Мир элементарных частиц


Краткая история изучения элементарных частиц

Первой элементарной частицей, открытой учеными, был электрон. Электрон — это элементарная частица, носящая отрицательный заряд. Он был открыт в 1897 году Дж. Дж. Томсоном. Позднее, в 1919 году Э. Резерфордом было обнаружено, что среди выбитых из атомных ядер частиц есть протоны. Затем были открыты нейтроны и нейтрино.

В 1932 году К. Андерсоном при изучении космических лучей были открыты позитрон, мюоны, К-мезоны.

С начала 50-х годов основным инструментом изучения элементарных частиц стали ускорители, что позволило обнаружить большое количество новых частиц. Исследования показали, что мир элементарных частиц очень сложен, а их свойства носят неожиданный, непредсказуемый характер.

Элементарные частицы в физике микромира

Элементарные частицы принимают участие во всех фундаментальных видах взаимодействия – сильном, гравитационном, слабом, электромагнитном. Гравитационное взаимодействие, ввиду малых масс элементарных частиц, часто не учитывается. Все существующие на данный момент элементарные частицы разделяются на три большие группы:


  • бозоны. Это элементарные частицы, переносящие электрослабые взаимодействия. К ним относится квант электромагнитного излучения фотон, имеющий массу покоя, равную нулю, чем обусловливается то, что скорость распространения электромагнитных волн в вакууме является предельной скоростью распространения физического воздействия. Скорость света одна из фундаментальных физических постоянных, ее значение равно 299 792 458 м/с.
  • лептоны. Эти элементарные частицы принимают участие в электромагнитных и слабых взаимодействиях. На данный момент существует 6 лептонов: электрон, мюон, мюонное нейтрино, электронное нейтрино, тяжелый τ-лептон и соответствующее нейтрино. Все лептоны имеют спин ½. Каждому лептону соответствует античастица, которая имеет ту же массу, тот же спин и другие характеристики, но отличается знаком электрического заряда. Существуют позитрон, являющийся античастицей электрона, мюон, положительно заряженный и три антинейтрино, имеющие лептонный заряд.
  • адроны. Эти элементарные частицы принимают участие в сильном, слабом и электромагнитном взаимодействиях. Адроны – это тяжелые частицы, масса которых в 200 000 раз больше массы электрона. Это самая многочисленная группа элементарных частиц. Адроны в свою очередь подразделяются на барионы – элементарные частицы со спином ½, мезоны, имеющие целочисленный спин. Кроме того, существуют так называемые резонансы. Так называют короткоживущие возбужденные состояния адронов.

Свойства элементарных частиц

Любой элементарной частице присущ набор дискретных значений и квантовых чисел. Общими характеристиками абсолютно всех элементарных частиц являются следующие:

  • масса
  • время жизни
  • электрический заряд
  • спин

Стабильными элементарными частицами являются: электрон, время жизни которого составляет 51021 лет, протон – более 1031 лет, фотон, нейтрино.

Квазистабильные – это частицы, которые распадаются в результате электромагнитного и слабого взаимодействий, время жизни квазистабильных элементарных частиц составляет более 10-20 с.

Нестабильные элементарные частицы (резонансы) распадаются в ходе сильного взаимодействия и их время жизни составляет $10^{-22} – 10^{-24}$ с.

Квантовыми числами элементарных частиц являются лептонный и барионный заряды. Эти числа являются строго постоянными величинами для всех видов фундаментальных взаимодействий. Для лептонных нейтрино и их античастиц лептонные заряды имеют противоположные знаки. Для барионов барионный заряд равен 1, для соответствующих им античастиц барионный заряд составляет -1.

Характерным для адронов является присутствие особых квантовых чисел: «странности», «красоты», «очарования». Обычными адронами являются нейтрон, протон, π-мезон.

Внутри разных групп адронов существуют семейства частиц, имеющих близкую по значению массу и сходные свойства по отношению к сильному взаимодействию, но отличающиеся электрическим зарядом. Примером этого является протон и нейтрон.


Способность элементарных частиц к взаимовпревращениям, которые происходят в результате электромагнитных и других фундаментальных взаимодействий, является их важнейшим свойством. Таким видом взаимопревращений является рождение пары, то есть образование частицы и античастицы одновременно. В общем случае, происходит образование пары элементарных частиц с противоположными барионными и лептонными зарядами.

Возможен процесс образования позитронно-электронных пар, мюонных пар. Еще одним видом взаимных превращений элементарных частиц является аннигиляция пары в результате столкновения частиц с образованием конечного числа фотонов. Как правило, происходит образование двух фотонов при суммарном спине сталкивающихся частиц, равном нулю, и трех фотонов при суммарном спине, равном 1. Данный пример является проявлением закона сохранения зарядовой четности.

При некоторых определенных условиях возможно образование связанной системы позитрония е-е+ и мюония µ+е-. таким условием может быть невысокая скорость сталкивающихся частиц. Такие нестабильные системы получили название водородоподобных атомов. Время жизни водородоподобных атомов зависит от конкретных свойств вещества. Эта особенность дает возможность использования их в ядерной химии для подробного изучения конденсированного вещества и для исследования кинетики быстрых химических реакций.


Источник: spravochnick.ru

 

Во второй половине XX в. физики, занятые изучением фундаментальной структуры материи, получили поистине удивительные результаты. Было открыто множество новых субатомных частиц. Их обычно называют элементарными частицами, но далеко не все из них действительно элементарны. Многие из них в свою очередь состоят из еще более элементарных частиц.

Новые частицы обычно открывают в реакциях рассеяния уже известных частиц. Для этого сталкивают частицы с как можно большими энергиями, а затем исследуют продукты их взаимодействия и фрагменты, на которые распались образовавшиеся частицы. До 50-х гг. основным источником первичных частиц были космические лучи, а в наше время ускорители, создающие интенсивные пучки частиц с высокими энергиями.

Мир субатомных частиц поистине многообразен. Среди них и «кирпичики», из которых построено вещество: составляющие атомные ядра протоны и нейтроны, а также электроны, обращающиеся вокруг ядер. Но есть и такие частицы, которые в окружающем нас веществе практически не встречаются — резонансы. Время их жизни — мельчайшие доли секунды. По истечении этого чрезвычайно короткого времени они распадаются на обычные частицы. Таких нестабильных короткоживущих частиц поразительно много: их известно уже свыше трех сотен.


В 50—70-е гг. физики были совершенно сбиты с толку многочисленностью, разнообразием и необычностью вновь открытых субатомных частиц. Если в конце 40-х гг. было известно 15 элементарных частиц, то в конце 70-х гг. уже около четырехсот. Совершенно непонятно, для чего столько частиц. Являются ли элементарные частицы хаотическими и случайными осколками материи или, возможно, за взаимодействиями этих частиц скрывается некоторый порядок, указывающий на существование фундаментальной структуры субъядерного мира? Развитие физики в последующие десятилетия показало, что в существовании такой структуры нет никаких сомнений. Миру субатомных частиц присущи объективные закономерности и глубокий структурный порядок. В основе этого порядка — фундаментальные физические взаимодействия.

 

Фундаментальные физические взаимодействия

 

Гравитация

 

В свой повседневной жизни человек сталкивается с множеством сил, действующих на тела: сила ветра или потока воды; давление воздуха; мощный выброс взрывающихся химических веществ; мускульная сила человека; вес предметов; давление квантов света; притяжение и отталкивание электрических зарядов; сейсмические волны, вызывающие подчас катастрофические разрушения; вулканические извержения, приводившие к гибели цивилизаций; и т.д. Одни силы действуют непосредственно при контакте с телом, другие, например гравитация, действуют на расстоянии, через пространство.
, как выяснилось в результате развития естествознания, несмотря на столь большое разнообразие, все действующие в природе силы можно свести к четырем фундаментальным взаимодействиям. Именно эти взаимодействия в конечном счете отвечают за все изменения в мире, именно они являются источником всех материальных преобразований тел, процессов. Каждое из четырех фундаментальных взаимодействий имеет сходство с тремя остальными и в то же время свои отличия. Изучение свойств фундаментальных взаимодействий составляет главную задачу современной физики.

Гравитация первым из четырех фундаментальных взаимодействий стала предметом научного исследования. Созданная в XVII в. ньютоновская теория гравитации (закон всемирного тяготения) позволила впервые осознать истинную роль гравитации как силы природы (см. 6.3.1).

Гравитация обладает рядом особенностей, отличающих ее от других фундаментальных взаимодействий. Наиболее удивительной особенностью гравитации является ее малая интенсивность. Гравитационное взаимодействие в 1039 раз меньше силы взаимодействия электрических зарядов *. Как может такое слабое взаимодействие оказаться господствующей силой во Вселенной?

* Если бы размеры атома водорода определялись гравитацией, а не взаимодействием между электрическими зарядами, то радиус низшей (самой близкой к ядру) орбиты электрона превосходил бы радиус доступной наблюдению части Вселенной.


 

Все дело во второй удивительной черте гравитации — ее универсальности. Ничто во Вселенной не может избежать гравитации. Каждая частица испытывает на себе действие гравитации и сама является источником гравитации, вызывает гравитационное притяжение. Гравитация возрастает по мере образования все больших скоплений вещества. И хотя притяжение одного атома пренебрежимо мало, но результирующая сила притяжения со стороны всех атомов может быть значительной. Это проявляется и в повседневной жизни: мы ощущаем гравитацию потому, что все атомы Земли сообща притягивают нас. Зато в микромире роль гравитации ничтожна. Никакие квантовые эффекты в гравитации пока не доступны наблюдению.

Кроме того, 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 еще никогда не наблюдалось *.


* Хотя в традициях квазинаучной мифологии есть целая область, которая называется левитация — поиск «фактов» антигравитации.

 

Пока еще нет однозначного ответа на вопрос, чем является гравитация — неким полем, искривлением пространства-времени или тем и другим вместе. На этот счет существуют разные мнения и концепции (см. 10.2.4). Поэтому нет и завершенной теории квантово-гравитационного взаимодействия (см. 10.3.5).

 

Электромагнетизм

 

По величине электрические силы намного превосходят гравитационные, поэтому 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. Как мы уже знаем, решающий шаг в познании электромагнетизма сделал в середине XIX в. Дж. К. Максвелл, объединивший электричество и магнетизм в единой теории электромагнетизма — первой единой теории поля.

Существование электрона (единицы электрического заряда) было твердо установлено в 90-е гг. XIX в. Но не все материальные частицы являются носителями электрического заряда. Электрически нейтральны, например, фотон и нейтрино. В этом электричество отличается от гравитации. Все материальные частицы создают гравитационное поле, тогда как с электромагнитным полем связаны только заряженные частицы.


Долгое время загадкой была и природа магнетизма. Как и электрические заряды, одноименные магнитные полюсы отталкиваются, а разноименные — притягиваются. В отличие от электрических зарядов магнитные полюсы встречаются не по отдельности, а только парами — северный полюс и южный. Хорошо известно, что в обычном магнитном стержне один конец действует как северный полюс, а другой — как южный. Еще с древнейших времен известны попытки получить посредством разделения магнита лишь один изолированный магнитный полюс — монополь. Но все они заканчивались неудачей: на месте разреза возникали два новых магнита, каждый из которых имел и северный, и южный полюсы. Может быть, существование изолированных магнитных полюсов в природе исключено? Определенного ответа на этот вопрос пока не существует. Некоторые современные теории допускают возможность существования монополя.

Электрическая и магнитная силы (как и гравитация) являются дальнодействующими, их действие ощутимо на больших расстояниях от источника. Электромагнитное взаимодействие проявляется на всех уровнях материи — в мегамире, макромире и микромире. Как и гравитация, оно подчиняется закону обратных квадратов.

Электромагнитное поле Земли простирается далеко в космическое пространство, мощное поле Солнца заполняет всю Солнечную систему; существуют и галактические электромагнитные поля. Электромагнитное взаимодействие определяет также структуру атомов и отвечает за подавляющее большинство физических и химических явлений и процессов (за исключением ядерных). К нему сводятся все обычные силы: силы упругости, трения, поверхностного натяжения, им определяются агрегатные состояния вещества, оптические явления и др.


 

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 (см. 8.1.5).

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

Но предсказание нейтрино — это только начало проблемы, ее постановка. Нужно было объяснить природу нейтрино, но здесь оставалось много загадочного. Дело в том, что электроны и нейтрино испускались нестабильными ядрами. Но было неопровержимо доказано, что внутри ядер нет таких частиц. 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 появляется 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.

Слабое взаимодействие по величине значительно меньше всех взаимодействий, кроме гравитационного, и в системах, где оно присутствует, его эффекты оказываются в тени электромагнитного и сильного взаимодействий. Кроме того, слабое взаимодействие распространяется на очень незначительных расстояниях. Радиус слабого взаимодействия очень мал. Слабое взаимодействие прекращается на расстоянии, большем 10-16 см от источника, и потому оно не может влиять на макроскопические объекты, а ограничивается микромиром, субатомными частицами. Когда началось лавинообразное открытие множества нестабильных субъядерных частиц, то обнаружилось, что большинство из них участвуют в слабом взаимодействии.

Теория слабого взаимодействия была создана в конце 60-х гг. С момента построения Максвеллом теории электромагнитного поля создание этой теории явилось самым крупным шагом на пути к единству физики.

 

Источник: megaobuchalka.ru

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. Многие из них в свою очередь состоят из еще более элементарных частичек.

Мир субатомных частиц поистине многообразен. 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. Время их жизни 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.

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 в. физика начинает понимать, каково значение каждой из элементарных частиц.

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

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. Именно эти взаимодействия в конечном счете отвечают за все изменения в мире, именно они являются источником всех преобразований тел и процессов.

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 = — 3 9 , от силы взаимодействия электрических зарядов. (Если бы размеры атома водорода определялись гравитацией, а не взаимодействием между электрическими зарядами, то низшая (самая близкая к ядру) орбита электрона по размерам превосходила бы доступную наблюдению часть Вселенной!) (Если бы размеры атома водорода определялись гравитацией, а не взаимодействием между электрическими зарядами, то низшая (самая близкая к ядру) орбита электрона по размерам превосходила бы доступную наблюдению часть Вселенной!). 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. Как уже отмечалось нами, существуют разные мнения и концепции физиков на сей счет.

1.2. Электромагнетизм

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. Как мы уже знаем, решающий шаг в познании электромагнетизма сделал в середине XIX в. 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.

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 (за исключением ядерных).

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".

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.

Источник: mirznanii.com

(беседа с докторами физико-математических наук B.C. Барашенковым и В.И. Манько)

Автор: В настоящее время большинство физиков склоняется к мысли, что кварки, несмотря на то, что их до сих пор не удалось обнаружить «в чистом виде», – все же вполне реальные образования.

Барашенков: Любопытно, что можно провести некую аналогию между кварками и лептонами – легкими частицами, в число которых входит электрон. Не исключено, что именно кварки и лептоны и есть те «кирпичики», из которых состоят все остальные частицы, и, таким образом, физики в своих поисках фундаментальных частиц уже приблизились к одной из «конечных станций». Впрочем, вряд ли такая станция вообще существует…

Теория элементарных частиц ведет нас все дальше от наглядных представлений, она обрастает все более сложными математическими и другими образами, у которых нет аналогов в непосредственно окружающей нас действительности… Совершается проникновение во все «более странный мир» современной физики…

Автор: Некоторые физики-теоретики считают, что трудные времена, которые не так давно наступили в теории элементарных частиц, уже остались позади. Придерживаетесь ли и вы такого же мнения?

Барашенков: Действительно, после некоторого периода, я бы сказал, кажущегося застоя в этой области современной физики произошел серьезный прорыв, в частности, по линии объединения различных типов взаимодействия, в первую очередь слабых и электромагнитных – построена так называемая электрослабая теория. А теперь – и к объединению этих взаимодействий с сильными. И делается все это на очень глубоком кварковом уровне.

Автор: И каковы, по вашему мнению, дальнейшие перспективы развития наших представлений об элементарных частицах?

Барашенков: Очень важное значение будет иметь открытие так называемых пси-частиц, обладающих необычными свойствами. Несмотря на то, что теоретические предпосылки, допускающие существование в природе подобных частиц, были высказаны довольно давно, их экспериментальное обнаружение оказалось все же довольно неожиданным. Хотя, повторяю, теоретические предпосылки для такого открытия были.

Автор: Кварки?

Барашенков: Да, кварки. С другой стороны, открытие новых частиц явилось важным аргументом в пользу справедливости теории кварков. Дело в том, что без этой гипотезы было бы очень трудно объяснить необычные свойства «пси-частиц». Напомню, что на протяжении некоторого времени кварки воспринимались лишь как чисто теоретические объекты, поскольку обнаружить их экспериментально никак не удавалось. Открытие пси-частиц не только подтвердило, что кварки – вполне реальные частицы, но и показало, что их должно существовать не три, а четыре. Кроме того, мы теперь знаем, что каждый из этих кварков может быть трех цветов, или «ароматов», – красным, белым или желтым.

Этим не совсем обычным термином физики условились обозначать некое подобие заряда, с помощью которого они взаимодействуют друг с другом. И по аналогии с электродинамикой ту часть физики, которая изучает взаимодействие кварков, стали называть «хромодинамикой».

Автор: Какое место, по вашему мнению, занимает теория элементарных частиц в современном естествознании? Ведь речь, по существу, идет о том, чем заполнено пространство на уровне микропроцессов?

Барашенков: Теория элементарных частиц, наряду с астрофизикой, всегда играла чрезвычайно важную роль в формировании новых представлений о явлениях окружающего нас мира. Так, например, современная теория элементарных частиц подводит нас к новому пониманию элементарности…

Автор: Вы имеете в виду то обстоятельство, что в результате новейших исследований выяснилась сложная внутренняя структура таких «элементарных» частиц, которые прежде считались «точечными» – протона, нейтрино, пи-мезона?..

Барашенков: Еще сравнительно недавно считалось само собой разумеющимся, что Вселенная представляет собой последовательность вложенных друг в друга физических систем, от Метагалактики до неделимых элементарных частиц, не имеющих внутренней структуры. Подобная картина хорошо согласовывалась и с нашим повседневным здравым смыслом, согласно которому целое всегда больше составляющих его частей. Но теперь мы знаем, что элементарная частица может содержать в качестве своих составных частей несколько точно таких же частиц, как и она сама. Так, например, протон на очень короткое время распадается (диссоциирует) на протон и три пи-мезона, а каждый пи-мезон – еще на три пи-мезона. Таким образом, в микромире теряют смысл привычные представления о целом и части, о простом и сложном, а следовательно, теряет смысл и привычное для нас понятие элементарности. В частности, обсуждалась даже идея «предкварков» – еще более фундаментальных частиц, из которых, возможно, состоят сами кварки…

Автор: Но если так обстоит дело внутри микромира, то не нуждаются ли в серьезном пересмотре и существующие представления о соотношении микромира и мегакосмоса? Чего вы ждете от теории элементарных частиц в ближайшем будущем? Каких новых достижений, каких открытий?

Барашенков: Прежде всего окончательного построения единой теории сильных, слабых и электромагнитных взаимодействий. Кроме того, должна быть понята природа кварков и получен вразумительный ответ на вопрос, почему их не удается наблюдать. Весьма интересных результатов можно ожидать и от дальнейшего изучения нейтрино, играющего очень важную роль в слабых взаимодействиях. Было бы также очень интересно понять до конца, почему нарушается так называемая Т-инвариантность при распаде Ка-два-мезона?..

Хочу пояснить, о чем идет речь. Дело в том, что в физике микромира действует очень важный закон сохранения, известный под названием СРТ-теоремы. Согласно этому закону, состояние физической системы не изменится, если все частицы заменить соответствующими им античастицами (С-преобразование), осуществить зеркальное отражение рассматриваемой системы (Р-преобразование) и изменить течение времени на обратное (Т-преобразование). В этом случае уравнения, описывающие поведение системы, не изменят своего вида. До 1964 года считалось, что и СР-преобразования сами по себе также не изменяют состояния системы (закон комбинированной четности). Считалось также само собой разумеющимся, что ничего не меняется и в результате одного Т-преобразования. Однако в 1964 году выяснилось, что явление распада Ка-два-мезона на два пи-мезона несовместимо с законом комбинированной четности.

Но если не выполняется этот закон, то есть уравнения в результате СР-преобразования все же меняют свой вид, то, следовательно, в микромире прямое и обратное течение времени обладают какими-то существенными различиями.

Автор: Не значит ли это, что современная физика элементарных частиц нуждается в каких-то принципиально новых, может быть «безумных» идеях?.. Прошу извинения за этот вопрос, насколько мне известно, многие современные физики относятся к нему далеко не однозначно, а порой даже весьма агрессивно…

Барашенков: Нет, ваш вопрос вполне закономерен. Что же касается ответа, то ситуация далеко не ясна. Экспериментальных данных в этой области очень много, но много и непонятного… Не исключено, что стараниями теоретиков в конце концов удастся преодолеть возникающие трудности и объяснить экспериментальные данные, не прибегая к каким-то принципиально новым взглядам. Но могут потребоваться и совершенно новые идеи, в том числе и весьма необычные.

Автор: Хотелось бы узнать ваши соображения о современном состоянии теории элементарных частиц, изучающей один из «полюсов» грандиозной иерархии различных объектов, заполняющих пространство нашей Вселенной. Чему может научить эта область физики не только ученого-исследователя, но и любого современного человека?

Барашенков: Теория элементарных частиц поучительна прежде всего тем, что здесь с особенной силой проявляется мощь научной теории. Ведь не случайно, например, кварки были «изобретены» теоретиками, а не обнаружены в опыте. Поучительно и то, что в процессе развития этой теории постоянно возникает масса неожиданных понятий и образов, потрясающих привычные основы. Достаточно опять-таки напомнить о тех же кварках. Тем самым наглядно и убедительно демонстрируется неправомерность любой абсолютизации научных знаний. Физика, как наука, никогда не закончится.

Автор: А какие, по вашему мнению, философские проблемы связаны с современной теорией элементарных частиц?

Барашенков: Одна из основных проблем такого рода, на мой взгляд, состоит в выяснении того, что же такое «пространство-время» в физическом смысле? Другая важная проблема, имеющая философское значение, – обобщение существующего понятия причинности, которое в ряде случаев может оказаться недостаточным.

Есть еще и ряд проблем методологического характера, которые так или иначе связаны с изучением элементарных частиц. Что значит – хорошая теория? Что значит – объяснить? Что предпочтительнее – система уравнений или модель? Что значит – единая теория? И ряд других…

Взаимосвязь микро- и макро- – одно из конкретных выражений диалектики природы, всеобщей взаимосвязи и взаимозависимости ее явлений. Уже сейчас в ряде случаев трудно разделить, где космология, изучающая строение и эволюцию Вселенной, и где теория элементарных частиц. В центре внимания современной астрофизики находятся объекты, отличающиеся необычайно высокой плотностью, а порой и очень малыми размерами. В частности, в качестве объектов, где связь микро- и макро- реально проявляется, можно привести черные дыры с радиусом 10-13 сантиметра. Их масса должна составлять 108 тонн! Экспериментальное обнаружение подобных экзотических объектов – одна из интереснейших задач современной физики. Подобные экстремальные состояния материи не могут быть описаны в рамках одной лишь общей теории относительности Эйнштейна, так как при столь больших плотностях неизбежно возникают специфические квантовые эффекты. Поэтому одной из важнейших задач современной физики является развитие квантовой гравитационной теории, которая объединила бы общую теорию относительности и квантовую физику.

А это значит, что путь к пониманию физической природы многих удивительных явлений, обнаруженных в последние годы во Вселенной, быть может, начинается в глубинах микромира.

Однако для того, чтобы где-то в ультрамалых пространственно-временных областях нащупать кончик той нити, которая словно «нить Ариадны» должна привести нас к разгадке сокровенных тайн космических объектов, сперва, видимо, надо еще понять что-то непонятое в самом микромире.

Между тем во второй половине XX столетия в физике микромира наступило заметное затишье. Во всяком случае, в начале 1970-х годов многие известные специалисты высказывали мнение, что физика микромира явно отступает на второй план и что ее роль в современном естествознании значительно скромнее, чем у физики атома в начале века, когда этот раздел физической науки занимал доминирующее положение и в умах людей и в области практических приложений. А сегодня?..

Вот что рассказывает доктор физико-математических наук Владимир Иванович Манько.

Манько: На мой взгляд, в последнее время ситуация в физике микромира изменилась самым существенным образом. В частности, получила развитие новая область физики элементарных частиц: так называемые новые частицы. Как известно, новые частицы открывали и раньше, но недавно были обнаружены так называемые пси-частицы, обладающие весьма интересными свойствами. Кстати, за их открытие двум американским физикам были присуждены Нобелевские премии за 1976 год.

Автор: Чем же замечательно это открытие? Тем, что обнаружены какие-то совершенно необыкновенные частицы, или тем, что их существование подтвердило какие-то важные теоретические идеи?

Манько: Еще в 1964 году М. Гелл-Манн и Г. Цвейг на основе некоторых теоретических соображений выдвинули весьма смелую и оригинальную идею об особых фундаментальных частицах – кварках с дробными электрическими зарядами. Согласно этому предположению, существуют три кварка и три соответствующих им антикварка, из которых могут быть построены протоны, нейтроны, гипероны, мезоны и некоторые другие элементарные частицы.

В теоретическом отношении гипотеза кварков оказалась весьма интересной и многообещающей. Во всяком случае, в мире элементарных частиц все происходит именно так, как если бы кварки действительно существовали.

Автор: Но, как известно, кварки, несмотря на большие экспериментальные усилия, обнаружить до сих пор так и не удалось. Чем это объяснить?

Манько: В самом деле, в период с 1964 по 1970 год во многих лабораториях мира предпринимались весьма активные поиски кварков. Их искали на ускорителях элементарных частиц, в космических лучах и даже в образцах лунного грунта. Однако обнаружить кварки в свободном состоянии к со жалению, действительно так и не удалось, Правда, время от времени в печати появляются сообщения о том, что кварки, наконец, открыты. Но дальнейшие исследования эти сообщения не подтверждают.

Но в то же время без гипотезы кварков было бы очень трудно объяснить многие свойства элементарных частиц.

Автор: Каков же выход из сложившейся ситуации?

Манько: Несмотря ни на что, гипотеза кварков продолжает развиваться. В частности, не так давно теоретики пришли к выводу о существовании еще одного – четвертого кварка, который должен характеризоваться и особым, так называемым квантовым числом, получившим название «очарования» или «чарма».

Автор: У физиков явная склонность к поэтическим названиям… Но если есть четвертый кварк, то, видимо, должны существовать и частицы, в состав которых он входит?

Манько: Именно одна из таких частиц – джей-пси-мезон и была открыта в ноябре 1974 года американскими физиками С. Тингом и Б. Рихтером. Есть предположение, что джей-пси-мезон представляет собой своеобразную атомоподобную систему, которая состоит как раз из упомянутого мной четвертого кварка и его антикварка. Кстати, эту систему назвали «чармонием». Обнаружены и некоторые другие пси-частицы той же природы.

Автор: Насколько я понимаю, открытие новых частиц является немаловажным косвенным свидетельством в пользу гипотезы кварков. Но в таком случае вновь возникает все тот же вопрос: почему эти объекты не удастся обнаружить на опыте?

Манько: Есть любопытная идея – так называемого удержания кварков. Речь идет о том, что, быть может, вообще в природе существуют частицы (в том числе и кварки), которые в принципе невозможно оторвать друг от друга и выделить в чистом виде.

Автор: И какое же теоретическое объяснение можно дать подобному феномену?

Манько: Предложено, например, такое объяснение. Возможно, что силы, связывающие между собой два кварка, имеют не электромагнитную, а какую-то иную природу. Не исключено, что по своему характеру они напоминают бесконечно узкую, упругую, как бы «резиновую» трубку. Такая упругая трубчатая связь не позволяет оторвать один кварк от другого – «растягиваясь» при внешнем воздействии, она затем сокращается и возвращает кварк на место.

Таким образом, не исключена возможность, что кварки представляют собой особый тип образований, которые могут существовать только в совокупности и которые принципиально невозможно разделить.

Автор: Итак, гипотеза кварков получила новый мощный импульс. Каковы же ее дальнейшие перспективы?

Манько: Не исключено, что дальнейшее развитие физики элементарных частиц покажет, что помимо четырех кварков, фигурирующих в настоящее время, существуют еще и другие, более тяжелые. Видимо, ответ на этот вопрос будет получен уже в самое ближайшее время…

Следующая глава >

Источник: fil.wikireading.ru


You May Also Like

About the Author: admind

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *

Этот сайт использует Akismet для борьбы со спамом. Узнайте, как обрабатываются ваши данные комментариев.