Неделимая частица в физике


Неделимая частица в физике «Мы задаёмся вопросом, почему группа талантливых и преданных своему делу людей готова посвятит жизнь погоне за такими малюсенькими объектами, которые даже невозможно увидеть? На самом деле, в занятиях физиков элементарных частиц проявляется человеческое любопытство и желание узнать, как устроен мир, в котором мы живём» Шон Кэрролл

Если вы всё ещё боитесь фразы квантовая механика и до сих пор не знаете, что такое стандартная модель — добро пожаловать под кат. В своей публикации я попытаюсь максимально просто и наглядно объяснить азы квантового мира, а так же физики элементарных частиц. Мы попробуем разобраться, в чём основные отличия фермионов и бозонов, почему кварки имеют такие странные названия, и наконец, почему все так хотели найти Бозон Хиггса.

Из чего мы состоим?

Ну что же, наше путешествие в микромир мы начнём с незатейливого вопроса: из чего состоят окружающие нас предметы? Наш мир, как дом, состоит из множества небольших кирпичиков, которые особым образом соединяясь, создают что-то новое, не только по внешнему виду, но ещё и по своим свойствам. На деле, если сильно к ним приглядеться, то можно обнаружить, что различных видов блоков не так уж и много, просто каждый раз они соединяются друг с другом по-разному, образуя новые формы и явления. Каждый блок — это неделимая элементарная частица, о которой и пойдёт речь в моём рассказе.


Для примера, возьмём какое-нибудь вещество, пусть у нас это будет второй элемент периодической системы Менделеева, инертный газ, гелий. Как и остальные вещества во Вселенной, гелий состоит из молекул, которые в свою очередь образованы связями между атомами. Но в данном случае, для нас, гелий немного особенный, потому что он состоит всего из одного атома.

Неделимая частица в физике

Из чего состоит атом?

Атом гелия, в свою очередь, состоит из двух нейтронов и двух протонов, составляющих атомное ядро, вокруг которого вращаются два электрона. Самое интересное, что абсолютно неделимым здесь является лишь электрон.

Интересный момент квантового мира

Чем меньше масса элементарной частицы, тем больше места она занимает. Именно по этой причине электроны, которые в 2000 раз легче протона, занимают гораздо больше места по сравнению с ядром атома.

Нейтроны и протоны относятся к группе так называемых адронов (частиц, подверженных сильному взаимодействию), а если быть ещё точнее, барионов.

Адроны можно разделить на группы

  • Барионов, которые состоят из трёх кварков
  • Мезонов, которые состоят из пары: частица-античастица

Нейтрон, как ясно из его названия, является нейтрально заряженным, и может быть поделён на два нижних кварка и один верхний кварк. Протон, положительно заряженная частица, делится на один нижний кварк и два верхних кварка.

Неделимая частица в физике

Да, да, я не шучу, они действительно называются верхний и нижний. Казалось бы, если мы открыли верхний и нижний кварк, да ещё электрон, то сможем с их помощью описать всю Вселенную. Но это утверждение было бы очень далеко от истины.

Главная проблема — частицы должны как-то между собой взаимодействовать. Если бы мир состоял лишь из этой троицы (нейтрон, протон и электрон), то частицы бы просто летали по бескрайним просторам космоса и никогда бы не собирались в более крупные образования, вроде адронов.

Фермионы и Бозоны

Достаточно давно учёными была придумана удобная и лаконичная форма представления элементарных частиц, названная стандартной моделью. Оказывается, все элементарные частицы делятся на фермионы, из которых и состоит вся материя, и бозоны, которые переносят различные виды взаимодействий между фермионами.


Разница между этими группами очень наглядна. Дело в том, что фермионам для выживания по законам квантового мира необходимо некоторое пространство, а для бозонов почти не важно наличие свободного места.

Фермионы


Группа фермионов, как было уже сказано, создаёт видимую материю вокруг нас. Что бы мы и где ни увидели, создано фермионами. Фермионы делятся на кварки, сильно взаимодействующие между собой и запертые внутри более сложных частиц вроде адронов, и лептоны, которые свободно существуют в пространстве независимо от своих собратьев.

Кварки делятся на две группы.

  • Верхнего типа. К кваркам верхнего типа, с зарядом +23, относят: верхний, очарованный и истинный кварки
  • Нижнего типа. К кваркам нижнего типа, с зарядом -13, относят: нижний, странный и прелестный кварки

Истинный и прелестный являются самыми большими кварками, а верхний и нижний — самыми маленькими. Почему кваркам дали такие необычные названия, а говоря более правильно, «ароматы», до сих пор для учёных предмет споров.

Лептоны также делятся на две группы.

  • Первая группа, с зарядом «-1», к ней относят: электрон, мюон (более тяжёлую частицу) и тау-частицу (самую массивную)
  • Вторая группа, с нейтральным зарядом, содержит: электронное нейтрино, мюонное нейтрино и тау-нейтрино

Нейтрино — есть малая частица вещества, засечь которую практически невозможно. Её заряд всегда равен 0.


Возникает вопрос, не найдут ли физики ещё несколько поколений частиц, которые будут еще более массивными, по сравнению с предыдущими. На него ответить трудно, однако теоретики считают, что поколения лептонов и кварков исчерпываются тремя.

Не находите никакого сходства? И кварки, и лептоны делятся на две группы, которые отличаются друг от друга зарядом на единицу? Но об этом позже…

Бозоны


Без них бы фермионы сплошным потоком летали по вселенной. Но обмениваясь бозонами, фермионы сообщают друг другу какой-либо вид взаимодействия. Сами бозоны же с друг другом практически не взаимодействуют.
На самом деле, некоторые бозоны всё же взаимодействуют друг с другом, но об этом будет рассказано более подробно в следующих статьях о проблемах микромира

Взаимодействие, передаваемое бозонами, бывает:

  • Электромагнитным, частицы — фотоны. С помощью этих безмассовых частиц передаётся свет.
  • Сильным ядерным, частицы — глюоны. С их помощью кварки из ядра атома не распадаются на отдельные частицы.
  • Слабым ядерным, частицы — ±W и Z бозоны. С их помощью фермионы перекидываются массой, энергией, и могут превращаться друг в друга.
  • Гравитационным, частицы — гравитоны. Чрезвычайно слабая в масштабах микромира сила. Становится видимой только на сверхмассивных телах.

Оговорка о гравитационном взаимодействии.
Существование гравитонов экспериментально ещё не подтверждено. Они существуют лишь в виде теоретической версии. В стандартной модели в большинстве случаев их не рассматривают.

Вот и всё, стандартная модель собрана.

Неделимая частица в физике

Проблемы только начались

Несмотря на очень красивое представление частиц на схеме, осталось два вопроса. Откуда частицы берут свою массу и что такое Бозон Хиггса, который выделяется из остальных бозонов.

Для того, что бы понимать идею применения бозона Хиггса, нам необходимо обратиться к квантовой теории поля. Говоря простым языком, можно утверждать, что весь мир, вся Вселенная, состоит не из мельчайших частиц, а из множества различных полей: глюонного, кваркового, электронного, электромагнитного и.т.д. Во всех этих полях постоянно возникают незначительные колебания. Но наиболее сильные из них мы воспринимаем как элементарные частицы. Да и этот тезис весьма спорный. С точки зрения корпускулярно-волнового дуализма, один и тот же объект микромира в различных ситуациях ведёт себя то как волна, то как элементарная частица, это зависит лишь от того, как физику, наблюдающему за процессом, удобнее смоделировать ситуацию.

Поле Хиггса

Оказывается, существует так называемое поле Хиггса, среднее значение которого не хочет стремиться к нулю.
результате чего, это поле старается принять некоторое постоянное ненулевое значение во всей Вселенной. Поле составляет вездесущий и постоянный фон, в результате сильных колебаний которого и появляется Бозон Хиггса.
И именно благодаря полю Хиггса, частицы наделяются массой.
Масса элементарной частицы, зависит от того, насколько сильно она взаимодействует с полем Хиггса, постоянно пролетая внутри него.
И именно из-за Бозона Хиггса, а точнее из-за его поля, стандартная модель имеет так много похожих групп частиц. Поле Хиггса вынудило сделать множество добавочных частиц, таких, например, как нейтрино.

Итоги

То, что было рассказано мною, это самые поверхностные понятия о природе стандартной модели и о том, зачем нам нужен Бозон Хиггса. Некоторые учёные до сих пор в глубине души надеются, что частица, найденная в 2012 году и похожая на Бозон Хиггса в БАКе, была просто статистической погрешностью. Ведь поле Хиггса нарушает многие красивые симметрии природы, делая расчёты физиков более запутанными.
Некоторые даже считают, что стандартная модель доживает свои последние годы из-за своего несовершенства. Но экспериментально это не доказано, и стандартная модель элементарных частиц остаётся действующим образцом гения человеческой мысли.

Источник: habr.com

Из истории вопроса

Первым из тех, кто задумался о существовании мельчайших частиц, из которых состоят все вещества и окружающие предметы, был древнегреческий философ Демокрит. Он был первым, кто высказал предположение о существовании фундаментальных частиц. Согласно письменным источникам, случилось это в 


4

веке до нашей эры. Демокрит дал название атому и определил, что это неделимая частица материи.

В течение ряда веков понятие об атомах носило скорее философский, чем физический смысл. И только начиная с

19

века представление об атомах стали использовать сначала для объяснения химических, а затем и физических процессов.

В

30

-е годы

19

столетия Макс Фарадей ввел в обиход понятие иона в рамках теории электролиза, а также выполнил изменение элементарного заряда. К концу столетия Антуан Анри Беккерель открыл явление радиоактивности, Джозеф Томсон установил существование электронов, Эрнест Резерфорд —

α

-частиц. В первые пять лет

20

века Альберт Эйнштейн разработал учение о фотонах (квантах электромагнитного поля). Все эти открытия были бы невозможны без понятия об атомах.

В течение первой трети

20

века было установлено, что атом имеет сложное строение, которое предполагает наличие ядра и расположенных вокруг него электронов. Эрнест Резерфорд предложил орбитальную модель строения атома, согласно которой электроны движутся вокруг ядра по определенным орбитам. Он же во время опытов по расщеплению ядер атомов установил существование протонов.


Открытие нейтронов принадлежит известному английскому физику Джеймсу Чедвику. Он установил, что ядра атомов имеют сложное строение. Так возникла протон-нейтронная теория строения ядер, разработкой которой занимались немецкий исследователь Вейнер Гейзенберг и наш соотечественник, физик-теоретик, лауреат Сталинской премии Дмитрий Дмитриевич Иваненко.

Существование позитрона было предсказано англичанином Полем Дираком. Эта положительно заряженная частица, имеющая такую же массу и такой же (по модулю) заряд, что и электрон, была открыта американским физиком-экспериментатором Карлом Дейвидом Андерсеном в космических лучах.

В тридцатых годах

20

-го века были открыты взаимные превращения нейтронов и протонов. Было установлено, что элементарные частицы не являются неизменными. В это же время были открыты мюоны– частицы, масса которых составляет

207

электронных масс, а затем и пионы – частицы, которые обеспечивают взаимодействие между нуклонами в ядре атома.

До середины

20

века было открыто большое количество элементарных частиц. Это стало возможно благодаря широкому исследованию космических лучей, внедрению ускорительной техники, развитию ядерной физики.

Виды частиц


В наше время известно порядка

400

элементарных или субъядерных частиц. Большинство из них нестабильно: одни частицы могут самопроизвольно превращаться в другие с течением времени. Исключением из этого являются нейтрино, фотон, протон и электрон.

Время жизни нестабильных частиц значительно разнится. Дольше всех «живет» нейтрон:

15

минут. Существование

μ

-мезона ограничено отрезком времени в 

2,2·106

 секунды, нейтрального 

π

-мезона – 

0,87·1016 с

. Среднее время существования гиперонов, массивных частиц, составляет всего

1010 с

.

Определение 1

Основые свойства элементарных частиц


Одним из наиболее важных свойств элементарных частиц является их способность к взаимным превращениям. Частицы способны поглощаться (возникать) и испускаться (исчезать). Это относится как к стабильным, так и к нестабильным частицам. Разница лишь в том, что стабильные частицы могут превращаться не самопроизвольно, а в результате взаимодействия с другими частицами.

Определение 2

Частицы и античастицы

Электрон является двойником позитрона. Антипротон отличается от протона наличием у него отрицательного электрического заряда. Нейтрон не имеет заряда. Антинейтрон отличается от нейтрона знаком магнитного момента и барионного заряда.

Наличие античастиц установлено для всех элементарных частиц. Встреча частицы и античастицы сопровождается аннигиляцией, в результате которой обе частицы превращаются в кванты излучения или частицы других видов.

Ученые предполагают существование антивещества. Теоретически, это возможно, если в ядре будут антинуклоны, а в оболочке атома позитроны. Взаимодействие вещества и антивещества может привести к выделению огромного количества энергии, которое будет превосходить энергию ядерных и термоядерных реакций.

Группы элементарных частиц

Информацию об основных элементарных частицах мы собрали в таблицу. Размещение частиц соответствует существующей ныне системе классификации элементарных частиц. Каждая из частиц имеет ряд характеристик: время жизни, масса, выраженная в электронных массах, электрический заряд в единицах элементарного заряда и спин, который также носит название момента импульса, выраженный в единицах постоянной Планка

ħ = h2π

.

Определение 3
Определение 4
Определение 5

Объединяет частицы из группы лептонов спин 

12

. В таблицу мы включили только основные лептоны. На самом деле их намного больше.

Определение 6

Определение 7

Подгруппа барионов по сравнению с мезонами является более обширной и состоит из более тяжелых элементарных частиц. Нуклоны являются самыми легкими из барионов, затем идут гипероны. Масса омега-минус-гиперона составляет

3273

электронных массы. Спин барионов составляет

12

.

Кварковая гипотеза

Количество уже открытых и вновь открываемых частиц позволяет предположить, что существуют какие-то более мелкие фундаментальные частицы. В середине

20

века американский физик Мюррей Гелл-Ман выдвинул гипотезу существования кварков, фундаментальных частиц, из которых построены тяжелые элементарные частицы.

Согласно теории Гелл-Мана существует три кварка и три антикварка. Они могут объединяться, образуя различные сочетания.

Определение 8

Эта теория позволила объяснить существование уже открытых частиц и существование других, еще неизвестных науке. При этом, ряд свойств предсказанных частиц оказался неожиданным для исследователей.

Электрический заряд кварков должен выражаться дробными числами, равными 

23

и 

13

элементарного заряда.

Поиски кварков в космических лучах и на современных ускорителях высоких энергий оказались безуспешными. Считается, что кварки обладают очень большой массой. В связи с этим, получить кварки при тех энергиях, которые можно получить в современных ускорителях, не получается. Тем не менее, установлено, что кварки существуют внутри тяжелых элементарных частиц, таких как андроны.

 Фундаментальные взаимодействия в природе

Определение 9
Определение 10

Сильное взаимодействие

Это вид фундаментального взаимодействия также носит название ядерного, так как оно обуславливает прочную связь между нуклонами в ядре атома. Из числа элементарных частиц в сильном взаимодействии принимают участие андроны (мезоны и барионы).

Сильное взаимодействие считается короткодействующим, так как проявляется на расстоянии порядка

1015 м

 и менее.

Электромагнитное взаимодействие

Благодаря этому виду взаимодействия возможно существование молекул и атомов. Оно определяет большинство свойств веществ, находящихся в трех агрегатных состояниях (твердом, жидком и газообразном). Оно обуславливает протекание процессов поглощения и излучения фотонов атомами и молекулами вещества, а также целый ряд других физических и химических процессов. Кулоновское отталкивание, существующее между протонами, объясняет неустойчивость ядер атомов с большими массовыми числами.

В электромагнитном взаимодействии могут участвовать любые частицы, которые обладают электрическим зарядом, а также кванты электромагнитного поля фотоны.

Слабое взаимодействие

Этот вид взаимодействия определяет ход наиболее медленных процессов, которые протекают в микромире, в том числе с участием нейтрино или антинейтрино.

В этом виде взаимодействия могут принимать участие любые элементарные частицы.

Пример 1

Гравитационное взаимодействие

В связи с тем, что масса элементарных частиц мала, силами гравитационного воздействия между ними можно пренебречь. Гравитация имеет значение при взаимодействии космических объектов, чья масса огромна.

Теория обменного взаимодействия

В первой трети прошлого столетия у исследователей появилась гипотеза о том, что все взаимодействия в мире элементарных частиц осуществляются посредством обмена квантами какого-либо поля. Выдвинули эту гипотезу советские ученые И.Е. Тамм и Д.Д. Иваненко. Они провели параллели между взаимодействиями, которые возникают в результате обмена частицами, и обменом валентными электронами, которые при образовании ковалентной химической связи объединяются на незаполненных электронных оболочках.

Определение 11
Определение 12

Подтверждением верности теории обменного взаимодействия стали теоретические выкладки японского физика Х. Юкавы, который доказал, что сильное взаимодействие между нуклонами можно объяснить обменом гипотетическими частицами, которые получили название мезонов. Юкава вычислил массу этих частиц. Она оказалась приблизительно равно

300

электронным массам.

Спустя несколько лет частицы с такой массой действительно были обнаружены. Они были названы π-мезонов (пионов). В настоящее время известны три вида пионов: 

π+, π

 и 

π0

.

Теория электрослабого взаимодействия рассматривает электромагнитное поле и поле слабого взаимодействия как две разные характеристики одного поля. В таком поле помимо квантов взаимодействие обеспечивают и векторные бозоны.

Теория Великого объединения

После того, как удалось объединить в одну модель слабое и электромагнитное взаимодействия, у исследователей появилась уверенность в том, что связаны между собой все виды взаимодействий. Единственное, чего не хватает для полноты картины, это физического подтверждения таких взаимодействий. До получения доказательств теория остается лишь привлекательной научной гипотезой.

Для того, чтобы объединить слабое, электромагнитное и гравитационное взаимодействия, физики-теоретики предположили существование гипотетической частицы под названием гравитон. Однако до настоящего времени существование такой частицы не было подтверждено в ходе экспериментов.

Предполагается, что получить подтверждение теории Великого объединения в современных ускорителях невозможно. А все потому, что единое поле, которое объединяет все виды взаимодействий, существует только при очень больших энергиях частиц. Такая энергия частицы могла наблюдаться только на самых ранних этапах существования вселенной, сразу после Большого взрыва.

Предполагается, что Большой взрыв произошел

18

миллиардов лет назад. В теории, сразу после Большого взрыва температура могла достигать

1032 К

, а энергия частиц 

E = kT

 достигать значений 

1019

 ГэВ. В таких условиях материя могла существовать в форме кварков и нейтрино, а все виды взаимодействий были объединены в одно силовое поле.

По мере расширения вселенной энергия частиц уменьшается. Из единого поля при энергиях частиц 

 1019 ГэВ

выделилось гравитационное взаимодействие. При энергиях порядка 

1014 ГэВ

разделились сильное и электрослабое взаимодействия. При энергиях порядка 

103 ГэВ

 все четыре вида фундаментальных взаимодействий оказались разделенными. Параллельно этому началось формирование более сложных форм материи: нуклонов, ядер атомов, атомов, ионов.

Основываясь на законах физики, описывающих взаимодействие элементарных частиц, создана модель эволюции вселенной, на которую опирается вся современная космология.

Источник: Zaochnik.com

Источник: dtf.ru

С тех пор, как атом перестал быть неделимым, элементарных частиц в современной квантовой физике «развелось» так много, что впору задуматься об издании краткого путеводителя по элементарным частицам. Вот неполный список некоторых таких частиц – протоны, нейтроны, адроны, нуклоны, электроны, кварки, глюоны, бозоны, барионы, партоны, пионы, мюоны, лептоны, фермионы, гипероны, каоны, мезоны, нейтрино, гравитоны, фотоны. Наверное, специалисты-ядерщики легко расширят этот список ещё и дадут исчерпывающие комментарии по каждой из этих частиц и их родственных связях друг с другом.

Мы с вами пойдём другим путём. Наоборот, максимально сократим список элементарных частиц. И попробуем найти среди всего этого многообразия действительно элементарные, т.е. неделимые частицы. Для начала разделим все частицы на стабильные и нестабильные. И сосредоточим своё внимание исключительно на стабильных частицах, так как нестабильные частицы с точки зрения своей элементарности не представляют интереса. Потому что время их существования ограничено и они, по определению, в течение этого времени распадаются или трансформируются в какие-то другие частицы. При этом уточним, что к стабильным относятся элементарные частицы, имеющие бесконечное время жизни в свободном состоянии. Таких стабильных частиц в квантовой физике оказывается совсем не много. Это протон, электрон, фотон, гравитон и нейтрино. Причём, если из этого списка исключить все без массовые частицы, то останется всего две элементарные частицы – протон и электрон. Только эти две частицы обладают массой покоя и могут существовать в свободном состоянии бесконечно долго. Более продвинутые читатели укажут мне, что нейтрино также обладает массой не более 0,28 эВ. Не оспаривая в целом возможность существования такой частицы и наличия у неё массы, я, совершенно сознательно, исключил нейтрино из своего списка элементарных частиц по следующим соображениям – во-первых, точная масса нейтрино до сих пор не определена, а во-вторых, методы обнаружения и легализации таких частиц как нейтрино и антинейтрино вызывают большие сомнения в силу своей спорной научной чистоты и безупречности (может быть чуть позже, я напишу отдельную статью по этой теме). Кроме перечисленных выше, с небольшой натяжкой, к элементарным стабильным частицам можно добавить нейтрон, который наравне с протоном существует в составе любого атомного ядра бесконечно долго, но в свободном состоянии распадается на протон и электрон примерно через 15 минут. Масса и заряд всех этих частиц установлены в многочисленных экспериментах и их величины на сегодняшний день не вызывают ни каких сомнений у научного сообщества.

Факт распада свободного нейтрона на протон и электрон недвусмысленно намекает нам на то, что нейтрон это не элементарная частица, а сложная, состоящая как минимум из протона и электрона. Однако в рамках стандартной модели этому факту даётся другая интерпретация. Так, согласно квантовой хромодинамике (КХД), каждый нейтрон состоит из двух нижних кварков и одного верхнего, а каждый протон из одного нижнего и двух верхних кварков. В рамках этой теории распад нейтрона сопровождается излучением одного электрона и превращением одного нижнего кварка в верхний. Т.е. нейтрон превращается в протон примерно вот так:

Согласно этой модели в превращении участвуют три нестабильных элементарных частицы с дробными зарядами. Верхний кварк (U) всегда имеет заряд 2/3e, и два нижних кварка (D) могут иметь заряды только минус 1/3e (где е заряд электрона). Наличие у кварков других величин зарядов запрещено стандартной моделью. Этот запрет не имеет строгого теоретического обоснования, и, наверное, поэтому получил красивое название — конфайнмент. Простое суммирование величин зарядов всех элементарных частиц участвующих в превращении нейтрона в протон даёт искомый заряд протона +1е.

Такой расчёт, по мнению сторонников КХД, позволяет надёжно обосновать существование кварков в составе нуклонов. Если попытаться понять физический смысл этого арифметического выражения, то очень быстро становится ясно, что вычитание величины заряда электрона производится не из нулевого заряда нейтрона, а из одного из его нижних кварков, имеющего заряд минус 1/3е (–1/3 – (– 1) = 2/3). Т.е. в рассматриваемом выражении в качестве стабильной электростатической системы выступает не сам нейтрон, а одна из его составных частей – нижний кварк. В таком подходе не было бы ничего плохого, если бы в ходе многочисленных экспериментов удалось обнаружить хотя бы один кварк с любым, кратным е/3 зарядом. Увы, пока экспериментальная физика таких случаев не представила. Поэтому, кварки в рамках стандартной модели остаются виртуальными частицами, необходимыми для чисто теоретического описания всего многообразия адронов. Использовать кварки в электростатических расчётах в качестве самостоятельных частиц, имеющих собственный заряд, нельзя хотя бы потому, что механизм дробного распределения разноимённых зарядов между кварками, постулированный американским физиком Гелл-Маном (автором кваркового строения нуклонов), не имеет под собой никакого теоретического обоснования. Более того, на сегодня ни одна лаборатория мира не зафиксировала ни одной частицы с величиной заряда меньше величины заряда электрона. Т.е., де-факто в реальном микромире таких частиц как кварки не обнаружено.

Раз так, может быть имеет смысл вернуться к подсказкам матушки-природы, и всё-таки попытаться объяснить строение нуклонов, опираясь на реально наблюдаемые данные, а не на выдуманные частицы? Давайте попробуем. Исходя из многочисленных и надёжно подтверждаемых экспериментов установлено, что в результате так называемых β-распадов, нуклоны стабильно испускают частицы с массой электрона и зарядами +1е и -1е. β-частицы с отрицательным зарядом это хорошо знакомые нам электроны, а β-частицы с положительным зарядом это позитроны. Позитрон это античастица электрона, имеет такую же как электрон массу и величину заряда, но противоположный знак (+e). Согласно современной классификации квантовой физики позитроны отнесены к антиматерии, наряду с другими античастицами, предсказанными общей теорией относительности. В результате β-распада экспериментально зафиксированы 4 типа распада нуклонов:

В результате этих превращений наш список пополнился новой частицей – антипротоном. Антипротон это ещё одна античастица, она антипод протона. На самом деле, практически все частицы, перечисленные в начале статьи, имеют свои античастицы. По крайней мере, так утверждает математический аппарат стандартной модели. Экспериментально антипротон был обнаружен в 1955 году. Его масса равна массе протона, но при этом, антипротон имеет отрицательный электрический заряд (-e).

Из представленных моделей β-распада нуклонов вырисовывается довольно странная картина. В каждую большую частицу (нейтрон, протон, антипротон) может входить любая маленькая — электрон или позитрон. Более того, любая большая частица может распадаться в любую другую большую частицу и любую маленькую. Напоминает какую-то сюрреалистическую матрёшку. Вот прекрасная головоломка для любителей логических парадоксов и пространственных иллюзий!

Чтобы с чего-то начать разгадку этой головоломки, давайте разделим массу нейтрона на массу электрона. Полученное значение — 1838 говорит нам, что ровно столько частиц с массой электрона можно “упаковать” в один нейтрон. Так как из объективных экспериментальных данных мы точно знаем, что в нейтроне кроме электронов могут находиться и позитроны, то будет вполне разумно разделить это число (1838) поровну между электронами и позитронами. Таким образом, получается, что каждый нейтрон может включать в себя не более 919 электронно-позитронных пар. Исходя из этого, не трудно посчитать, что каждый протон в этом случае будет содержать 918 электронов и 919 позитронов, а каждый антипротон должен состоять из 918 позитронов и 919 электронов. Такое, механическое, распределение позитронов и электронов внутри нейтронов, протонов и антипротонов позволяет отыскать чисто арифметическое решение нашей головоломки про матрёшку. А также объяснить разницу в массах между нейтронами и протонами. И заодно, снять все вопросы о взаимном превращении нуклонов. Потому что, отнимая у нейтрона один электрон, мы превращаем его в протон, состоящий из 918 электронов и 919 позитронов, отнимая один позитрон у протона, мы превращаем его в нейтрон, состоящий из 918 электронно-позитронных пар и т.д. Вроде бы, всё прекрасно встаёт на свои места. Однако, предвижу вопросы от дотошных читателей по поводу неизбежной аннигиляции электронов и позитронов в составе придуманных нами моделей нуклонов. Действительно, какая сила может удержать частицы с разноимёнными зарядами от взаимного притяжения и полного уничтожения в составе нуклона? Если мы обратимся к инструментарию классической электростатики, то рано или поздно доберёмся до такого понятия как суперпозиция разноимённых электрических зарядов. Суперпозиции бывают устойчивые и неустойчивые. В устойчивых суперпозициях электростатическая система может находиться как угодно долго, а для неустойчивых суперпозиций характерны спонтанные переходы отдельных элементов электростатической систем или системы в целом из одного неустойчивого состояния в другое, такое же неустойчивое состояние. Вооружённые этими знаниями мы вправе предположить, что электронно-позитронные пары в составе нуклонов могут формировать подобные суперпозиции, образуя достаточно сложные пространственные конфигурации. Для более наглядного представления таких пространственных конфигураций можно рассмотреть упрощённые плоские модели нейтрона и протона.

В модели нейтрона все электронно-позитронные пары взаимно уравновешены и занимают симметричные позиции относительно друг друга. Это соответствует устойчивой суперпозиции электростатической системы в целом. В модели протона для одного электрона не хватило места в симметричной структуре, вследствие этого он оказался на внешней неустойчивой позиции. Теперь, под действием любого случайного воздействия он вынужден совершать спонтанные прыжки вокруг симметричного «ядра» протона, переводя электростатическую систему протона из одного неустойчивого состояния в другое. Такова в общих чертах система "сдержек и противовесов", удерживающая электроны и позитроны в составе нуклонов.

Ну вот, мы окончательно убедились, что протоны и нейтроны не элементарные частицы. Все протоны и нейтроны состоят из более мелких частиц — электронов и позитронов. Значит ли это, что электроны и позитроны и есть те самые элементарные частицы — кирпичики мироздания, из которых построена вся остальная материя вселенной? Не факт! Для того чтобы доказать или опровергнуть это продолжим наши рассуждения.

Как уже отмечалось выше, такие элементарные частицы как электроны и позитроны при встрече в свободном состоянии должны взаимно притягиваться, так как обладают противоположными зарядами. Этот факт надёжно подтверждён многочисленными экспериментами. При этом, в ходе этих же самых экспериментов было зафиксировано, что встреча свободных электронов и позитронов всегда завершается их аннигиляцией — полным взаимным уничтожением. Энергия аннигиляции одного электрона и одного позитрона составляет примерно 0,551 КэВ. Этот факт также надёжно подтверждён многочисленными экспериментами. Не смотря на то, что стандартная модель допускает полное исчезновение материи и антиматерии после их аннигиляции и превращении их массы в чистую энергию, мы постараемся не нарушать фундаментальных законов природы. Поэтому предположим, что в полном соответствии с законом сохранения массы в результате аннигиляции электрона и позитрона энергия покоя, удерживающая более мелкие частицы, из которых могут состоять электроны и позитроны переходит в кинетическую энергию этих частиц. Что это за частицы нам пока не известно. Но, можно предположить, что они электрически нейтральны, т.к. при разрушении электронов и позитронов никаких более мелких стабильных частиц с электрическими зарядами не фиксируется. Продолжая логику этих рассуждений, опять же, можно предположить, что эти частицы обладают еще большей плотностью, чем электроны и взаимодействуют друг с другом только посредством гравитации. В качестве названия для таких частиц неплохо подходит термин гравитоны, который в современной квантовой физике зарезервирован для виртуальных (без массовых) частиц, испускающих особые гравитационные волны. Наши гравитоны должны обладать собственной массой и благодаря этому обязаны собираться в некие гравитонные облака, представляющие собой стабильные пространственные конфигурации (электроны и позитроны). Объёмная форма электронов и позитронов в этом случае будет близка к тору и это можно объяснить соблюдением всё тех же законов сохранения. Которые, в частности, запрещают бесконечное притяжение гравитонов друг к другу, так как их размеры конечны. Следовательно, уплотнившись до какого-то критического состояния, после которого дальнейшее сжатие становится невозможным, гравитонное облако должно либо разрушиться, либо начать избавляться от избыточной энергии сжатия. Хорошим механизмом для сброса такой «лишней» энергии может быть вращение гравитонного облака. При вращении любых тел вокруг общей оси, центробежные силы неизбежно соберут вращающиеся объекты в кольцо, диск или тор. В случае с электронами и позитронами наиболее вероятным пространственным расположением гравитонов является тор, как объёмная фигура вращения. Направление вращения такого тора, в первом приближении, представляется случайной величиной. Следствием этого является то, что во вселенной должно быть примерно одинаковое количество позитронов и электронов. Силой, объединяющей такие «бублики», является гравитация. Поэтому размер самих гравитонов не может быть меньше радиуса действия сил гравитации (10^-33 см), а их количество в одном электроне или позитроне должно быть строго связано с массой самого электрона или позитрона. Если предположить, что гравитон представляет собой идеальный шар и ограничить его размер радиусом 10^-32 см (т.е. близким к минимально допустимому), то можно приблизительно подсчитать количество таких шаров, умещаемых в торе с радиусом электрона (2,8*10^-15 см). Получится число порядка 2*10^17 штук. Т.е. каждый электрон и позитрон состоит, примерно, из 200 квадрильонов гравитонов, которые притягиваются друг к другу под действием силы гравитации. Масса одного гравитона в этом случае должна составлять что-то около 10^-41г.

Из предложенной модели строения электронов и позитронов объективно следует, что во вселенной существует колоссальное количество свободных гравитонов, являющихся конечным продуктом распада электронов и позитронов. Свободные гравитоны должны буквально пронизывать всё наше пространство, перемещаясь во всех направлениях. Эта своеобразная пыль вселенной должна в буквальном смысле этого слова заполнять все её уголки. Так вот она какая — тёмная материя!!!

На резонный вопрос – а из чего в таком случае состоят гравитоны? Рискну дать такой ответ — гравитоны это «капли» материи. Да-да, той самой первичной материи, загадочной субстанции, которую нельзя потрогать руками, но без которой наш материальный мир не существует. Т.е. наши гравитоны не что иное, как настоящие элементарные частицы, которые физически нельзя разделить или уничтожить. И из этого утверждения логически вытекает очень важное следствие — количество гравитонов во вселенной должно всегда оставаться неизменным. Они не могут бесследно исчезать или внезапно появляться из ниоткуда. По сути, это и есть закон сохранения массы – один из фундаментальных законов природы. В рамках предлагаемой гипотезы этот закон может быть сформулирован следующим образом – масса материи в замкнутой вселенной постоянна.

PS. Конечное число гравитонов во вселенной автоматически исключает возможность существования бесконечной вселенной. Но не запрещает бесконечное количество самих вселенных. Такой софизм стимулирует нас к дальнейшему поиску иерархических структур не только в микро-, но и в макромире.

Источник: zen.yandex.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.