривается как облако виртуальных фотонов, которое неотступно следует за электроном, окружая его квантами энергии. После того, как электрон испускает фотон, тот порождает (виртуальную) электронно-позитронную пару, которая может аннигилировать с образованием нового фотона. Последний может поглотиться исходным фотоном, но может породить новую пару и т.д. Таким образом электрон покрывается облаком виртуальных фотонов, электронов и позитронов, находящихся в состоянии динамического равновесия. Фотоны возникают и исчезают очень быстро, а электроны движутся в пространстве не по вполне определенным траекториям. Еще можно тем или иным способом определить начальную и конечную точки пути - до и после рассеяния, но сам путь в промежутке между началом и концом движения остается неопределенным.

Описание взаимодействия с помощью частицы-переносчика привело к расширению понятия фотона. Вводятся понятия реального (кванта видимого нами света) и виртуального (скоротечного, призрачного) фотона, который "видят" только заряженные частицы, претерпевающие рассеяние.

Чтобы проверить, согласуется ли теория с реальностью, физики сосредоточили внимание на двух эффектах, представлявших особый интерес. Первый касался энергетических уровней атома водорода - простейшего атома. Согласно КЭД, уровни должны быть слегка смещены относительно положения, которое они занимали бы в отсутствие виртуальных фотонов. Вторая решающая проверка КЭД касалась чрезвычайно малой поправки к собственному магнитному моменту электрона. Теоретические и экспериментальные результаты проверки КЭД совпадают с высочайшей точностью - более девяти знаков после запятой. Столь поразительное соответствие дает право считать КЭД наиболее совершенной из существующих естественно-научных теорий.

После подобного триумфа КЭД была принята как модель для квантового описания трех других фундаментальных взаимодействий. Разумеется, полям, связанным с другими взаимодействиями, должны соответствовать иные частицы-переносчики.

3.2. Теория электрослабого взаимодействия.

В 70-е годы ХХ века в естествознании произошло выдающееся событие: два фундаментальных взаимодействия из четырех физики объединили в одно. Картина фундаментальных оснований природы несколько упростилась. Электромагнитное и слабое взаимодействия, казалось бы весьма разные по своей природе, в действительности оказались двумя разновидностями единого электрослабого взаимодействия. Теория электрослабого взаимодействия решающим образом повлияла на дальнейшее развитие физики элементарных частиц в конце ХХ века.

Главная идея в построении этой теории состояла в описании слабого взаимодействия на языке концепции калибровочного поля, в соответствии с которой ключом к пониманию природы взаимодействий служит симметрия. Одна из фундаментальных идей в физике второй половины ХХ века - это убеждение, что все взаимодействия существуют лишь для того, чтобы поддерживать в природе некий набор абстрактных симметрий. Какое отношение имеет симметрия к фундаментальным взаимодействиям? На первый взгляд, само предположение о существовании подобной связи кажется парадоксальным и непонятным.

Прежде всего о том, что понимается под симметрией. Принято считать, что предмет обладает симметрией, если предмет остается неизменным в результате проведения той или иной операции по его преобразованию. Так, сфера симметрична, потому что выглядит одинаково при повороте на любой угол относительно ее центра. Законы электричества симметричны относительно замены положительных зарядов отрицательными и наоборот. Таким образом, под симметрией мы понимаем инвариантность относительно некой операции.

Существуют разные типы симметрий: геометрические, зеркальные, негеометрические. Среди негеометрических есть так называемые калибровочные симметрии. Калибровочные симметрии носят абстрактный характер и непосредственно не фиксируются. Они связаны с изменением отсчета уровня, масштаба или значения некоторой физической величины. Система обладает калибровочной симметрией, если ее природа остается неизменной при такого рода преобразовании. Так, например, в физике работа зависит от разности высот, а не от абсолютной высоты; напряжение - от разности потенциалов, а не от их абсолютных величин и др. Симметрии, на которых основан пересмотр понимания четырех фундаментальных взаимодействий, именно такого рода. Калибровочные преобразования могут быть глобальными и локальными. Калибровочные преобразования, изменяющиеся от точки к точке, известны под названием "локальных" калибровочных преобразований. В природе существует целый ряд локальных калибровочных симметрий и необходимо соответствующее число полей для компенсации этих калибровочных преобразований. Силовые поля можно рассматривать как средство, с помощью которого в природе создаются присущие ей локальные калибровочные симметрии. Значение концепции калибровочной симметрии заключается в том, что благодаря ей теоретически моделируются все четыре фундаментальных взаимодействия, встречающиеся в природе. Все их можно рассматривать как калибровочные поля.

Представляя слабое взаимодействие в виде калибровочного поля, физики исходят из того, что все частицы, участвующие в слабом взаимодействии, служат источниками поля нового типа - поля слабых сил. Слабо взаимодействующие частицы, такие, как электроны и нейтрино, являются носителями "слабого заряда", который аналогичен электрическому заряду и связывает эти частицы со слабым полем.

Для представления поля слабого взаимодействия как калибровочного прежде всего необходимо установить точную форму соответствующей калибровочной симметрии. Дело в том, что симметрия слабого взаимодействия гораздо сложнее электромагнитного. Ведь и сам механизм этого взаимодействия оказывается более сложным. Во-первых, при распаде нейтрона, например, в слабом взаимодействии участвуют частицы по крайней мере четырех различных типов (нейтрон, протон, электрон и нейтрино). Во-вторых, действие слабых сил приводит к изменению их природы (превращению одних частиц в другие за счет слабого взаимодействия). Напротив, электромагнитное взаимодействие не изменяет природы участвующих в нем частиц.

Это определяет то обстоятельство, что слабому взаимодействию соответствует более сложная калибровочная симметрия, связанная с изменением природы частиц. Выяснилось, что для поддержания симметрии здесь необходимы три новых силовых поля, в отличие от единственного электромагнитного поля. Было получено и квантовое описание этих трех полей: должны существовать три новых типа частиц - переносчиков взаимодействия, по одному для каждого поля. Все вместе они называются тяжелыми векторными бозонами со спином 1 и являются переносчиками слабого взаимодействия.

Частицы W+ и W- являются переносчиками двух из трех связанных со слабым взаимодействием полей. Третье поле соответствует электрически нейтральной частице-переносчику, получившей название Z - частицы. Существование Z - частицы означает, что слабое взаимодействие может не сопровождаться переносом электрического заряда.

В создании теории электрослабого взаимодействия ключевую роль сыграло понятие спонтанного нарушения симметрии: не всякое решение задачи обязано обладать всеми свойствами его исходного уровня. Так, частицы, совершенно разные при низких энергиях, при высоких энергиях могут оказаться на самом деле одной и той же частицей, но находящейся в разных состояниях. Опираясь на идею спонтанного нарушения симметрии, авторы теории электрослабого взаимодействия Вайнберг и Салам сумели решить великую теоретическую проблему - они совместили казалось бы несовместимые вещи: значительную массу переносчиков слабого взаимодействия, с одной стороны, и идею калибровочной инвариантности, которая предполагает дальнодействующий характер калибровочного поля, а значит нулевую массу покоя частиц-переносчиков, с другой. Таким образом соединили электромагнетизм и слабое взаимодействие в единой теории калибровочного поля.

В этой теории представлено всего четыре поля: электромагнитное поле и три поля, соответствующие слабым взаимодействиям. Кроме того, введено постоянное на всем пространстве скалярное поле (разновидность поля Хиггса), с которым частицы взаимодействуют по разному, что и определяет различие их масс. Кванты скалярного поля представляют собой новые элементарные частицы с нулевым спином. Их называют хиггсовскими (по имени физика П. Хиггса, предположившего их существование). Число таких хиггсовских бозонов может достигать нескольких десятков. На опыте такие бозоны пока не обнаружены. Более того, ряд физиков считает их существование необязательным, но совершенной теоретической модели без хиггсовскмих бозонов пока не найдено. Первоначально W и Z - кванты не имеют массы, но нарушение симметрии приводит к тому, что некоторые частицы Хиггса сливаются с W и Z - частицами, наделяя их массой.

Различия свойств электромагнитного и слабого взаимодействий теория объясняется нарушением симметрии. Если бы симметрия не нарушалась, то оба взаимодействия были бы сравнимы по величине. Нарушение симметрии влечет за собой резкое уменьшение слабого взаимодействия. Можно сказать, что слабое взаимодействие имеет столь малую величину потому, что W и Z - частицы очень массивны. Лептоны редко сближаются на столь малые расстояния (r 10n см., где n = -16). Но при больших энергиях (> 100 Гэв), когда частицы W и Z могут свободно рождаться, обмен W и Z - бозонами осуществляется столь же легко, как и обмен фотонами (безмассовыми частицами). Разница между фотонами и бозонами стирается.В этих условиях должно существовать полная симметрия между электромагнитным и слабым взаимодействием - электрослабое взаимодействие.

Проверка новой теории заключалась в подтверждении существования гипотетических W и Z - частиц. Их открытие стало возможным только с созданием очень больших ускорителей новейшего типа. Открытие в 1983 году W и Z - частиц означало торжество теории электрослабого взаимодействия. Не было больше нужды говорить о четырех фундаментальных взаимодействиях. Их осталось три.

3.3. Квантовая хромодинамика.

Следующий шаг на пути Великого объединения фундаментальных взаимодействий - слияние сильного взаимодействия с электрослабым. Для этого необходимо придать черты калибровочного поля сильному взаимодействию и ввести обобщенное представление об изотопической симметрии. Сильное взаимодействие можно представлять как результат обмена глюонами, которые обеспечивают связь кварков (попарно или тройками) в адроны.

Замысел здесь состоит в следующем. Каждый кварк обладает аналогом электрического заряда, служащим источником глюонного поля. Его назвали цветом (разумеется, это название не имеет никакого отношения к обычному цвету). Если электромагнитное поле порождается зарядом только одного сорта, то для создания более сложного глюонного поля потребовалось три различных цветовых заряда. Каждый кварк "окрашен" в один из трех возможных цветов, которые совершенно произвольно были названы красным, зеленым и синим. И соответственно антикварки бывают антикрасные, антизеленые и антисиние.

На следующем этапе теория сильного взаимодействия развивается по той же схеме, что и теория слабого взаимодействия. Требование локальной калибровочной симметрии (т.е. инвариантности относительно изменений цвета в каждой точке пространства) приводит к необходимости введения компенсирующих силовых полей. Всего требуется восемь новых компенсирующих силовых полей. Частицами-переносчиками этих полей являются глюоны, и, таким образом, из теории следует, что должно быть целых восемь различных типов глюонов, в то время как переносчик электромагнитного взаимодействия - всего лишь один (фотон), а переносчиков слабого взаимодействия - три. Глюоны имеют нулевую массу покоя и спин 1. Глюоны также имеют различные цвета, но не чистые, а смешанные (например, сине-антизеленый). Поэтому, испускание или поглощение глюона сопровождается изменением цвета кварка ("игра цветов"). Так, например, красный кварк, теряя красно-антисиний глюон, превращается в синий кварк, а зеленый кварк, поглощая сине-антизеленый глюон, превращается в синий кварк. В протоне, например, три кварка постоянно обмениваются глюонами, изменяя свой цвет. Однако такие изменения носят не произвольный характер, а подчиняются жесткому правилу: в любой момент времени "суммарный" цвет трех кварков должен представлять собой белый свет, т.е. сумму "красный + зеленый + синий". Это распространяется и на мезоны, состоящие из пары кварк - антикварк. Поскольку антикварк характеризуется антицветом, такая комбинация заведомо бесцветна ("белая"), например красный кварк в комбинации с антикрасным кварком образует бесцветный мезон.

С точки зрения квантовой хромодинамики (квантовой теории цвета) сильное взаимодействие есть не что иное, как стремление поддерживать определенную абстрактную симметрию природы: сохранение белого цвета всех адронов при изменении цвета их составных частей. Квантовая хромодинамика великолепно объясняет правила, которым подчиняются все комбинации кварков, взаимодействие глюонов между собой, сложную структуру адрона, состоящего из "одетых" в облака кварков и др.

Возможно, пока преждевременно оценивать квантовую хромодинамику как окончательную и завершенную теорию сильного взаимодействия, но тем не менее ее достижения многообещающи.

3.4. На пути к... Великому объединению.

С созданием квантовой хромодинамики появилась надежда на создание единой теории всех (или хотя бы трех из четырех) фундаментальных взаимодействий. Модели, единым образом описывающие хотя бы три из четырех фундаментальных взаимодействий, называются моделями Великого объединения. Теоретические схемы, в рамках которых объединяются все известные типы взаимодействий (сильное, слабое, электромагнитное и гравитационное) называются моделями супергравитации.

Опыт успешного объединения слабого и электромагнитного взаимодействий на основе идеи калибровочных полей подсказал возможные пути дальнейшего развития принципа единства физики, объединения фундаментальных физических взаимодействий. Один из них основан на том удивительном факте, что константы взаимодействия электромагнитного, слабого и сильного взаимодействий становятся равными друг другу при одной и той же энергии. Эту энергию называли энергией объединения. При энергии более 10n ГэВ, где n = 14 или на расстояниях r 10n см, где n = -29 , сильные и слабые взаимодействия описываются единой константой, т. е. имеют общую природу. Кварки и лептоны здесь практически не различимы.

В 70-90-е годы было разработано несколько конкурирующих между собой теорий Великого объединения. Все они основаны на одной и той же идее. Если электрослабое и сильное взаимодействия в действительности представляют собой лишь две стороны великого единого взаимодействия, то последнему также должно соответствовать калибровочное поле с некоторой сложной симметрией. Она (симметрия) должна быть достаточно общей, способной охватить все калибровочные симметрии, содержащиеся и в квантовой хромодинамике и в теории электрослабого взаимодействия. Отыскание такой симметрии - главная задача на пути создания единой теории сильного и электрослабого взаимодействия. Существуют разные подходы, порождающие конкурирующих варианты теорий Великого объединения.

Тем не менее все эти гипотетические варианты Великого объединения имеют ряд общих особенностей:

Во-первых, во всех гипотезах кварки и лептоны - носители сильного и электрослабого взаимодействий - включаются в единую теоретическую схему. До сих пор они рассматривались как совершенно различные объекты.

Во-вторых, привлечение абстрактных калибровочных симметрий приводит к открытию новых типов полей, обладающих новыми свойствами, например, способностью превращать кварки в лептоны. В простейшем варианте теории Великого объединения для превращения кварков в лептоны требуется двадцать четыре поля. Двенадцать из квантов этих полей уже известны: фотон, две W - частицы, Z - частица и восемь глюонов. Остальные двенадцать квантов - новые сверхтяжелые промежуточные бозоны, объединенные общим названием Х и У - частицы (с электрическим зарядом 1/3 и 4/3). Эти кванты соответствуют полям, поддерживающим более широкую калибровочную симметрию и перемешивающим кварки с лептонами. Следовательно, кванты этих полей (т.е. Х и У - частицы) могут превращать кварки в лептоны (и наоборот).

На основе теорий Великого объединения предсказаны по крайней мере две важных закономерности, которые могут и должны быть проверены экспериментально: нестабильность протона и существование магнитных монополей. Экспериментальное обнаружение распада протона и магнитных монополей могло бы стать веским доводом в пользу теорий Великого объединения. На проверку этих предсказаний направлены усилия экспериментаторов. Но пока еще твердо установленных экспериментальных данных на этот счет нет. Дело в том, что теории Великого объединения имеют дело с энергией частиц выше 10n ГэВ, где n = 14. Это очень высокая энергия. Трудно сказать, когда удастся получить частицы столь высоких энергий в ускорителях. Этим объясняется, в частности, трудность обнаружения Х и У - бозонов. И потому основной областью применения и проверки теорий Великого объединения является космология. Без этих теорий невозможно описать раннюю стадию эволюции Вселенной, когда температура первичной плазмы достигала 10n К, где n = 27 . Именно в таких условиях могли рождаться и аннигилировать сверхтяжелые частицы.

Таким образом, становится ясно, что доказательство теории Великого объединения - основная задача физиков на сегодняшний день, т.к. эта теория не только поможет связать разрозненные фрагменты человеческих знаний в единую картину, но и сделать шаг на пути к познанию возникновения Вселенной.

Список используемой литературы.

Справочник школьника. 5-11 классы. 2004

Компьютерная энциклопедия Кирилла и Мефодия. 2005

И. Л. Розенталь «Элементарные частицы и структура Вселенной». 1984

Проблема элементарных частиц

На различных этапах продвижения «в глубь» вещества элементарными (бесструктурными) назывались различные частицы. В поисках основных «кирпичиков» мироздания человек первоначально установил, что все соединения состоят из «элементарных» молекул. Затем оказалось, что молекулы построены из «элементарных» атомов. Спустя столетия было обнаружено, что «элементарные» атомы построены из «элементарных» ядер и вращающихся вокруг них по орбитам электронов. Наконец, было открыто, что сами ядра построены из протонов и нейтронов, которые еще сравнительно недавно считались элементарными частицами, не обладающими внутренней структурой. После открытия в 1932г нейтрона казалось, что установлены основные строительные блоки, из которых построено обычное вещество, − это протоны, нейтроны, электроны и фотоны.

Но, начиная с 1933 года, число обнаруженных элементарных частиц стремительно растет. Когда их число перевалило за сотню, стало ясно, что такое огромное количество частиц не может выступать в качестве элементарных слагающих материи.

Вновь открытые элементарные частицы пытались классифицировать, в первую очередь, по массе. Так, появилось деление элементарных частиц на лептоны (легкие) и барионы (тяжелые). Известные нам электрон, позитрон и нейтрино относятся к лептонам, а протон и нейтрон к барионам. Существует еще одна группа элементарных частиц - мезоны (промежуточные).

Барионы и мезоны как частицы, участвующие в так называемом сильном взаимодействии (см. дальше) часто объединяют в группу адронов .

Проблема элементарных частиц, число которых перевалило за три с половиной сотни, долгое время казалась неразрешимой. Прорыв произошел, когда в 60-е годы была предложена кварковая модель , в основе которой лежала гипотеза о существовании новых истинно элементарных частиц, которые были названы кварками . В рамках кварковой модели все барионы рассматриваются как комбинации трех кварков, а мезоны – комбинации кварка и антикварка.

Основные характеристики элементарных частиц

Главными характеристиками элементарных частиц являются следующие:

Масса – m

Время жизни – τ

Электрический заряд – q

Барионное и лептонное числа (заряды) – B, L

Спин – s

Одной из главных характеристик субатомных частиц является их масса , которая одновременно определяет их энергию покоя. Среди частиц с нулевой массой наиболее известны фотоны . Масса нейтрино , возможно, также равна нулю. Электрон – самая легкая из стабильных частиц с ненулевой массой (me =0.911·10-30 кг). Протон обладает минимальной массой среди барионов

(m p =1.672·10 -27 кг). Масса нейтрона несколько больше массы протона: mn − mp

2.5me .

Электрон и протон – стабильные частицы. Время жизни свободного нейтрона порядка 900 секунд. Большинство элементарных частиц в высшей степени нестабильны, их времена жизни колеблются в пределах от нескольких микросекунд до 10-23 с.

Электрический заряд. Электрические заряды всех изученных элементарных частиц (кроме кварков!) являются целыми кратными величины e

1.6·10-19 Кл (e − элементарный заряд, численно равный заряду электрона, или протона). В нашем мире действует универсальный закон сохранения электрического заряда: суммарный электрический заряд изолированной системы сохраняется.

Барионное (B) и лептонное (L) числа (заряды) характеризуют принадлежность частицы к классу барионов или лептонов. У барионов нет лептонного заряда (L =0), для частиц-барионов B = 1, для античастиц B = -1. У лептонов отсутствует барионный заряд, а их лептонный заряд равен L = 1 – для частиц (электрон, нейтрино) и соответственно L = -1 – для античастиц (позитрон, антинейтрино).

Основное свойство элементарных частиц – это их способность к взаимопревращениям, которые протекают только при условии, что сохраняются все виды рассмотренных выше зарядов: электрический, барионный, лептонный (плюс законы сохранения энергии, импульса и момента импульса).

Спин (s ) – особая внутренняя характеристика элементарных частиц, связанная с их собственным (спиновым) моментом, который измеряется в


единицах h (постоянная Планка) или ћ =		(h перечеркнутое).

В единицах ћ спин всех элементарных частиц принимает значения или
целые: 0, 1, 2, … или полуцелые: 1	, …

Частицы с полуцелым спином называют фермионами , а частицы с целочисленным спином – бозонами . Фермионы подчиняются принципу запрета Паули, согласно которому две одинаковые частицы не могут находиться в одном квантовом состоянии.34 Все фермионы являются частицами вещества .

Бозоны, наоборот, все стремятся попасть в одно и то же состояние. Все бозоны являются частицами-квантами какого-нибудь поля . Из всех бозонов самыми распространенными во Вселенной являются фотоны.

34 Квантовое состояние полностью характеризуется набором из четырех квантовых чисел: три из которых связаны с трехмерностью пространства, а четвертое со спином.

Таким образом, фермионы выступают как «сугубые индивидуалисты», в то время как бозоны являются самыми настоящими «коллективистами».

Фундаментальные фермионы – лептоны и кварки

В настоящее время истинно элементарными частицами, из которых построено все вещество в нашем мире, считаются лептоны и кварки , спин которых равен ½.

Семейство лептонов состоит из частиц трех поколений: к первому поколению относятся электрон e - и электронного нейтрино ν e ; второе поколение – мюон μ и мюонное нейтрино ν μ и, наконец, третье поколение –

таон τ - и таонное нейтрино ν τ :

	μ −


ν e	νμ	ν τ

Электрон, мюон и таон появляются в паре только со своими нейтрино Огромная проникающая способность, отсутствие заряда и чрезвычайно малая, возможно, нулевая масса долгие годы делали их неуловимыми. Самой неуловимой из всех элементарных частиц оказалось тау-нейтрино, открытое лишь летом 2000 года.

Нейтрино настолько «бестелесны», что легко пронизывают толщу Земли и способны пройти слой свинца толщиной в несколько световых лет. Между тем, нейтрино, наряду с фотонами, самые распространенные частицы в нашем мире. Если все вещество, включая все галактики и межгалактическую пыль, равномерно размешать по всему объему Вселенной, то на каждый кубический метр пространства придется по одному протону и одному электрону. Фотонов же и нейтрино в миллиарды раз больше: в каждом кубическом сантиметре около 500 частиц.

Нейтрино впервые были введены Паули для объяснения β -распадов ядер,

при которых происходит превращение протона в нейтрон (так называемый β + - распад ) и нейтрона в протон:


	→ 0 n						→ 1 p	+− 1 e

Отметим, что превращение нейтрона в протон энергетически выгодно (так как масса протона меньше массы нейтрона). Именно этим объясняется нестабильность свободного нейтрона.

Если процесс превращения нейтрона в протон происходит внутри ядра,

его называют β - - распад. При этом β - - частица является электроном.

Процесс превращения протона в нейтрон связан с затратами энергии и может происходить только внутри ядра. β + - распад сопровождается рождением частицы, полностью аналогичной электрону, но с противоположным по знаку электрическим зарядом, которая получила название позитрон +1 e 0 .

Помимо электрона (или позитрона) в β − распадах участвует еще одна элементарная частица, получившая название нейтрино − 0 ν 0 (частица,

сопровождающая β - − распад).

Античастицы

Существование электрона и позитрона наводит на мысль, что и другие элементарные частицы могут иметь своих «двойников». Действительно, практически у каждой частицы есть своя античастица, масса которой строго равна массе частицы, а знак заряда противоположен. Существует и достаточно редкий тип истинно нейтральных частиц, у которых нет двойников (фотон). В принципе, могут существовать антиатом , ядро которого состоит из антипротонов и антинейтронов, а электроны заменены антиэлектронами (позитронами), антимолекула и, наконец, антивещество , свойства которого ничем не будут отличаться от свойств обычного вещества.

Важнейшее свойство частиц и античастиц − это их способность к аннигиляции . Аннигиляция пары частица - античастица (от лат. annihilatio -

уничтожение, исчезновение) − один из видов взаимопревращения элементарных частиц, сопровождающееся выделением энергии, например, превращение электрона и позитрона при их столкновении в фотоны (электромагнитное излучение):

1 e0 + +1 e0 → 2γ

Возможен и обратный эффект – образование электрон-позитронной пары при столкновении двух фотонов. Понятно, что энергия фотонов должна быть не меньше удвоенной энергии покоя электрона E γ > 2m e c 2 (немного более

1МэВ).

Наш мир состоит из вещества. На Земле, в Солнечной системе и в непосредственно окружающем Солнечную систему космическом пространстве отсутствует сколько-нибудь заметное количество антивещества, так как из-за реакций аннигиляции тесное сосуществование частиц и античастиц невозможно. Те немногие античастицы, которые удается произвести в лабораторных условиях, рано или поздно гибнут. Длительное существование стабильных античастиц (например, антипротонов или позитронов) возможно только при низкой плотности вещества − в специальных накопителях заряженных частиц или в космическом пространстве. Вопросы о том, почему наш мир состоит из вещества, когда и почему возникла асимметрия нашей Вселенной, имеют принципиальное значение и продолжают привлекать внимание физиков-теоретиков.

Второе семейство фундаментальных элементарных частиц, из которых построены адроны (барионы и мезоны), получило название кварков . Существует шесть разновидностей кварков, (физики называют их «ароматами » – flavours ) которые, подобно лептонам, группируются в пары и образуют три поколения. Первое поколение – u и d кварки (up - верхний и down

Нижний); второе поколение - s и c кварки (strange - странный и charm –

очарованный) и, наконец, третье поколение – b и t кварки (beauty – красивый и true – истинный; иногда их называют bottom и top). Последний шестой t -кварк был обнаружен сравнительно недавно (в 1995 году).

Кварки являются фермионами (их спин равен ½, как и у лептонов). При этом возможны два внутренних квантовых состояния с проекциями вектора-

спина: +1/2 и –1/2

Барионное число для кварков равно одной трети B =1/3, для антикварков

− B = –1/3. У каждого кварка есть еще одна характеристика, которую физики назвали ароматом (странность , очарование и т.д.).

Самым удивительным является то, что кварки обладают дробным электрическим зарядом, величина которого составляет либо 2/3 от элементарного заряда (при этом заряд кварка положительный), либо 1/3 от заряда электрона (знак заряда при этом отрицателен).

Все барионы являются комбинациями трех кварков. Нуклоны – фундаментальная основа атомных ядер, являются самыми легкими барионами и состоят из кварков первого поколения. Протон состоит из двух u-кварков и одного d-кварка, нейтрон из двух d-кварков и одного u-кварка:

Легко проверить, что заряд протона при этом оказывается равным единице (2/3+2/3–1/3 = +1), а заряд нейтрона нулю (2/3 – 1/3 – 1/3 = 0).

Нейтрон тяжелее протона, потому что d-кварк тяжелее u-кварка.

Получает новое объяснение процессы β + – и β - – распадов как взаимопревращения кварков (u d ).

Мезоны получаются из сочетания пары кварк-антикварк . Ясно, что
барионное число мезонов равно нулю,					спин равен	нулю или единице.
Cочетания из трех антикварков образуют антибарионы (антипротоны,
антинейтроны и т.д.).
В таблице 1 представлены все фундаментальные фермионы –
структурные единицы строения вещества.
			Таблица № 1
		Фундаментальные фермионы
Фундамен-
	Поколения					III-ье Электри-
фермионы			поколение		поколение	поколение

	заряженные
			электрон				−1
					νμ	ντ
					νμ	ντ
	нейтрино		электронное
				очарованный		истинный




						красивый



Все многообразие адронов возникает за счет различных сочетаний
приведенных					ароматов.

соответствуют связанные состояния, построенные только из u - и d -кварков. Если же в связанном состоянии, наряду с u - и d -кварками, имеется, например, s - или c -кварк, то соответствующий адрон называют странный или

очарованный.

То обстоятельство, что из различных комбинаций кварков можно получить все известные барионы и мезоны, символизировало главный триумф теории кварков. Однако все усилия обнаружить одиночные кварки оказались тщетными. Сложилась парадоксальная ситуация. Внутри адронов кварки, несомненно, существуют. Об этом свидетельствует не только рассмотренная кварковая систематика адронов, но и прямое «просвечивание» нуклонов быстрыми электронами. В этом эксперименте (по сути, полностью аналогичном опыту Резерфорда) было обнаружено, что внутри адронов электроны рассеиваются на точечных частицах с зарядами, равными –1/3 и +2/3 и спином, равным ½, то есть, получены прямые физические доказательства существования кварков внутри адронов. А вот вырвать кварки из адронов невозможно. Это явление получило название «конфаймент»

(confinement- пленение, англ.).

Фундаментальные взаимодействия

Следующий принципиальный вопрос, на который должна ответить наука для объяснения строения вещества, связан с природой и характером взаимодействия между частицами, что при определенных условиях приводит к образованию связанных состояний. Что же заставляет кварки объединяться в нуклоны, нуклоны в ядра, ядра и электроны в атомы, атомы в молекулы? Почему во Вселенной существуют скопления вещества в виде планет, звезд, галактик? Какова природа сил, вызывающих все те изменения, которые происходят в нашем материальном мире?

Оказывается, все происходящее в природе можно свести всего к

четырем фундаментальным взаимодействиям

Роль фундаментальных взаимодействий в природе

Гравитационное взаимодействие является самым слабым и в то же время самым универсальным. Гравитационное взаимодействие действует между любыми объектами, обладающими массой или энергией. Именно гравитация не позволяет Вселенной развалиться на части, собирая вещество в планеты и звезды, удерживая планеты на орбитах, «связывая» звезды в галактики. Вообще, в астрономических масштабах, гравитационное взаимодействие играет определяющую роль. В микромире гравитацией можно пренебречь по сравнению с другими более интенсивными взаимодействиями.

Электромагнитное взаимодействие присуще всем частицам,

обладающим электрическим зарядом. Как и гравитационное, электромагнитное взаимодействие является дальнодействующим, а закон, определяющий силу, действующую между точечными покоящимися зарядами, аналогичен закону тяготения – это известный из школы закон Кулона:

		m 1 m 2			q 1 q 2

Однако, в отличие от гравитации, которая всегда является притяжением, электрическое притяжение существует только между зарядами разного знака, в то время как одноименные заряды отталкиваются. Именно благодаря электромагнитному взаимодействию возможно образование атомов и молекул. Межмолекулярные силы, определяющие свойства различных агрегатных состояний вещества, также имеют электрическую природу. К нему фактически сводится большинство наблюдаемых физических сил (упругости, трения и др.), именно оно лежит в основе химических превращений веществ и всех наблюдаемых электрических, магнитных и оптических явлений.

Сильное и слабое взаимодействия проявляются только в микромире, на субъядерном уровне.

Сильное взаимодействие присуще кваркам и образованиям из кварков – адронам . Основная функция сильного взаимодействия – соединять кварки (и антикварки) в адроны. Ядерные силы, которые объединяет нуклоны в ядра, являются специфическими отголосками сильного взаимодействия (его часто называют остаточным сильным взаимодействием).

Слабое взаимодействие присуще всем фундаментальным фермионам. Для нейтрино – это единственное взаимодействие, в котором они участвуют. В отличие от сильного взаимодействия, функция слабого взаимодействия заключается в изменении природы (аромата) частиц, то есть в превращении одного кварка в другой (то же относится и к лептонам).

В отсутствие слабого взаимодействия стабильными были бы не только протон и электрон, но и мюоны, π − мезоны, странные и очарованные частицы, которые распадаются в результате слабого взаимодействия. Если бы удалось «выключить» слабое взаимодействие, то погасло бы Солнце,

поскольку был бы невозможен процесс превращения протона в нейтрон (β - распад), в результате которого четыре протона превращаются в 2 Не4 , два позитрона и два нейтрино (так называемый водородный цикл, который служит основным источником энергии Солнца и большинства звезд.).

Характеристики фундаментальных взаимодействий

Об интенсивности взаимодействий можно судить по скорости процессов, которые они вызывают. Обычно сравнивают между собой скорости процессов при энергии 1 ГэВ, характерных для физики элементарных частиц. При таких энергиях процесс, обусловленный сильным взаимодействием,

происходит за время 10-24 с, электромагнитный процесс за время 10-21 с, характерное же время процессов, происходящих за счет слабого взаимодействия, гораздо больше: 10-10 с.

Систематика элементарных частиц. Суперэлементарные частицы. Основная трудность, которая возникает при определении понятие элементарной частицы связано с тем, что в настоящее время таких частиц оказывается очень много значительно больше, чем атомов химических элементов.

Недавно были открыты частицы в 10 раз более тяжлые, чем протон, и приблизительно с такой же массой, как у ядра бора. Отчаявшись выявить какую либо иерархию в разрастающемся множестве равноэлементарных объектов, некоторые физики выдвинули идею бутстрапа шнуровки, или ядерной демократии, согласно которой каждая элементарная частица состоит из всех других частиц точнее, структура каждой элементарной частицы определяется взаимодействиями всех других частиц.

Однако эта идея не устраняет чувства удовлетворнности из за слишком большого числа наипростейших сущностей последовательная формулировка идеи бутстрапа, напоминающая чем то концепцию Демокрита приводит к выводу о бесконечном числе элементарных объектов. Структура микрообъектов в теории бутстрапа принимает относительный смысл что - то вроде особой системы координат, которую можно выбрать различным образом. Определение элементов структуры становится весьма неоднозначным.

Так как одну и туже частицу можно различными способами составить из других частиц. Более того, остатся неясным, можно ли вообще на этом пути сформулировать точную замкнутую систему уравнений, определяющую различные свойства, в том числе и структуру элементарных частиц. Теоретиками анализировались лишь очень грубые модели бутстрапа, учитывающие взаимосвязь всего двух трх сортов частиц, и, хотя в ряде случаев были получены обнадживающие качественные результаты, попытки их уточнения сразу же наталкиваются на огромные трудности.

Идею бутстрапа нельзя считать удовлетворительным решением проблемы наипростейших элементов. Значительно более плодотворным оказался путь объединения частиц в замкнутые группы мультиплеты, члены каждой из которых могут трактоваться как различные состояния одной и той же частицы. Руководящим принципом при этом служит выявление симметрий в свойствах различных частиц.

Такой групповой подход, использующий хорошо разработанный математический аппарат теории групп, является дальнейшим развитием формализма зарядовых изотопических мультиплетов. Большое значение имело открытие так называемой унитарной симметрии, позволившее объединить изотопические мультиплеты обычных и странных частиц в единые октеты и декаплеты. Учт спинов дал возможность построить ещ более сложные семейства частиц унитарные мультиплеты мезонов объединились в семейство, состоящее из 35 частиц 35 - плет, а октет и декаплет барионов в семейство из 56 элементов 56 - плет. Дальнейшее разработка систематики частиц связана с идеей кварков.

Выяснилось, что отдельные унитарные мультиплеты не являются совершенно изолированными друг от друга, а связаны строгими правилами симметрии. И самым поразительным было то, что эти правила предсказывали существование частиц с дробными электрическими зарядами кварков. Вот эти то частицы на современном уровне развития науки действительно можно считать самыми элементарными, потому что из них могут быть построены вс остальное взаимодействующие частицы иногда простым сложением, как атомные ядра из протонов и нейтронов, а иногда рассматривая их как возбужднные состояния уже построенных частиц и в то же время сами кварки нельзя построить из других элементарных частиц. В этом смысле кварки существенно отличаются от всех других частиц, среди которых, как уже отмечалось, невозможно выделить какие либо более элементарные строительные элементы.

Кварки можно рассматривать как следующий, более глубокий, суперэлементарный уровень организации материи и с точки зрения величины дефекта масс, то есть плотности из упаковки внутри протонов, мезонов и других менее элементарных объектов.

С позиции теории кварков структурный уровень элементарных частиц это область объектов, состоящих из кварков и антикварков и характеризуемых большим дефектом масс в отношении любых их распадов и виртуальных диссоциаций.

Вместе с тем, хотя кварк и является самой простейшей известной сегодня частицей, он обладает очень сложными свойствами. От всех других известных нам частиц кварк отличается не только дробным электрическим зарядом, но и дробным барионным числом. Среди других элементарных частиц он выглядит неким кентавром по своим свойствам он одновременно и мезон, и барион. Первоначально считалось, что кварк имеет три состояния два из них различаются лишь величиной электрического заряда, а в третьем состоянии кварк проявляется как странная частица.

Однако после открытия семейств шармированных очарованных частиц к трм состояниям кварка пришлось добавить четвртое шармом. На самом большом мире ускорителе протонов в Батавии, близ Чикаго, была обнаружена новая удивительная частица - -мезон. Его масса значительно превосходит массу нуклона, а свойства таковы, что его приходится рассматривать как слипшиеся кварк и антикварк. При этом приходится допустить, что кварк и антикварк обладают ещ одним, пятым по счту состоянием.

Для квантового числа, характеризующего это состояние, ещ нет даже общепринятого названия чаще всего его называют прелестью кварка или соответствующим английским термином бьюти. Пять квантовых степеней свободы кварка принято называть его ароматом некоторые авторы предпочитают говорить о пяти степенях вкуса кварка. Но и эти не исчерпывается перечень свойств кварка. Анализ экспериментальных данных привл к выводу, что каждый из пяти ароматов вкусов кварка имеет три цвета, то есть каждое из пяти состояний кварка расщеплено ещ на три независимых состояния, характеризуемых величиной специфического квантового числа цвета.

Цвет у кварка изменяется при испускании или поглощении им глюона кванта промежуточного поля, склеивающего кварки и антикварки в мезоны и барионы. Можно сказать, что глюонное поле это поле цвета, его кванты переносят цвет. Термин глюоны происходит от английского слова glue клей. В настоящее время идея суперэлементарных частиц кварков буквально пронизывают физику энергий.

С их помощью объясняется так много экспериментальных данных, что физику просто невозможно обойти без этих удивительных частиц, так же как, например, химику без атомов и молекул. По мнению большинства физиков, если кварки не существуют в природе как реальные объекты, то это само по себе являлось бы поразительной загадкой. И вместе с тем кварки никогда не наблюдались в чистом виде, хотя, с тех пор как они были введены в теорию, прошло почти два десятилетия.

Все многочисленные попытки обнаружить кварки или глюоны в свободном состоянии неизменно заканчиваются неудачей. Строго говоря, глюоны и кварки остаются пока хотя вероятными, но вс же гипотетическими объектами. В том, что кварки и глюоны это физические объекты, а не просто удобный феноменологический способ описания на привычном для нас корпускулярном языке каких то ещ непонятных аспектов структуры элементарных частиц, убеждают косвенные опыты. Прежде всего это эксперименты по зондированию протонов в нейтрон с помощью очень быстрых электронов и нейтрино, когда налетающая частица рассеивается отскакивает, сталкиваясь с одним из находящихся внутри частицы мишени кварков. С учтом кварков список сильно взаимодействующих суперэлементарных частиц сведтся к трм частицам кварку, антикварку и связывающему их глюону.

К ним следует добавить ещ приблизительно десяток наипростейших частиц других типов, структура которых пока ещ не проявляется в эксперименте квант электромагнитного поля фотон, уверенно предсказываемый теоретиками гравитон и семейство лептонов.

Заключение. За прошедшие года положение в теории элементарных частиц существенно изменилось. Были открыты слабые нейтральные токи, приводящие к таким эффектам, как рассеяние мюонного нейтрино на электронах. Открыты, начиная с J-мезона, целая группа элементарных частиц со временем жизни, в тысячу раз превышающим время жизни резонансов. Фактически уже сейчас нужно эти частицы включить в таблицу относительно стабильных элементарных частиц.

Значительны успехи в теории элементарных частиц. Единая теория слабых и электромагнитных взаимодействий получила солидное экспериментальное подтверждение, хотя по-прежнему не может считаться с несомненностью достоверной. Кварковая модель строения адронов получает вс новые и новые экспериментальные подтверждения. После многих лет застоя большой прогресс достигнут в теории сильных взаимодействий, которые теперь рассматриваются как межкварковые взаимодействия.

Очень вероятно, что подлинно элементарными частицами, неделимыми уже дальше, являются лептоны и кварки. Вс огромное множество адронов построено из кварков. Модель четырх цветных кварков и чтырх лептонов позволяет в общих чертах понять структуру материи. Учные вплотную подошли к решению новой проблемы, проблемы структуры элементарных частиц. При бомбардировке протонами высокой энергии неподвижной мишени обнаружены сверхтяжелые нейтральные мезоны, названные ипсилонами с массой порядка 9,4 ГэВ. Найдено три модификации этих мезонов с близкими массами.

Чтобы включить ипсилоны в рамки кварковой модели, надо предположить, что существуют кварки более массивные, чем с-кварк. Для сохранения кварк-лептонной симметрии требуется введение двух новых кварков, соответствующие паре -лептон, -нейтрино. Эти кварки уже получили наименование топ вершина по-английски и боттом дно. Итак, с увеличением энергии сталкивающихся частиц обнаруживается рождение новых вс более и более тяжлых частиц.

Это усложняет и без того непростую картину мира элементарных частиц. Появляются новые проблемы, хотя множество старых проблем остатся нерешнными. Вероятно, основной нерешнной проблемой следует считать проблему кварков могут ли они быть свободными или же пленение их внутри адронов является абсолютным. Если же кварки принципиально не могут быть выделены и обнаружены в свободном состоянии, то как убедиться, что они с несомненностью существуют Далее остатся недоказанным экспериментально существование промежуточных векторных бозонов W , W- и W0, столь необходимых для уверенности в справедливости единой теории слабых и электромагнитных взаимодействий.

Несомненно, что выяснение строения элементарных частиц будет представлять собой столь же значительный шаг, как и открытие строения атома и ядра.

Конец работы -

Эта тема принадлежит разделу:

Становление физической картины мира от Галилея до Эйнштейна

Функциональное значение такого рода суммарного знания видится в обеспечении синтеза знания, связи различных разделов естествознания. При этом есть расхождения понимания того, для чего необходим синтез ь Одни.. Это различие в понимании функций картины мира в свою очередь ведет к расхождению в самом подходе к е анализу В первом..

Если Вам нужно дополнительный материал на эту тему, или Вы не нашли то, что искали, рекомендуем воспользоваться поиском по нашей базе работ:

Что будем делать с полученным материалом:

Если этот материал оказался полезным ля Вас, Вы можете сохранить его на свою страничку в социальных сетях:

Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже

Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Введение

1. Зарождение и развитие представлений о кванте

1.1 Теория атома, предложенная Бором

2. Элементарные частицы и проблема их структурности

Заключение

Список литературы

Введение

В изучении природы можно различать два этапа: донаучный и научный этапы. Донаучный или натурфилософский этап охватывает период начиная от античного периода до установления экспериментального естествознания XVI-XVII века. Представления о природе в этот период носили чисто натурфилософский характер, наблюдаемые природные явления объяснялись на основе смонтированных умственным путем философских принципов. Самым большим достижением естествознания в этот период явилась, считавшаяся дискретивной концепцией строения материи, учение античного атомизма. Согласно этому учению, все тела формируются из считающихся самыми маленькими частицами материи атомов. Согласно античному атомизму предоставившему первичную теоретическую модель атома, атомы являются невидимыми, неделимыми и непроницаемыми микрочастицами, отличаются друг от друга только количественными отношениями - формой, размерами, строем. Античный атомизм, который объяснял целое как механическую совокупность формирующих его частей, явился первой теоретической программой. того учения Демокриту, вакуум необходим для объяснения механического размещения тел в пространстве и их деформации (сжатие, удлинение и другие) под влиянием внешних сил. Атомизм объяснял сущность протекания природных процессов механическим взаимовлиянием атомов, их притяжением и отталкиванием. Механическая программа объяснения природы, впервые выдвинутая в античном атомизме, реализовалась в классической механике, положившей начало изучению природы научным способом. Современные научные представления о структурных уровнях формирования материи следует начинать с концепции классической физики об изучении микромира, которая зародилась в результате критического исследования представлений классической механики, которые применяются только в микромире. Формирование научных представлений о строении материи относится к XVI веку, к периоду заложения Г. Галилеем основы механической картины мира. Галилей не только обосновал гелиоцентрическую систему Н.Коперника, открыл законы инерции движения и свободного падения, он также разработал новый методологический способ описания природы - научно-теоретический метод. Сущность этого метода заключается в том, что, отобрав целый ряд физических и геометрических характеристик природы, Галилей превратил их в предмет научного исследования. Отбор отдельных характеристик объекта предоставил возможность созданию теоретических моделей и проверке их на основе научного эксперимента. Сформулированная Галилеем методологическая концепция сыграла решающую роль в утверждении классического естествознания.

1. Зарождение и развитие представлений о кванте

квант элементарный частица

При переходе физики от изучения макромира к изучению микромира коренным образом изменились представления классической физики о веществе и поле. Изучая микрочастицы, ученые натолкнулись на такую картину, которая казалась парадоксальной с точки зрения классической физики: один и тот же объект демонстрирует и свойство волновости и свойство корпускулярности. Это явление получило название корпускулярно-волнового дуализма.

Первый шаг в области изучения противоречивой природы частиц сделал немецкий ученый Макс Планк. Все началось с появления в физике в конце XIX века такой загвоздки, как «ультрафиолетовая катастрофа». Согласно расчетам, производимым на основе формул классической электродинамики, интенсивность излучения только темных предметов безгранично увеличивалась. Это противоречило практике. Из исследований, проводимых по излучению тепла, М.Планк пришел к выводу о том, что в процессе излучения энергия излучается не в произвольном количестве и беспредельно, а неделимыми порциями - квантами. Энергия кванты определяется числом колебаний, соответствующих излучению (V) и универсальной постоянной, называемой постоянной Планка: E=hn. Как отмечал Планк, приход в физику идеи кванта пока нельзя связывать с созданием квантовой теории, однако 14 декабря 1900 года - дата появления формулы квантовой энергии, стала датой заложения основы этой же теории, днем зарождения атомной физики и началом нового периода в естествознании.

Первым физиком, который встретил открытие влияния элементарного кванта с высоким духовным подъемом и развил его в творчестве. Был А.Эйнштейн. Он в 1905 году, применяя идею квантитативности излучения и поглощения энергии во время теплового излучения к явлениям излучения вообще, заложил основу квантовой теории. Эйнштейн, применяя гипотезу Планка n световым явлениям пришел к выводу о том, что необходимо принять корпускулярную структуру света. Квантовая теория света или теория фотона Эйнштейна подтвердила, что наряду с тем, что свет является волновым явлением распространения в мировом пространстве, он также обладает беспрерывной структурой. Свет можно рассматривать как неделимые энергетические порции, световые кванты и фотоны. Энергия фотонов определяется постоянной Планка (h) и скоростью соответствующих колебаний (n). Монохроматический свет различных цветов (красный, желтый, зеленый, синий, фиолетовый и другие) состоят из световых квантов различной энергии. Идея Эйнштейна о световых квантах предоставила возможность понять и наглядно описать фотоэлектрическое явление, сущность которого состоит в отделении электрона от световой материи. Эксперименты показали, что существование фотоэффекта определяется не интенсивностью падающей на металл световой волны, а частотой света. Если предположить, что каждый фотоэлектрон отделяется одним фотоном, становится ясным, что эффект происходит в том случае, когда энергия фотона становится достаточно большой, чтобы разорвать взаимную связь материи и электрона.

Спустя 10 лет после зарождения толкования фотоэлектрического эффекта в подобном раскладе он был подтвержден опытами американского физика Р.Э. Милликена. Открытое в 1923 году американским ученым А.Х. Комптоном явление (»Эффект Комптона») окончательно подтвердило квантовую теорию. В общем, квантовая теория света - одна из теорий физики, которая неоднократно была подтверждена опытами. Однако таким образом волновая природа света была окончательно подтверждена опытами по явлениям интерференции дифракции. В связи с этим создалась такая парадоксальная ситуация: стало известно, что свет в одно и то же время ведет себя и как волна и как корпускуляр. В этом случае, фотон выступает как специфический вид корпускуляра. Основная характеристика дискретности фотона, особая порция энергии (E=hn) определяется характеристикой чисто волны - частотой (n). Как и все великие природно-научные открытия квантовая теория света приобрела существенный мировоззренческий, теоретическо-познавательный характер.

Представления о фононах-квантах электромагнитного поля стали большим подарком развитию квантовой теории. Поэтому А.Эйнштейн считается одним из великих создателей квантовой теории. Теория Эйнштейна, развивая взгляды М. Планка, предоставила возможность датскому ученому Н. Бору разработать новую модель атома.

1.1 Т еория атома, предложенная Бором

В 1913 году датский ученый Нильс Бор, применяя принцип квантитативности к решению проблем строения атома и характеристики спектра атома, устранил противоречия в созданной Резерфордом модели атома. Предложенная в 1911 году Резерфордом модель атома напоминала солнечную систему: в центре ее было расположено ядро, вокруг него по круговым орбитам вращались электроны. Ядро было положительно заряжено, электроны обладали отрицательным электрическим зарядом. Силы притяжения в Солнечной системе в атоме заменялись электрическими силами. Положительный электрический заряд ядра атома, который равнялся порядковому номеру элемента в периодической системе Менделеева, уравновешивался отрицательным электрическим зарядом электронов. Поэтому атом являлся электрически нейтральным.

Анализ планетарной модели атома в рамках классической электродинамики содержал два невозможных противоречия. Первое из этих противоречий состояло в том, что электроны для того, чтобы не потерять свою устойчивость, должны вращаться вокруг ядра. Как известно, круговое движение характеризуется центробежным ускорением. Согласно законам классической электродинамики ускоренно движущиеся электроны должны непременно излучать электромагнитную энергию. Однако в этом случае электроны за очень короткий промежуток (10-8 секунды), расходуя свою энергию на излучение, должны упасть на ядро. Это нам хорошо известно из повседневного опыта. Если бы электроны упали на ядро, тело, состоящее из них, например стоящий перед нами стол, изменил бы свои размеры в 10 тысяч раз.

Второе противоречие планетарной модели атома связано с тем, что постепенно приближающийся в результате излучения к ядру электрон для беспрерывного изменения своей частоты спектр излучения атома должен быть целым. Опыт же показывает, что спектр излучения атома линейный. Другими словами, планетарная модель атома Резерфорда не уживаются с электродинамикой Максвелла.

Квантовая теория атома, которая могла бы решать оба эти противоречия (так называемая «теория Бора о строении атома») была выдвинута Н.Бором. Содержание этой теории формировалось из следующих положений, объединенных в единую, целую идею:

закономерности линейного спектра атома водорода;

ядерная модель атома, предложенная резерфордом;

квантовый характер излучения и поглощения света.

Выдвинутая Н.Бором для объяснения структуры атома новая гипотеза опиралась на три не уживающиеся с принципами классической физики постулата.

Первый постулат: в каждом атоме существует несколько стационарных состояний электронов (стационарные орбиты). Электромагнитные волны, движущиеся по стационарным орбитам атома, не излучаются, не поглощаются.

Второй постулат: атом только тогда излучает или поглощает порцию энергии, когда электрон переходит из одного стационарного состояния в другое.

Третий постулат? Электрон движется вокруг ядра по таким круговым стационарным орбитам, на которых в момент импульса электрона постоянная Планка полностью уподобляется относительной 2p:

где m, n, r - соответственно масса электрона, скорость и радиус стационарной орбиты, по которой он движется, n=1,2,3… - целые числа.

Эти постулаты заложили начало новому периоду в изучении свойств и строения атома.

Первый постулат показал ограниченность классической физики, а в особых случаях неприемлемость ее законов к стационарным состояниям. Не так легко согласиться с идеей о излучении энергии электронами на определенно отобранных орбитах. В эту же минуту возникает вопрос: «Почему?» Однако в связи с тем, что этот постулат был адекватен результатам экспериментов, физики вынуждены были его принять. Из второго постулата вытекает вывод о том, что энергия атома излучается порциями. Переход электрона с одной орбиты на другую обязательно сопровождается целыми числами энергетических квантов. Так, состояние электронов в атоме характеризуется 4 квантовыми числами - главное, орбитальное, магнитное и орбитальное квантовое число. Главное квантовое число (n) определяет энергию электрона в областях ядра, в сложных атомах порядковый номер слоя электронов. Орбитальное квантовое число (l) характеризует коррективы, привносимые в энергию атома одновременным движением атомов. Спиновое квантовое число (s) определяет специальный механический момент, характеризующий вращательное движение электронов. Постулаты Бора объясняли устойчивость атома: в стационарных состояниях электрон без существования внешних причин не излучает электромагнитную энергию. Только теперь стало ясно, почему при неизменной оценке состояний атомы химических элементов не излучают электромагнитные волны. Модель атома, предложенная Бором, не смотря на то, что дала точное описание атома водорода, состоящего из одного протона и одного электрона, и это описание довольно хорошо согласовывалось с фактами опыта, позднее применение этой модели к многоэлектронным атомам столкнулось с определенными трудностями. Как бы точно ни старались теоретики описать движение и орбиту электронов в атоме, различие между теоретическими результатами и данными экспериментов оставалось большим. Однако в ходе развития квантовой теории стало ясно, что эти различия связаны в основном со свойством волновости у электронов. Волновая длина электрона, движущегося по круговой орбите в атоме, входила в состав измерений атома и составляла приблизительно 10-8 см. Хотя движение частиц, присущих какой-либо системе, только в том случае можно достаточно точно описать как механическое движение материальной точки по замкнутой орбите, когда волновая длина частицы по сравнению с системой изменений будет настолько мала, что не будет приниматься во внимание. Другими словами, нужно принять во внимание, что электрон - не точка, не крепкий «шарик», у него есть внутренняя структура, которая может меняться в зависимости от присущих ему состояний. Однако в этом случае детали внутренней структуры электрона остаются не известными. Здесь становится ясным, что принципиально не возможно представить структуру атома на основе представлений об орбитах предположительно точечных электронов, поэтому внутренние орбиты атома стали идеальными объектами, они даже не существуют в действительности. Согласно их волновой природе электроны и их электрический заряд якобы неравномерно распределены по атому и обладают по времени в некоторых точках малой, в других - большей плотностью электронов. Описание распределения плотности заряда электрона внутри атома дано в квантовой механике: в некоторых точках плотность заряда электрона достигает максимальной отметки. Кривая, объединяющая точки максимальных отметок плотности заряда электрона, формально называется орбитой электрона. Вычисленная в теории Бора траектория атома водорода совпала с кривой, проходящей через точки максимальных отметок средней плотности заряда, что в свою очередь полностью соответствует экспериментальным данным. Теория Бора словно очерчивает линию границы первого этапа развития современной физики. Атомная теория Бора на основе добавления небольшого количества новых рассуждений была последней попыткой описать структуру атома на основе классической физики. Постулаты Бора показали, что классическая физика не способна объяснить подобные результаты самых простых опытов, связанных со структурой атома. Чуждые классической физике постулаты Бора, нарушив ее цельность, в свою очередь смогли объяснить лишь небольшую область экспериментальных данных. Поэтому, рождается представление о том, что постулаты Бора, открывшие новые, до этого времени неизвестные науке свойства материи, в то же время частично, не полностью отражали их. Теория Бора, и его постулаты которые не могли быть применены к сложным атомам, были бессильны в объяснении существенных явлений физики также как дифракция и интерференция не могли объяснить волновые свойства света и материи. На многие вопросы, связанные со структурой атома, были получены ответы только в результате развития квантовой механики. Было выяснено, что Боровскую модель атома нельзя буквально понимать такой, какой была прежде. Процессы атома неправильно было бы наглядно описывать в формах механических моделей, созданных по аналогии с явлениями макромира. Вскоре стало известно, что точно определенные для макромира представления о времени и пространства непригодны для описания микрофизических явлений. Постепенно физики-теоретики превратили атом в еще более абстрактную систему - совокупность ненаблюдаемых уравнений.

2. Элементарные част ицы и проблема их структурности

Проблема структуры материи была одной из актуальных проблем, всегда стоящих в центре внимания естествознания, особенно в передовой ее области - физике. Выпукло отражая взаимосвязь философии и естествознания, эта проблема имеет не только философское, но и практическое и производственно-техническое значение. Для этого достаточно сказать, что формирующие важный этап научно-технической революции современные физические теории, в том числе квантовая механика и теория элементарных частиц тесно связаны с открытием и использованием ядерной энергии, заложившей основу «атомного века».

Современная физика завоевала большие достижения в области изучения строения и свойств материи. Однако, несмотря на это в области строения и свойств материи у природы много еще не открытых секретов. Проникая в глубины теоретической познавательной материи и обнаруживая новые уровни ее строения, мы все больше верим этому. Физика на современном этапе своего развития вступила на такой полный научных открытий путь, который ведет ее вперед в направлении еще большего овладения силами человеческой природы. Однако физика не сразу встала на этот путь. Прежде чем завоевать определенные достижения на этом пути она прошла длинный и сложный путь развития, устранила за этот период натурфилософские метафизические представления о строении и свойствах материи, присущих одной из эпох.

Современное учение о строении материи начало зарождаться на основе устойчивых практических фактов, начиная только в конце XIX - начале ХХ веков. Не останавливаясь на успехах научного познания, это учение, которое обогащалось и развивалось, объединяло в себе органически связанные друг с другом четыре стороны: прежде всего это учение - атомистическое учение, потому что согласно этому учению каждое тело, каждая физическая область формируется из микрочастиц и микрообластей, во-вторых это учение - статистическое учение, потому что оно, основываясь на статистические представления, определяет свойства и закономерности движения микрообъектов, их взаимные влияния и превращения статистическими законами, в-третьих, это учение - квантовая теория, так свойства и закономерности движения микрочастиц качественно отличаются от определяемых классической физикой свойств и закономерностей движения микроскопических тел, наконец, это учение - релятивистское учение, потому что в этой теории связь пространства, времени и материи описывается посредством релятивистской теории - теории относительности.

Не останавливающийся на области познания строения и свойств материи развивающееся человеческое познание обнаружило ее сложность строения и неисчерпаемость свойств и подтвердило это новыми фактами. Самым большим достижением, завоеванным в области изучения строения материи является переход о уровня атома к уровню элементарных частиц. Первой элементарной частицей обнаруженной в конце XIX века, стал электрон, в первой половине ХХ века были обнаружены фотон, протон, позитрон, нейтрон, нейтрино и другие элементарные частицы. В настоящее время элементарные частицы считаются самыми маленькими «элементарными» частицами среди микрообъектов, окружающих атомы, молекулы. После Второй Мировой войны благодаря использованию современной экспериментальной техники и в первую очередь сильных ускорителей, создающих условия высокой энергии и гигантской скоростей, было обнаружено существование более 300 элементарных частиц. Одна часть элементарных частиц была обнаружена в эксперименте, другая часть (резонансы, кварки, виртуальные частицы) считались теоретическими.

Что выражает понятие «элементарная частица» в современной физике? Прежде чем ответить на этот вопрос необходимо отметить присущую естественно-научному понятию сторону о том, что как и все физические понятия, понятие «элементарность» является относительным, на разных этапах развития научного познания приобретает различное значения. До середины 60-х годов нашего века представления об элементарных частицах напоминали один из видов взглядов на атомы, высказанных Демокритом. Однако эти первые наивные представления об элементарных частицах просуществовали не долго: вскоре было доказано, что неизменных, непроницаемых, бесструктурных частиц нет. Под влиянием реальных фактов понятие «элементарность» подверглось изменению и вообще все, что можно назвать «элементарной частицей» приняло неопределенный характер. В настоящее время целый ряд авторов справедливо отмечают, что понятие «элементарность» используется в двух значениях: с одной стороны как синоним самого простого, с другой стороны как субатомальной частицы, то есть показатель фундаментальности. Принимая во внимание каждые два значения, выражаемые понятием «элементарная частица», мы можем сказать в полном и широком смысле слова, что называемые «элементарными» частицами являются такие материальные образования, которые состоят из других известных науке частиц и во всех процессах как единое целое находятся во взаимном влиянии, которые включают в себя характеризующие их физические величины - масса, заряд электрона, спин, парность, одиночность, изотропный спин и другие начальные параметры, не могущие быть теоретически вычисленными и могущие быть точно применены к физической теории только экспериментально.

Физика элементарных частиц - это, выражаясь словами ученого академика И.Б.Таммина, основная область «ведущая современную физику к кануну существенных изменений и революционных переворотов». Элементарные частицы образно уподобили «неизученным планетам». Неслучайно, что заслуживающие внимания открытия физики были сделаны после 60-х годов именно в этой области. Для того, чтобы составить представление о достижениях в этой области, достаточно сказать, что за последние 25-30 лет число элементарных частиц увеличилось от 35 до 340 и предвидится дальнейшее увеличение этой цифры в будущем. Особенно начиная с 30-х годов нашего века кроме ранее известных электрона, фотона и протона были обнаружен дополнительно много новых частиц: нейтрон, позитрон, нейтроны различной массы и заряда (также нейтральные) мезоны, гипероны и так называемые их соответствующие античастицы. Увеличение цифры выражающей число «элементарных» частиц, показало потерю своего бывшего значения понятия «элементарность». Потому что все эти частицы не могли выполнить функцию последних «кирпичиков» в мировом здании. Находясь в таком положении, элементарные частицы старались объяснить множество и разнообразие, классифицировать с точки зрения обеспечения развития, классифицировать с точки зрения обеспечения развития достижений научного познания в этой области. Осуществление таких классификаций связано с описанием свойств и основных характеристик элементарных частиц.

В настоящее время определено богатство свойств известных наук элементарных частиц. Причем у многих этих свойств нет аналогов среди известных свойств макроскопических объектов. Основные характеристики элементарных частиц, описанных абстрактным языком математики, следующие: масса, заряд, средний период существования, спин, изотропный спин, одиночность, парность, лептиновый заряд, заряд бориона, взаимное влияние. Постараемся дать характеристики этим свойством элементарных частиц.

Одно из самых главных свойств, характеризующих элементарные частицы - масса. Отметим, что масса покоя элементарных частиц определяется относительно массы покоя электрона (me=9,1Ч10-31 кг). В настоящее время более широко распространена классификация элементарных частиц в зависимости от величины их массы покоя. Согласно этой классификации все элементарные частицы длятся на 4 группы: 1) легкие элементарные частицы - лептоны. Сюда входят электрон, нейтрино и их античастицы - позитрон, антинейтрино, а так же положительные и отрицательные мю-мезоны. За исключением последних лептоны перед вступлением во взаимное влияние стабильны и в свободном состоянии существуют более 1020 лет. Мю-мезоны же не являются стабильными частицами, прожив две стомиллионные секунды распадаются, превращаются в электрон, нейтрон и антинейтрон. Масса покоя нейтрино и антинейтрино очень мала, взятые вместе они равны 0,0005 части массы электрона.

2) частицы средней массы - мезоны. Сюда входят положительные, отрицательные и нейтральные пи-мезоны с массой 270 me - масса покоя, и некоторые виды кА-мезоны с массой 970 me. Все мезоны нестабильны, обладают очень маленьким периодом существования (до 7-19 секунд).

3)тяжелые частицы - нуклоны. Сюда входят протон, нейтрон и их античастицы - антипротон и антинейтрон. Протон и антипротон стабильны, нейтрон и антинейтрон - нестабильные частицы, обладают относительно длинным периодом существования - 17 минут.

4) гипероны - самые тяжелые частицы. В эту группу входит очень много частиц и античастиц. Масса гиперонов от 2182 me до 2585 me. Срок существования всех гиперонов одинаков - 10-10 секунды.

Иногда нуклоны и гипероны объединяют в единую группу под названием барионы. В эту группу также можно включит образующий особую группу и являющийся квантом электромагнитного поля фотон. Несмотря на то что подобная классификация элементарных частиц не раскрывает объединяющие их основные закономерности, в любом случае она предоставляет возможность изучить целый ряд свойств и превращений частиц и даже предсказать существование некоторых частиц. Необходимо отметить, что строение материи и неисчерпаемость свойств находят себя не только в постепенном увеличении числа известных частиц, но и также в менее важном факте взаимного превращения частиц «элементарной» материи. Определение общности (дуализма) в свойствах частиц материи поля также привело к мысли об их взаимном превращении. Уже спустя некоторое время после открытия позитрона (1932-й год) стало известно, что пары материи электрон-позитрон, в определенных условиях объединяясь, первращаются в кванты света - фотоны, являющиеся частицами электромагнитного поля, и образуются из них. Затем стало известно, что подобное взаимное превращение происходит не только между являющимися двумя видами материи частицами вещества и поля, но и также между самими частицами вещества. В результате стало ясно, что частицы материи не неизменны и не просты, они могут превращаться друг в друга в процессе взаимного влияния, могут образовываться и поглощаться со стороны различных комплексов частиц. Другое важное свойство элементарных частиц - электрический заряд, отражающий их связь с электромагнитным полем. Одна часть известных частиц обладает положительным, другая часть - отрицательным зарядом, часть частиц не имеет электрического заряда. Кроме фотона и обоих мезонов каждой частицы соответствует античастица противоположного заряда. Причина того, что различные элементарные частицы не имеют обязательно одинаковых показателей электрического заряда и что некоторые элементарные частицы лишены электрического заряда, нам пока не известна. Очень возможно, что это проявление еще не обнаруженных глубоких внутренних закономерностей элементарных частиц общности в структуре частиц. Одна из существенных физических характеристик элементарных частиц - период их существования. Согласно периоду существования элементарные частицы делятся на стабильные, квазистабильные и нестабильные (резонансные) частицы. Стабильных частиц пять: фотон, электронный нейтроно, мьонный нейтроно, электрон и протон. В структуре макротел стабильные частицы играют решающую роль. Остальные частицы не стабильны. Эти частицы, расположенные в интервале среднего существования от 10-10 до 10-24 секунды, в конечном счете делятся на другие частицы. Квазистабильные элементарные частицы с средними периодами существования 10-10 до 10-24 секунды называются резонансами. Из-за маленького периода существования эти частицы не могут покинуть атом или ядро атома и распадаются на другие частицы. Существование резонансных частиц было только теоретически вычислено и заметить их в реальном эксперименте пока невозможно.

Еще одна важная характеристика частиц - спин. Спин - это совершенно новое свойство частиц присущее только им и не имеющее аналога в макроскопической физике, описание его как момента механического импульса является само по себе грубым и неточным. Мы можем смотреть на спин как на особое «вращение», аналогичное вращению частицы в макромире. Спин элементарных частиц измеряется единицами и его невозможно ни увеличить, ни уменьшить. Спин определяет общий характер типа входящей в частицу статистики (статистика Бозе-Эйнштейна и Ферми-Дирака) и учения описывающего ее движение. Спин протона, нейтрона и электрона равен Ѕ-э, спин фотона - 1-э. Частицы с половинчатым спином подчиняются статистике Ферми-Дирака и называются фермионами, частицы с полным спином подчиняются статистике Бозе-Эйнштейна и называются бозонами. Известно, что в одной и той же ситуации, когда внезапно фермион уже не может быть возможным, в этой же ситуации может быть несколько бозонов. Таким образом, фермионы ведут себя как «индивидуалисты», бозоны - как «коллективисты». Несмотря на то, что это свойство внутренней природы элементарных частиц еще полностью не изучено, в настоящее время определена связь этих свойств со свойствами симметрии и асимметрии пространства. Спин рассматривают как проявление степени внутренней самостоятельности в движении элементарных частиц. Таким образом, каждая элементарная частица характеризуется 4 степенями самостоятельности: три из них - степени внешней свободы, выражающие перемещение частицы в пространстве; одна - внутренняя степень свободы спина. Существование спина также говорит о сложной структуре частицы и определенном типе внутренних связей. Одним из важных свойств элементарных частиц также является магнитный момент. Это свойство встречается как у заряженных, так и у беззарядных частиц. Предполагается, что определенная часть магнитного момента заряженных частиц обусловлена их расположением в пространстве. Например, предполагается, что магнитный момент протонов и нейтронов обусловлено созданным током, собравшимся вокруг них облаками мезонов. Давайте шире рассмотрим эту проблему. Известно, что несмотря на то, что у нейтрона нет электрического заряда, у него есть в определенном количестве магнитный момент. Это показывает, что магнитный момент частицы не должен в основном определяться ее внутренней структурой. В данном случае как должно объясняться создание магнитного момента нейтрона? Предполагается, что в связи с тем, что нейтрон - нестабильная частица, он диссоциирует на протон и на положительный мезонквант поля мезона, и приблизительно 25% своего существования находится в таком положении. Поэтому нейтрон приобретает 25% магнитного момента положительного пимезона. Наблюдаемый в эксперименте магнитный момент нейтрона очень близок к числу, вычисленному теоретически. Элементарные частицы кроме электрического заряда характеризуются дополнительно зарядами лептона и бариона. Лептоновский заряд всех лептонов принимается за +1, барионовский заряд всех барионов принимается за +1. Парность - также одна из важных характеристик элементарных частиц. Эта величина относится к правой и левой симметриям. В теории элементарных частиц координаты каждой частицы характеризуются волновой функцией y, которая может менять и не менять отметку этих координат как зеркальное отражение (x® -x, u® -u, z® -z). В первом случае функция y ассиметрична или одиночная функция, парность соответствующей частицы +1, во втором случае функция y симметрична или парная, но парность частицы принимается за -1. Одной из очень важных характеристик элементарных частиц является также взаимное превращение, сопровождаемое излучением и поглощением квантов поля, соответствующего элементарным частицам в период взаимного влияния. Эти процессы, отличающиеся друг от друга интенсивностью протекания, обусловливают деление присущего элементарным частицам взаимного влияния на 4 вида: сильное, электромагнитное, слабое и гравитационное взаимные влияния. Свойства элементарных частиц в основном определяются сильным электромагнитным и слабым взаимными влияниями. Сильные взаимные влияния происходят на уровне ядра атома, их составные части состоят из взаимного притяжения и отталкивания. Называемые силами ядра силы взаимного влияния распространяются на очень маленькое расстояние - 10-13 см. Сильные взаимные влияния прочно связывая в определенных условиях протоны и нейтроны, создают характеризующиеся высокой связывающей энергией материальную систему - ядро атома. Несмотря на то, что электромагнитные взаимные влияния слабее сильных взаимных влияний примерно в 1000 раз, радиус их влияния близится к бесконечности. Этот вид взаимного влияния характерен для электрически заряженных частиц. Носитель электромагнитного взаимного влияния - свободный от электрического заряда и массы покоя фотона. Фотон является квантом электромагнитного поля. Посредством электромагнитных взаимных влияний, объединяя ядро атома и электрон в единую систему, создаются атомы, объединяясь, атомы создают молекулы. Электромагнитные взаимные влияния являются основными взаимными влияниями, сопровождающимися химическими и биологическими процессами.

Слабые взаимные влияния существуют между различными частицами. Слабые взаимные влияния, связанные с процессом спонтанного распада частиц, например, с процессом превращения нейтрона в ядре на протон, электрон и антинейтрино (n0® p+ + e- +n), может распространяться на очень маленькое расстояние (10-15 - 10-22 см). Согласно современному научному знанию большинство частиц только за счет слабых взаимных влияний нестабильны. Гравитационные взаимные влияния - чрезмерно слабые силы, которые принимаются во внимание в теории элементарных частиц. Для сравнения отметим, что они слабее сильных взаимных влияющих сил в 1040 раз. Однако для ультрамаленьких расстояний (в порядке 10-33 см) и ультрабольших энергий гравитационные силы приобретают существенное значение, по своей силе они приобретают достойный вид для сравнения с другими видами взаимного влияния. В космических масштабах гравитационные взаимные влияния играют решающую роль. Радиус влияния этих сил неограничен. В природе между элементарными частицами действует не один, а иногда в одно и то же время несколько типов взаимного влияния и свойства и структура частиц определяется общностью всех типов взаимного влияния, принимающих участие. Например, протон, входящий в адронный тип элементарных частиц, принимает участие в сильном взаимном влиянии, и в электромагнитном взаимном влиянии в связи с тем, что он является электрически заряженной частицей. С другой стороны, протон может зародиться в процессе b распада нейтрона, то есть в слабых взаимных влияниях, таким образом, он связан со слабыми взаимными влияниями. И наконец, протон как материальное образование, обладающее массой, принимает участие в гравитационных взаимных влияниях. В отличие от протона целый ряд элементарных частиц принимают участие во всех типах взаимного влияния, а только в некоторых их типах. Например, нейтрон в силу того, что он является, незаряженной частицей он не принимает участия в электромагнитных взаимных влияниях, а электрон и мю-мезоны - в сильных взаимных влияниях. Фундаментальные взаимные влияния являются причиной превращения частиц - их уничтожения и зарождения. Например, в результате столкновения нейтрона и протона образуются два нейтрона и один положительный пимезон. Срок превращения элементарных частиц зависит от взаимовлияющей силы. Ядерные реакции, связанные с сильными взаимными влияниями, происходят за 10-24 - 10-23 секунды. Это, период когда элементарная частица переходит в частицу высокой энергии и приобретает скорость, близкую к скорости света, размеры порядка 10-13 см. Обусловленные электромагнитными взаимными влияниями изменения происходят за 10-21 - 10-19 секунды, обусловленные слабыми взаимными влияниями изменения (например, процесс распада элементарных частиц) - за 10-10 секунды. К периоду протекания различных изменений, происходящих в микромире, можно подходить с точки зрения рассуждений о создающих взаимных влияниях. Кванты взаимного влияния элементарных частиц реализуются посредством соответствующих этим частицам физических полей. Под полем в современной квантовой теории понимается система частиц, меняющихся в числе (половые кванты). Состояние, когда поле, и вообще, полевые кванты существуют с самой малой энергией, называется вакуумом. Частицы электромагнитного поля (фотоны) в вакууме в состоянии возбуждения теряют механические свойства, которые они содержат и которые присущи корпускулярной материи (например во время движения тело не чувствует трения). Вакуум не содержит простые виды материи, однако, не смотря на это он не пустота в истинном смысле слова, так в вакуумном возбуждении возникают кванты электромагнитного поля - фотоны, реализующие электромагнитное взаимное влияние. В вакууме в дополнении электромагнитному полю существуют другие физические поля, в том числе пока не отмеченное в эксперименте по так называемым гравитонным экспериментам гравитационное поле. Квантовое поле - совокупность квантов, носит дискретный характер. Так взаимные влияния элементарных частиц, их взаимные превращения, излучение и поглощение фотонов носит дискретный характер и происходит только в ситуации квантатирования. В результате возникает такой вопрос: в чём конкретно проявляется непрерывность поля, его континуальность? Как в квантовой электродинамике, так и в квантовой механике состояние поля описывается однозначно не наблюдаемыми реальными явлениями, а только посредством волновой функции, связанной с взаимным понятием. Квадрат модуля этой функции показывает возможность наблюдать рассматриваемые физические явления. Основная проблема квантовой теории поля - описание различных типов взаимных влияний частиц в соответствующих уравнениях. Эта проблема нашла своё решение пока только в квантовой электродинамике, описывающей взаимные влияния электронов, позитронов и фотонов. Для сильных и слабых взаимных влияний пока не создана квантовая теория поля. В настоящее время эти виды взаимного влияния описываются не строгими методами. Хотя известно, что невозможно понять элементарные частицы если они не находятся в соответствующей физической теории, невозможно понять их структуру, определяемую структурой этих теории. Поэтому проблема структуры элементарных частиц еще до конца не решена. Современная физика в настоящий период доказывает существование сложных частиц, которые обладают внутренним строением частиц, считающихся «элементарными». Стало известно, что протон и нейтрон в результате происходящих в них виртуальных процессов подвергаются внутренним превращениям. В результате опытов, проведённых по изучению строения протонов, было определено, что протон, считавшийся до последнего времени неделимым, самым простым и бесструктурным в действительности является сложной частицей. В его центре находится плотное ядро, называющиеся «керн», оно окружёно положительными пи-мезонами. Сложность строения «элементарных» частиц была доказана выдвинутой в 1964 году американским учёным Гель-Манном и независимо от него шведским учёным Цвейгом гипотезой кварков. Согласно этой гипотезе элементарные частицы с отношениями, характеризующимися сильными взаимными влияниями (адроны: протон, нейтрон, гипероны), должны формироваться из кварков-частиц, заряд которых равен одной третьей или двум третьим заряда электрона. Таким образом, теория показывает, что у формирующих частицы отмечённых кварков электрический и барионный заряд должен выражаться дробным числом. Действительно, называемые кварками частицы пока не обнаружены и остаются гипотетическими обитателями микромира на нынешнем уровне развития науки.

Заключение

Таким образом, с одной стороны ясно, что элементарные частицы обладают особой структурой, с другой стороны, характер этой структуры ещё остаётся неясным. Из вышеприведенных данных становится ясным, что элементарные частицы вовсе не элементарные, они обладают внутренней структурой, могут делиться и превращаться друг в друга. Мы ещё очень мало знаем обоих строении. Таким образом, на сегодняшний день основываясь на целый ряд фактов, мы можем утверждать, что материя элементарных частиц - новый вид, качественно отличающийся от более сложных частиц (ядро, атом, молекула). В тоже время это различие настолько существенно, что используемые нами при изучении ядер, атомов, молекул, макроскопических тел категории и выражения («простой» и «сложный», «внутренняя структура», «сформированный») и могут применяться к элементарным частицам. Понятия «простой и сложный», «составляющие части», «структура», «целый» являются, в общем относительными понятиями. Например, несмотря на то, что атом обладает сложным строением, и структура его состоит из ядерного и электронного ярусов, по сравнению с входящей в его состав молекулой является более простым. В иерархии структур материальных систем ядро атома, атом, молекула, макроскопические тела сами создают структурный единый уровень. Поэтому элементы тела по сравнению с элементами следующего уровня являются более простыми, выступают как их составные части. С другой стороны они являются более сложными по сравнению с элементами, расположенными на более низких уровнях и являющимися их составными частями. Все системы, начиная с ядра атома до тех самых больших размеров, обладают таким свойством: в каждой из них можно отделить структурные элементы, формирующие рассматриваемые тела и являющиеся более простыми по сравнению с элементами на более низком уровне на составляющие его части. По своему значению процессы объедения и разделения одинаковы. Например молекулы данного химического вещества состоят из определенного количества атомов и могут распасться на них в определенных условиях. В этом случае масса сложного целого больше массы каждой составляющей его части. Это последнее положение не верно для элементарных частиц. Так, продукты распада элементарных частиц не являются проще делимых, ещё точной «преобразующихся» частиц. Они также являются элементарными частицами. Согласно современным представлениям продукты распада вместе порождающими их частицами располагаются на едином уровне иерархии. Например, нейтрон в определённых условиях делится на протон, электрон и антинейтрона (n0 ®p+ + e- +). Хотя нейтрон не сложнее и не проще протона, электрона и антинейтрона. Кроме того, протон и электрон можно получить и в результате других реакций. Поэтому можно сказать, что возможность каждой элементарной частицы состоит в том, что она может быть «составной частью» других элементарных частиц. С другой стороны, не так важно чтобы на каждым элементарном уровне целое состояло бы такого большого скопления. В этом случае масса целого может быть даже в несколько раз меньше масс его составляющих. Например, в целом ряде случаев в результате объедения нюклона и антинюклона получается мезон, масса которого меньше массы любого из них. Эта аномалия объясняется тем, что во время создания элементарной частицы масса, поглощающая выделенную энергию

может быть настолько велика, что в результате продукты реакции вовсе не похожи на исходную частицу. Поэтому в мире элементарных частиц понятия «простой и сложный», «составная часть», «структура», «целый» приобретают совсем другое значение, нежели в атомной физике и в классической физике. Специфика элементарных частиц также проявляется в энергетических взаимных влияниях. Начиная макроскопическими объектами и кончая ядром атома энергия всех материальных систем формируется из двух составляющих: особой, соответствующей массе тела (Е=mc2) и энергии связи составляющих его элементов. Не смотря на то, что эти виды энергии неотделимы друг от друга, они полностью отличаются по своей природе. Специальная энергия объектов намного превосходит энергию их связи, ее можно отделить всё составляющую часть. Например, за счёт внешней энергии молекулу можно разделить на атомы (Н2О®Н+О+Н), однако в этом случае в самих атомах не произойдет изменение, бросающееся в глаза. В элементарных частицах эта проблема приобретает другой вид. Вся энергия элементарных частиц не делится на специальную и связующую. Поэтому не смотря на то, что элементарные частицы не обладают внутренней структурой, они не могут делиться на составляющие их части. Элементарные частицы не содержат внутренних частиц, остающихся в большей или в меньшей степени неизменными. Согласно современным представлениям структура элементарных частиц описывается посредством беспрерывно рождающихся и беспрерывно делящихся «виртуальных» частиц. Например, аннигиляция мезона (от латинского слова «annihilatio» - уничтожение) формируется из беспрерывно создающихся и затем исчезающих виртуальных нуклонов и виртуальных антинуклонов. Формальные выдвижение понятия виртуальной частицы показывает, что внутреннюю структуру элементарных частиц не возможно описать посредством других частиц. Пока не создана удовлетворяющая физиков теория происхождения и структуре элементарных частиц. Целый ряд видных ученых пришли к мысли о том, что эту теорию можно создать, принимая во внимание только космические условия. Идея о зарождении элементарных частиц из вакуума в силовом, электромагнитном и гравитационном полях приобретает существенное значение. Потому что взаимосвязь микро, макро - и мегамира находит воплощение только в этой идее. В мегамире структура и взаимные превращения элементарных частиц обусловлены фундаментальными взаимовлияниями. Очевидно, что для того чтобы адекватно описать структуру материального мира, необходимо разработать аппарат новых понятий.

Список литературы

1. Маковелский. Древнегреческие атомисты. Баку, 1946.

2. Кудрявцев. Курс истории физики. М., Просвещение, 1974, с.179.

3. Философия естествознания. М., 1966, с.45; Е.М.Балабанов. В глубь атома, М., 1967.

4. Философия и естествознание. М., 1964, с.74-75; С.Т. Мелюхин. К философской оценке современных представлений поля и вещества. В кн.: Диалектический материализм и современное естествознание, М., 1957, с. 124-127.

5. Кузнецов Б. Пути физической мысли. Изд. «Наука», М., 1968, с. 296-298

6. Ахизер А.И., Рекало М.П. Биография элементарных частиц, Киев, 1978.

7. Станюкович К.П., Лапчинский В.Г. Систематика элементарных частиц.

8. В Кн.: О систематике частиц, М., 1969, с.74-75.

9. Балабанов Е.М. В глубь атома. М., 1967, с.38-39.

10. Новожилов Ю.В. Элементарнык частицы. М., 1974; Спроул Р. Современная физика. М., 1974;

11. Содди Ф. История атомной энергии. М., 1979.

12. Готт В.С. О неисчерпаемости материального мира. М., «Знание», 1968, с.31.

13. Князев В.Н. Концепции взаимодействия в современной физике. М.

14. Свечников Г.А. Бесконечность материи. М., 1965, с. 17-21; Омельяновский М

Размещено на Allbest.ru

Подобные документы

Основные понятия, механизмы элементарных частиц, виды их физических взаимодействий (гравитационных, слабых, электромагнитных, ядерных). Частицы и античастицы. Классификация элементарных частиц: фотоны, лептоны, адроны (мезоны и барионы). Теория кварков.

курсовая работа , добавлен 21.03.2014

Основные характеристики и классификация элементарных частиц. Виды взаимодействий между ними: сильное, электромагнитное, слабое и гравитационное. Состав атомных ядер и свойства. Кварки и лептоны. Способы, регистрация и исследования элементарных частиц.

курсовая работа , добавлен 08.12.2010

Фундаментальные физические взаимодействия. Гравитация. Электромагнетизм. Слабое взаимодействие. Проблема единства физики. Классификация элементарных частиц. Характеристики субатомных частиц. Лептоны. Адроны. Частицы - переносчики взаимодействий.

дипломная работа , добавлен 05.02.2003

Структуры и свойства материй первого типа. Структуры и свойства материй второго типа (элементарные частицы). Механизмы распада, взаимодействия и рождения элементарных частиц. Аннигиляция и выполнение зарядового запрета.

реферат , добавлен 20.10.2006

Характеристика методов наблюдения элементарных частиц. Понятие элементарных частиц, виды их взаимодействий. Состав атомных ядер и взаимодействие в них нуклонов. Определение, история открытия и виды радиоактивности. Простейшие и цепные ядерные реакции.

реферат , добавлен 12.12.2009

Свойства всех элементарных частиц. Связь протонов и нейтронов в атомных ядрах. Классификация элементарных частиц. Величина разности масс нейтрона и протона. Гравитационные взаимодействия нейтронов. Экспериментальное значение времени жизни мюона.

реферат , добавлен 20.12.2011

Сценарий развития Вселенной после Большого Взрыва. Современные представления об элементарных частицах как первооснове строения материи Вселенной. Классификация элементарных частиц. Корпускулярно-волновой дуализм в современной физике. Теория атома Н. Бора.

реферат , добавлен 17.05.2011

Планетарная модель атома Резерфорда. Состав и характеристика атомного ядра. Масса и энергия связи ядра. Энергия связи нуклонов в ядре. Взаимодействие между заряженными частицами. Большой адронный коллайдер. Положения теории физики элементарных частиц.

курсовая работа , добавлен 25.04.2015

Элементарная частица - частица без внутренней структуры, то есть не содержащая других частиц. Классификация элементарных частиц, их символы и масса. Цветовой заряд и принцип Паули. Фермионы как базовые составляющие частицы всей материи, их виды.

презентация , добавлен 27.05.2012

Классификация элементарных частиц. Фундаментальные взаимодействия. Модель атома Резерфорда. Теория Бора для атома водорода. Атом водорода в квантовой механике. Квантово-механическое обоснование Периодического закона Д. Менделеева. Понятие радиоактивности.

Статьи по теме:

Заговор таганцева. Невинно расстрелянный Н. Гумилев. Версии о действительном состоянии «организации Таганцева»

Действительно существовал, слава Богу. Дважды уничтожить этих людей чекистам и прокурорам не удалось.Летом 1921 года ПетроЧеКа арестовала более 200 человек по делу т.н "Петроградской боевой организации", возглавляемой профессором Таганцевым. 31.08.1921 б

Город Молога – российская Атлантида

В Ярославской области на Рыбинском водохранилище из воды показались постройки города Молога, который был затоплен в 1940 году при строительстве гидроэлектростанции. Сейчас в регионе маловодье, вода ушла и обнажила целые улицы: видны фундаменты домов, стен

Конспект занятия Словарь на букву м

Тема: Звуки М – Мь. Буква М Программные задачи: * Закрепить навык правильного произношения звуков М и МЬ в слогах, словах и предложениях * Нахождение положения звуков в слове * Дифференциация звуков по твёрдости – мягкости * Анализ слов типа СГС. * Чтение

Святой благоверный князь владислав сербский

1 АВГУСТА - ОБРЕТЕНИЕ МОЩЕЙ ПРЕПОДОБНОГО СЕРАФИМА, САРОВСКОГО ЧУДОТВОРЦА (1903). РАДОСТЬ НАША БАТЮШКА СЕРАФИМ Пастыри о том, как стяжать любовь и ласковое ко всем отношение Сегодня Русская Православная Церковь празднует обретение мощей преподобного Серафи

2024-04-28 00:22:06	Работает ли визуализация и как её использовать
2024-04-28 00:22:06	Понятие о модернизме в литературе
2024-04-27 00:23:27	Февральская революция: причины, участники и события
2024-04-27 00:23:27	Космические исследования: покорители космоса, ученые, открытия Исследование космического пространства с помощью космических аппаратов
2024-04-25 00:23:39	Как избавиться от венца безбрачия?
2024-04-23 00:21:30	Аллергия у грудничка, что делать, как лечить Аллергия на продукты у новорожденных
2024-04-23 00:21:30	Как проявляется аллергия у грудничка — волнующий мам вопрос Продукты вызывающие аллергию у грудничков при грудном вскармливании
2024-04-22 00:23:52	Что можно сделать из шоколадного мороженого
2024-04-21 00:26:35	Рецепт и советы, как приготовить биточки из фарша в духовке
2024-04-19 00:25:38	Макароны с тушенкой по-флотски

2024-04-18 00:21:35	Что предвещает крыжовник во сне?
2024-04-17 00:23:29	Влияние рэперов на жизнь подростков
2024-04-16 00:23:33	Лев – дикое животное Африки: описание, фото и картинки, видео со львами
2024-04-14 00:24:52	Научно-исследовательская работа: интересные темы для школы Школьные исследовательские работы
2024-04-10 00:23:52	Пахнет жареным. Почему запахло жареным? Надо хорошенько хлюпнуть
2024-04-07 00:25:55	Постные блюда от батюшки гермогена
2024-05-03 00:25:29	Заговор таганцева. Невинно расстрелянный Н. Гумилев. Версии о действительном состоянии «организации Таганцева»
2024-05-01 00:22:28	Город Молога – российская Атлантида
2024-04-30 00:24:30	Конспект занятия Словарь на букву м
2024-04-29 00:23:32	Святой благоверный князь владислав сербский
2024-04-28 00:22:06	Работает ли визуализация и как её использовать
2024-04-28 00:22:06	Понятие о модернизме в литературе