Реферат: Элементарные частицы. Структура элементарных частиц Физические свойства нейтрона
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:
Элементарными называют частицы, входящие в состав прежде «неделимого» атома. Первыми были обнаружены электрон, протон, нейтрон и фотон - квант электромагнитного поля. Из пер-
вых трех строили вещество, а фотон осуществлял взаимодействие между ними. Считали, что они ни на что далее не могут быть разложены и потому являются «первичными кирпичиками» мироздания. Потом оказалось, что эти элементарные частицы имеют внутреннюю структуру и могут друг в друга превращаться. После второй мировой войны благодаря мощной технике было открыто еще много частиц, претендующих на «элементарность». У каждой частицы, кроме фотона, оказалась еще и античастица. Сейчас элементарных частиц уже более трехсот. К ним относят и те частицы, которые получают на мощных циклотронах, синхротронах и других ускорителях. Есть элементарные частицы, возникающие при прохождении через атмосферу космических лучей, они существуют несколько миллионных долей секунды, потом распадаются, видоизменяются, превращаясь в другие элементарные частицы, или испускают энергию в форме излучения.
Современная наука выявила единство на самом глубоком уровне: наблюдаемое вещество состоит из фотонов, лептонов (электроны, мюоны, нейтрино) и кварков. Помимо переносимых фотонами электромагнитных взаимодействий существуют сильные ядерные взаимодействия, связывающие кварки в барионы (протоны, нейтроны и пр.) и мезоны. Слабые ядерные взаимодействия ответственны за распад нейтронов, например. Все они описываются единой нелинейной теорией, обобщающей уравнения Максвелла. Такое обобщение было сделано в 1954 г. Ч.Янгом и Р. Миллсом, и другие обобщения называются также теорией Янга - Миллса. Ранее подобные теории выдвигали Г. Ми и М. Борн, А. Эйнштейн и Я. И.Френкель. Хотя проблема элементарных частиц связана с самими основами науки, их изучение ведется в некотором отрыве от других областей физики.
Основными характеристиками элементарных частиц являются масса, электрический заряд, спин, среднее время жизни, магнитный момент, пространственная четность, барионный заряд и квантовые числа.
Масса элементарных частиц - это масса покоя, поскольку она не зависит от состояния движения. Ее определяют по отношению к массе покоя электрона m е, самой маленькой из масс покоя. Нейтрон и протон тяжелее электрона почти в 2000 раз. Но есть и очень тяжелые частицы, например Z-частицы, получаемые на ускорителях, с массой покоя 2 000 000 т е. Фотоны вообще не имеют массы покоя. По массе частицы делят на лептоны (электрон и нейтрино); мезоны (с массой от 1 до 1000 т е); барионы (с массой более 1000 т е). В состав барионов входят протоны, нейтроны, гипероны и др.
Электрический заряд меняется от нуля до «+» или «-». Каждой частице, кроме фотона, нейтрино и двух мезонов, соответствует частица с противоположным зарядом, или античастица. В 1963 г.
была высказана гипотеза о существовании частиц с дробным зарядом - кварков.
Спин - одна из важнейших характеристик элементарных частиц. Она определяется собственным моментом импульса частицы. Спин фотона равен 1; это означает, что частица примет тот же вид после полного оборота на 360°. Частица со спином - 1/2 примет прежний вид при обороте, в 2 раза большем, т. е. в 720°. Спин протона, нейтрона и электрона - 1/2. Существуют частицы со спином 3/2, 5/2 и т.д. Частица со спином, равным нулю, одинаково выглядит при любом угле поворота. В зависимости от значения спина все частицы делят на две группы:
фермионы (название дано в честь Энрико Ферми) - с полуцелыми (1/2, 3/3, ...) спинами. Фермионы составляют вещество и, в свою очередь, делятся на два класса - лептоны (от греч. leptos - легкий) и кварки. Кварки входят в состав протонов, нейтронов и других подобных им частиц, называемых в совокупности адрона-ми (от греч. adros - сильный). Заряженные лептоны могут так же, как и электроны, вращаться вокруг ядер, образуя атомы. Лептоны, не имеющие заряда, могут, как и нейтрино, проходить сквозь всю Землю, ни с чем не взаимодействуя. У каждой частицы есть и античастица, отличающаяся только зарядом;
бозоны (названные в честь индийского ученого Шатьендраната Бозе, одного из создателей квантовой статистики) - это частицы с целыми спинами (0, 1, 2), бозоны переносят взаимодействие.
Между частицами существуют четыре типа взаимодействий, каждое из которых переносится своим типом бозонов: фотон, квант света - электромагнитные взаимодействия, гравитон - силы тяготения, действующие между любыми телами, имеющими массу. Восемь глюонов переносят сильные ядерные взаимодействия, связывающие кварки. Промежуточные векторные бозоны переносят слабые взаимодействия, ответственные за некоторые распады частиц. Считается, что к этим четырем взаимодействиям сводятся все силы в природе. Одним из самых ярких достижений нашего века стало доказательство того, что при очень высоких температурах (или энергиях) все четыре взаимодействия сливаются в одно.
При энергии 100 ГэВ (10 9 эВ) объединяются электромагнитное и слабое взаимодействия. Такая энергия соответствует температуре Вселенной через 10 -10 с после Большого Взрыва, и в 4 триллиона раз выше комнатной. Это открытие позволило предположить, что при энергии порядка 10 15 ГэВ можно достичь объединения с ними сильных взаимодействий, как это утверждается в Теориях Великого Объединения (ТВО), а при энергии 10 19 ГэВ к взаимодействиям ТВО присоединится и гравитационное взаимодействие, «образуя» ТВС (Теорию Всего Сущего).
Ускорителей, на которых можно получить такие энергии и проверить эти теории, пока нет и не предвидится, поэтому обра-
щаются к Вселенной, чтобы найти в ней возможные ограничения для огромного числа элементарных частиц. В последние тридцать лет между физикой элементарных частиц и космологией существует тесная связь. Совокупность астрофизических данных можно рассматривать как «экспериментальный материал», накопленный в результате работы Вселенной - гигантского ускорителя частиц. Мы можем иметь дело только с косвенными следствиями происходивших и происходящих процессов, с усредненным по всей Вселенной результатом их влияния на эволюцию материи.
Среди лептонов наиболее известен электрон, вероятно, он не состоит из других частиц, т. е. элементарен. Другой лептон - нейтрино. Это самый распространенный лептон во Вселенной и в то же время самый неуловимый. Нейтрино не участвует ни в сильном, ни в электромагнитном взаимодействиях. После предсказания нейтрино было обнаружено только через 30 лет на ускорителях. Нейтрино бывает трех видов - электронное, мюонное и тау-нейтрино. Мюон - тоже широко распространенный в природе лептон. Он был обнаружен в космических лучах в 1936 г.; это нестабильная частица, а в остальном он похож на электрон. За две миллионные доли секунды он распадается на электрон и два нейтрино. Фоновое космическое излучение в большей части состоит из мюонов. В конце 70-х гг. был обнаружен третий заряженный лептон (кроме электрона и мюона) - тау-лептон. Он ведет себя очень похоже на своих собратьев, но тяжелее электрона в 3500 раз. У каждого лептона есть и античастица, т.е. всего их 12.
Адронов существует очень много, их сотни. Поэтому часто их считают не элементарными частицами, а составленными из других. Они бывают электрически заряженными и нейтральными. Все адроны участвуют в сильном, слабом и гравитационном взаимодействиях. Среди них самые известные - протон и нейтрон. Остальные живут очень мало, распадаясь за 10 -6 с за счет слабого взаимодействия или за 10 -23 с - за счет сильного. Адроны рассортировали по массе, заряду и спину. В этом помогла гипотеза кварков, или частиц, составляющих адроны.
Кварки могут соединяться для этого тройками, составляя барионы, либо парами: кварк-антикварк, составляя мезоны (промежуточные частицы). Кварки имеют заряд 1/3 или 2/3 заряда электрона. Тогда в комбинации они дадут 0 или 1. Все кварки имеют спин, равный 1/2, т.е. они относятся к фермионам. Считают, что они сцепляются сильным взаимодействием, но участвуют и в слабом. Особенности сильного взаимодействия характеризуют типами («ароматами») - «верхний», «нижний», «странный». Но слабое взаимодействие может поменять «аромат» кварка. Например, при распаде нейтрона один из «нижних» кварков становится «верхним», а избыток заряда уносит рождающийся электрон. Так что сильное взаимодействие не может менять «аромат», а без изменения «аромата» кварка невозможен распад адрона.
Новый адрон, названный -частицей, был обнаружен на ускорителях (1974). Поэтому в соответствии с теорией кварков ввели еще одну характеристику, четвертый «аромат», так появился «очарованный» кварк. Так что -частица - это предположительно мезон, состоящий из с-кварка и с-антикварка. Сейчас обнаружено уже много «очарованных» частиц, и все
они тяжелые. А в 1977 г. появился -мезон, и вся история повторилась, пятый аромат получил название «прелестный». Так развивается ныне атомистика. Сейчас считают, что существуют 12 кварков - фундаментальных частиц и столько же античастиц. Шесть частиц - это кварки с экзотическими именами «верхний», «нижний», «очарованный», «странный», «истинный», «прелестный». Они являются порождением теории, стремящейся к упорядоченности и красоте, и открыты все, за исключением «истинного». Остальные шесть - лептоны: электрон, мюон, -частица и соответствующие им нейтрино (электронное, мюонное, нейтрино).
Эти 12 частиц, или две по шесть, группируют в три поколения, каждое из которых состоит из четырех членов. В первом поколении - «верхний» и «нижний» кварки, электрон и электронное нейтрино, во втором - «очарованный» и «странный» кварки, мюон и мюонное нейтрино, в третьем - «истинный» и «прелестный» кварки и -частица со своим нейтрино. Все обычное вещество состоит из частиц первого поколения. Протон, например, состоит из двух «верхних» кварков и одного «нижнего», нейтрон - из двух «нижних» и одного «верхнего». Каждый атом состоит из тяжелого ядра (сильно связанных протонов и нейтронов), окруженного электронным облаком.
Но почему существуют другие поколения частиц и сколько их еще может быть? По мнению японских физиков М. Кобаяси и Т. Маскава, асимметрия между веществом и антивеществом требует наличия трех поколений. Если же число поколений не ограничено, являются ли кварки и лептоны основными «кирпичиками природы» и насколько они фундаментальны? Последние данные, полученные на разных ускорителях, позволяют считать, что число поколений не может быть более пяти, так как полное число нейтрино не превышает этого числа. Ответы на эти вопросы ищут в современной космологии, в моделях первичного нуклеосинтеза, породившего те или иные частицы, часть которых может быть установлена по распространенности того или другого элемента во Вселенной. Эти исследования дают человеку возможность прикоснуться к тайне мироздания, найти те «кирпичики», из которых построено все в мире, а за ними стоят и новые технологии.
Вопросы для самопроверки и повторения
1. Какие частицы составляют ядро атома, каковы его размеры? Как это было установлено?
2. Поясните понятие элементарной частицы, как классифицируются элементарные частицы и как они исследуются. Что такое «античастицы»? В чем состоит гипотеза кварков? Какие проблемы стоят в теории элементарных частиц?
3. В чем заключается единство дискретности и непрерывности? Охарактеризуйте проблему поиска «первичных объектов» и концепцию атомизма. Что такое «квазичастицы»?
4. Какова специфика микромира по сравнению с изучением мега- и макромира. Поясните принципы соответствия и дополнительности.
5. Поясните принцип неопределенности, понятия детерминизма и индетерминизма. Как изменились представления о случайном и закономерном? Поясните роль прибора в квантовой механике.
6. Как развились представления о причинности в квантовой механике? Почему ограничение воздействия на микроуровне имеет смысл фундаментального закона природы?
7. Какими параметрами описывается состояние микрочастицы? Как при этом осуществляется синтез волновых и корпускулярных свойств? Каково отличие в описании состояния в классической и квантовой механике?
8. Какое уравнение описывает движение в микромире и соответствует второму закону Ньютона? Какой смысл имеют входящие в него величины?
9. Какие модели описывают строение и свойства атомных ядер? Почему тяжелые элементы не распадаются самопроизвольно на легкие? Какие реакции деления возможны и какие для этого необходимы условия?
10. Поясните, чем определяется устойчивость атомных ядер. Что такое
«дефект массы» и как происходят реакции в недрах звезд?
КОНЦЕПЦИИ СТРОЕНИЯ ВЕЩЕСТВА (ОТ МИКРОМИРА К МАКРОМИРУ)
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.
Сейчас известно примерно 400 элементарных частиц. Некоторые из них «живут» очень короткое время, быстро превращаясь в другие частицы, успевая за время своего существования пролетать расстояния, равные радиусу атомного ядра (10 -12 - 10 -13 см). Минимальное время, доступное экспериментальному измерению, характеризуется величиной примерно 10 -26 с. Некоторые элементарные частицы оказались неожиданно тяжелыми - даже тяжелее отдельных атомов.
Современные физики уделяют много внимания систематизации элементарных частиц, раскрытию внутреннего единства как между ними, так и между соответствующими им фундаментальными видами взаимодействия - сильным, слабым, электромагнитным и гравитационным.
Интенсивность слабого взаимодействия на 10-11 порядков (в 10 10 -10 11 раз) меньше интенсивности ядерных сил. Поэтому его и назвали слабым, радиус его действия менее 10 -15 см. Электромагнитное же взаимодействие на расстояниях, соизмеримых с радиусом действия ядерных сил, слабее их лишь в 10 2 -10 3 раз. Самым же слабым на этих расстояниях оказывается гравитационное взаимодействие, интенсивность которого на много порядков ниже слабого взаимодействия.
Даже слабое взаимодействие на много порядков превышает гравитационное взаимодействие. А сила кулоновского, электрического отталкивания двух электронов в 10 42 раз больше величины их гравитационного притяжения. Если представить, что электромагнитные силы, «притягивающие» электроны к атомному ядру, ослабеют до уровня гравитационных, то атом водорода стал бы больше видимой нами части Вселенной. Гравитационные силы при уменьшении расстояний возрастают очень медленно. Преобладающими они становятся лишь в фантастически малых интервалах меньше 10 -32 см, которые остаются пока еще недоступными для экспериментального исследования. С помощью эксперимента сейчас удается «просматривать» расстояния, близкие к 10 -16 см.
Указанные четыре вида фундаментальных (лежащих в самом фундаменте материи) взаимодействий осуществляются путем обмена соответствующими частицами, служащими своеобразными переносчиками этих взаимодействий. От массы частиц зависит радиус действия сил. Электромагнитное взаимодействие переносят фотоны (масса покоя равна нулю), гравитационное - гравитоны (пока гипотетические, экспериментально не установленные частицы, масса которых тоже должна быть нулевой). Эти два взаимодействия, переносимые безмассовыми частицами, имеют большой, возможно бесконечный радиус действия. Причем только гравитационное взаимодействие порождает притяжение между одинаковыми частицами, остальные три вида взаимодействий обусловливают отталкивание одноименных частиц. Переносчиками сильного взаимодействия, связывающего протоны и нейтроны в атомных ядрах, являются глюоны. Это взаимодействие свойственно тяжелым частицам, получившим название адронов. Слабое взаимодействие переносят векторные бозоны. Это взаимодействие свойственно легким частицам - лептонам (электронам, позитронам и т.п.).
Многообразие микромира предполагает его единство через взаимопревращаемость частиц и полей. Особенно важно превращение «пары» - частицы и античастицы - в частицы другого «сорта». Первым было открыто превращение электрона и позитрона в кванты электромагнитного поля - фотоны и обратный процесс «порождения» пар из фотонов, обладающих достаточно большой энергией.
В настоящее время разработка проблемы систематизации элементарных частиц связана с идеей существования кварков - частиц с дробным электрическим зарядом. Сейчас их считают «самыми элементарными» в том смысле, что из них могут быть «построены» все сильно взаимодействующие частицы - адроны. С позиции теории кварков уровень элементарных частиц - это область объектов, состоящих из кварков и антикварков. При этом хотя последние и считаются на данном уровне познания простейшими, самыми элементарными из известных частиц, сами они обладают сложными свойствами - зарядом, «очарованием» («шармом»), «цветом» и другими необычными квантово-физическими свойствами. Как в химии не обойтись без понятий «атом» и «молекула», так и физика элементарных частиц не может обойтись без понятия «кварк».
Таким образом, список адронов - тяжелых частиц, характеризующихся сильным взаимодействием - состоит из трех частицам: кварка, антикварка и связывающего их глюона. Наряду с ними существуют около десяти легких частиц - лептонов (электроны, позитроны, нейтрино и т.п.), - которым соответствует слабое взаимодействие. Известен также фотон - носитель электромагнитного взаимодействия. И по-прежнему гипотетическим, лишь теоретически предсказываемым, остается гравитон, с которым связывается гравитационное взаимодействие. О внутренней структуре лептонов, фотона и гравитона пока ничего не известно. Сейчас уже существует более или менее конкретная идея синтеза, взаимосвязи слабого, сильного и электромагнитного видов взаимодействия. Обнаруживается возможность объяснения их взаимосвязи и с гравитационным взаимодействием. Все это свидетельствует о постепенной реализации в действительность принципиально ничем не ограниченной возможности теоретического мышления в познании единства мира, остающегося в рамках единства бесконечно многообразным в своих проявлениях.
Литература к главе 10
Барашенков В. С. Существуют ли границы науки: количественная и качественная неисчерпаемость материального мира. - М., 1982.
Гейзенберг В. Физика и философия: Часть и целое. - М., 1989.
Зельдович Я.Б., Хлопов М.Ю. Драма идей в познании природы: Частицы, поля, заряды. - М., 1988.
Марков М.А. О природе материи. - М., 1976.
Пахомов Б.Я. Становление современной физической картины мира. -М., 1985.
Сачков Ю.В. Введение в вероятностный мир. - М., 1971.
ГЛАВА 11
Проникновение в глубины микромира связано с переходом от уровня атомов к уровню элементарных частиц. В качестве первой элементарной частицы в конце ХIХ в. был открыт электрон, а затем в первое десятилетие ХХ в - фотон, протон, позитрон и нейтрон. После второй мировой войны, благодаря использованию современной экспериментальной техники, и прежде всего мощным ускорителям, в которых создаются условия высоких энергий и громадных скоростей, было установлено существование большого числа элементарных частиц - свыше 300. Среди них имеются как экспериментально обнаруженные, так и теоретически вычисленные, включая резонансы, кварки и виртуальные частицы.
Термин «элементарная частица» первоначально означал простейшие, далее ни на что не разложимые частицы, лежащие в основе любых материальных образований. Позднее физики осознали всю условность термина «элементарный» применительно к микрообъектам. Сейчас уже не подлежит сомнению, что частицы имеют сложную структуру, но исторически сложившееся название продолжает существовать
Основными характеристиками элементарных частиц являются: масса, заряд, среднее время жизни, спин и квантовые числа . Массу покоя элементарных частиц определяют по отношению к массе покоя электрона. Существуют элементарные частицы, не имеющие массы покоя, - фотоны. Остальные частицы по этому признаку делятся на лептоны – легкие частицы (электрон, мюон, нейтрино); мезоны – средние частицы с массой в пределах от одной до тысячи масс электрона (p-мезоны, К – мезоны); барионы – тяжелые частицы, чья масса превышает тысячу масс электрона (протоны, нейтроны, гипероны и многие резонансы).
Электрический заряд является другой важнейшей характеристикой элементарных частиц. Все известные частицы обладают положительным, отрицательным, либо нулевым зарядом. Каждой частице, кроме фотона и двух мезонов, соответствуют античастицы с противоположным зарядом. В 1964 году ученые выдвинули идею кварков, т.е. частиц, имеющих дробные заряды, из которых состоят все элементарные частицы. Эта гипотеза получила широкое распространение в научном мире, хотя окончательного экспериментального подтверждения пока не нашла.
По времени жизни частицы делятся на стабильные и нестабильные. Стабильных частиц пять: фотон, две разновидности нейтрино, электрон, и протон. Именно стабильные частицы играют важнейшую роль в структуре макротел. Все остальные частицы нестабильны, они существуют около10 -10 – 10 -24 с, после чего распадаются. Элементарные частицы со средним временем жизни 10 -23 – 10 -24 с называются резонансами . Вследствие краткого времени жизни они распадаются ещё до того, как успеют покинуть атом или атомное ядро. Резонансные состояния вычислены теоретически, зафиксировать их в реальных экспериментах не удается.
Помимо заряда, массы и времени жизни, элементарные частицы описываются также понятиями, не имеющими аналогов в классической физике: понятием «спина», или собственного момента количества движения микрочастицы, и понятием «квантовых чисел», выражающих состояние элементарных частиц.
В характеристике элементарных частиц существует ещё одно важное представление – взаимодействие. Различают четыре вида фундаментальных взаимодействий в природе: сильное, электромагнитное, слабое и гравитационное. Свойства элементарных частиц определяются в основном первыми тремя видами взаимодействия.
Сильное взаимодействие происходит на уровне атомных ядер и представляет собой взаимное притяжение и отталкивание их составных частей. Оно действует на расстоянии порядка 10 -13 см. При определенных условиях сильное взаимодействие очень прочно связывают частицы, в результате чего образуются материальные системы с высокой энергией связи – атомные ядра. Именно по этой причине ядра атомов являются устойчивыми, их трудно разрушить.
Электромагнитное взаимодействие примерно в тысячу раз слабее сильного, но значительно более дальнодействующее. Носителем электромагнитного взаимодействия является не имеющий заряда фотон – квант электромагнитного поля. В процессе электромагнитного взаимодействия электроны и атомные ядра соединяются в атомы, атомы – в молекулы. Это взаимодействие является основным в химии и биологии.
Слабое взаимодействие возможно между различными частицами на расстоянии 10 -15 – 10 -22 см и связано главным образом с распадом частиц. Согласно современному уровню знаний, большинство частиц нестабильны именно благодаря слабому взаимодействию.
Гравитационное взаимодействие – самое слабое, не учитываемое в теории элементарных частиц. Однако на ультра-малых расстояниях (порядка 10 -33 см) и при ультра больших энергиях гравитация вновь приобретает существенное значение. В космических масштабах гравитационное взаимодействие (тяготение) имеет решающее значение. Радиус его действия не ограничен.
В природе, как правило, проявляется не один, а одновременно несколько типов взаимодействия, и свойства многих частиц определяются всеми четырьмя типами. Фундаментальные взаимодействия приводят к превращению частиц: их уничтожению и созданию. От силы взаимодействия зависит время, в течение которого совершается превращение элементарных частиц. Поэтому по времени различных превращений можно судить о силе связанных с ними взаимодействий. Взаимодействия элементарных частиц осуществляются посредствам соответствующих физических полей, квантами которых они являются.
В современной квантовой теории поля под полем понимается система с переменным числом частиц (квантов поле). Самое низкое энергетическое состояние поля, в котором вообще нет квантов поля, называется вакуумом. В состоянии вакуума при отсутствии возбуждения электромагнитное поле не содержит частиц (фотонов). В этом состоянии оно не обладает механическими свойствами, присущими корпускулярному веществу. Вакуум не содержит обычных видов материи, однако он не пуст в прямом смысле слова, поскольку при соответствующем возбуждении в нем появляются фотоны – кванты электромагнитного поля, посредством которых осуществляется электромагнитное взаимодействие. В вакууме присутствуют и другие физические поля, в частности гравитационное, кванты которого, гравитоны, предсказаны теоретически, но экспериментально пока не зафиксированы.
Основная проблема квантовой теории поля – проблема взаимодействия частиц разного типа. Пока она решена лишь в кантовой электродинамике, описывающей взаимодействие электронов, позитронов и фотонов. Квантовая теория поля для сильных и слабых взаимодействий до сих пор не разработана. Они описываются посредством нестрогих методов, хотя ясно, что без соответствующей теории невозможно понять структуру элементарных частиц, которая определяется именно их взаимодействием. Поэтому окончательно не решен и вопрос о структуре элементарных частиц. Согласно современным представлениям, структура элементарных частиц описывается посредством непрерывно возникающих и снова распадающихся «виртуальных» частиц. Формальное привлечение виртуальных частиц означает, что внутреннюю структуру элементарных частиц невозможно описать через другие частицы.
Важнейшее направление развития современной физики – это так называемое «Великое объединение» - попытка свести все четыре вида физического взаимодействия (сильного, слабого, гравитационного и электромагнитного) к одному фундаментальному взаимодействию, которое позволило бы объяснить физическую форму движения материи в целом и создать наиболее фундаментальную физическую теорию. Многие ученые считают, что такую теорию можно создать только при учете космологических обстоятельств, исследовании таких ситуаций, где микромир оказывается связанным с мегамиром, ультрамалое с ультрабольшим, физика с астрономией и космологией.
