Представления о микромире

Тип работы:
Реферат
Предмет:
Физика


Узнать стоимость

Детальная информация о работе

Выдержка из работы

Введение

микромир частица взаимодействие квантовый

Обобщая многие сотни экспериментов в физике элементарных частиц, на сегодняшний день удалось выделить 24 различных типа истинно элементарных или, иначе, фундаментальных частиц. Это шесть кварков, шесть лептонов, фотон, восемь глюонов и три бозона — переносчика слабого взаимодействия. Не все из элементарных частиц 1930-х годов сохранили статус истинно элементарных. Если электрон и нейтрино входят в шестерку фундаментальных лептонов, то протон с нейтроном оказались состоящими из кварков и глюонов. До настоящего времени все обнаруженные составные частицы можно было классифицировать, если предположить, что они состоят либо из трех кварков (барионы), либо из кварка и антикварка (мезоны). Такие кварки называют валентными кварками. Протон и нейтрон — типичные представители барионов.

Примерно с начала 1980-х годов стало окончательно ясно: помимо валентных кварков, которые определяют основные физические свойства составных элементарных частиц, внутри мезонов и барионов содержится примесь т.н. морских кварков и глюонов. Их можно идентифицировать в определенных экспериментах.

Помимо мезонов и барионов, кварковая теория не запрещает существование таких экзотических частиц, как димезоны (два валентных кварка и два антикварка), дибарионы (шесть валентных кварков), мезобарионы (четыре валентных кварка и один валентный антикварк), глюбол (связанное состояние глюонов) и другие аналогичные состояния. Однако подобные экзотические частицы до настоящего времени не были достоверно зарегистрированы в эксперименте. Наиболее многообещающие результаты по поиску дибарионов до настоящего времени были получены на ускорителе в г. Троицк (Россия). Похоже, также, что в легких скалярных мезонах удалось выделить глюбольную компоненту. Однако оба результата нуждаются в дальнейших уточнениях.

Все элементарные частицы, состоящие из кварков и глюонов, носят общее название адронов.

Последней экспериментально открытой фундаментальной частицей оказалось — лептонное нейтрино (2000 г.). Самой известной неоткрытой продолжает оставаться бозон Хиггса. Ниже в заключении будут представлены два кратких сообщения о последнем по времени (но, будем надеяться, не последнем вообще) экспериментальном открытии составной элементарной частицы. Это одно из возбужденных состояний Ds-мезона, которое имеет массу 2317 МэВ (или 2,317 ГэВ) и предполагаемый кварковый состав сs. Похоже, что ничего экстраординарного в данном открытии нет. Просто ученые еще на шажок приблизились к заветным пяти сотням элементарных частиц и, возможно, на четверть шажка к пониманию истинной динамики сильных взаимодействий.

Специально отметим, что различия между теоретическими и экспериментальными предсказаниями в физике сильных взаимодействий, особенно в той ее области, которая не описывается теорией возмущений (непертурбативная область), являются не исключением, а правилом. Следует прямо признать, что физики не умеют делать достоверных и высокоточных вычислений вне рамок теории возмущений за исключением некоторых особых случаев. Различие в два раза является нормой, а точность теоретических предсказаний в десять процентов — уже двадцать лет как недостижимым идеалом.

1. Основные вехи на пути в субъядерный мир

История исследования элементарных частиц и фундаментальных взаимодействий насчитывает более двух с половиной тысяч лет и восходит к идеям древнегреческих натурфилософов о строении Мира. Однако серьезная научная разработка данного вопроса началась только в конце XIX-го века. В 1897 году выдающийся английский физик-экспериментатор Дж. Дж. Томсон определил отношение заряда электрона к его массе. Тем самым, электрон окончательно обрел статус реального физического объекта и стал первой известной элементарной частицей в истории человечества.

В 1911 Э. Резерфорд, пропуская альфа-частицы от естественного радиоактивного источника через тонкие фольги различных веществ, выяснил, что положительный заряд в атомах сосредоточен в компактных образованиях — ядрах, а в 1919 обнаружил среди частиц, выбитых из атомных ядер, протоны — частицы с единичным положительным зарядом и массой, в 1840 раз превышающей массу электрона. Другая частица, входящая в состав ядра, — нейтрон — была открыта в 1932 Дж. Чедвиком при исследованиях взаимодействия a-частиц с бериллием. Нейтрон имеет массу, близкую к массе протона, но не обладает электрическим зарядом. Открытием нейтрона завершилось выявление частиц — структурных элементов атомов и их ядер.

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

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

С 30-х и до начала 50-х гг. изучение элементарных частиц было тесно связано с исследованием космических лучей. В 1932 в составе космических лучей К. Андерсеном был обнаружен позитрон (е+) — частица с массой электрона, но с положительным электрическим зарядом. Позитрон был первой открытой античастицей. Существование е+ непосредственно вытекало из релятивистской теории электрона, развитой П. Дираком (1928−31) незадолго до обнаружения позитрона. В 1936 американские физики К. Андерсон и С. Неддермейер обнаружили при исследовании осмических лучей мюоны (обоих знаков электрического заряда) — частицы с массой примерно в 200 масс электрона, а в остальном удивительно близкие по свойствам к е-, е+.

В 1947 также в космических лучах группой С. Пауэлла были открыты p+ и p-мезоны с массой в 274 электронные массы, играющие важную роль во взаимодействии протонов с нейтронами в ядрах. Существование подобных частиц было предположено Х. Юкавой в 1935.

Конец 40-х — начало 50-х гг. ознаменовались открытием большой группы частиц с необычными свойствами, получивших название «странных». Первые частицы этой группы К± и К-мезоны, L-, S+ -, S — -, X — - гипероны были открыты в космических лучах, последующие открытия странных частиц были сделаны на ускорителях — установках, создающих интенсивные потоки быстрых протонов и электронов. При столкновении с веществом ускоренные протоны и электроны рождают новые элементарных частиц, которые и становятся предметом изучения.

С начала 50-х гг. ускорители превратились в основной инструмент для исследования элементарных частиц. В 70-х гг. энергии частиц, разогнанных на ускорителях, составили десятки и сотни млрд. электрон-вольт (Гэв). Стремление к увеличению энергий частиц обусловлено тем, что высокие энергии открывают возможность изучения строения материи на тем меньших расстояниях, чем выше энергия сталкивающихся частиц. Ускорители существенно увеличили темп получения новых данных и в короткий срок расширили и обогатили наше знание свойств микромира. Применение ускорителей для изучения странных частиц позволило более детально изучить их свойства, в частности особенности их распада, и вскоре привело к важному открытию: выяснению возможности изменения характеристик некоторых микропроцессов при операции зеркального отражения-т.н. нарушению пространств четности (1956). Ввод в строй протонных ускорителей с энергиями в миллиарды эв позволил открыть тяжёлые античастицы: антипротон (1955), антинейтрон (1956), антисигма-гипероны (1960). В 1964 был открыт самый тяжёлый гиперон W — (с массой около двух масс протона). В 1960-х гг. на ускорителях было открыто большое число крайне неустойчивых (по сравнению с др. нестабильными частицами) частиц, получивших название «резонансов». Массы большинства резонансов превышают массу протона. Первый из них D1 (1232) был известен с 1953. Оказалось, что резонансы составляют основную часть элементарных частиц.

В 1962 было выяснено, что существуют два разных нейтрино: электронное и мюонное. В 1964 в распадах нейтральных К-мезонов было обнаружено несохранение т, н. комбинированной чётности (введённой Ли-Цзун дао и Ян Чжэнь-нином и независимо Л. Д. Ландау в 1956), означающее необходимость пересмотра привычных взглядов на поведение физических процессов при операции отражения времени.

В 1974 были обнаружены массивные (в 3−4 протонные массы) и в то же время относительно устойчивые y-частицы, с временем жизни, необычно большим для резонансов. Они оказались тесно связанными с новым семейством элементарных частиц — «очарованных», первые представители которого (D0, D+, Lс) были открыты в 1976. В 1975 были получены первые сведения о существовании тяжёлого аналога электрона и мюона (тяжёлого лептона t). В 1977 были открыты ?-частицы с массой порядка десятка протонных масс.

Таким образом, за годы, прошедшие после открытия электрона, было выявлено огромное число разнообразных микрочастиц материи. Мир элементарных частиц оказался достаточно сложно устроенным. Неожиданными во многих отношениях оказались свойства обнаруженных частиц. Для их описания, помимо характеристик, заимствованных из классической физики, таких, как электрический заряд, масса, момент количества движения, потребовалось ввести много новых специальных характеристик, в частности для описания странных частиц — странность (К. Нишиджима, М. Гелл-Ман, 1953), «очарованных» частиц — «очарование» (американские физики Дж. Бьёркен, Ш. Глэшоу, 1964); уже названия приведённых характеристик отражают необычность описываемых ими свойств частиц.

За сто с небольшим лет физики провели тысячи сложнейших и точнейших экспериментов, призванных отыскать другие элементарные частицы и выявить фундаментальные взаимодействия между ними. Результаты экспериментов объяснялись серией последовательно сменявших друг друга теорий. Последняя в их ряду — Стандартная модель взаимодействия элементарных частиц (СМ), включающая в себя минимальную модель электрослабого взаимодействия Глэшоу-Вайнберга-Салама и Квантовую хромодинамику (КХД). Можно сказать, что на сегодняшний день именно СМ является реальным итогом многолетней работы сотен тысяч людей от «высоколобых» теоретиков до простых инженеров и лаборантов. Схему С М можно уложить в несколько абзацев.

И на сегодняшний день, после относительного затишья, начиная с 2000-го года, физику элементарных частиц буквально взорвал ряд новых экспериментальных результатов. Самый сильный из них — открытие нейтринных осцилляций Нейтринной обсерваторией Садбери в 2001-ом году. Несколько менее научную общественность взбудоражили эксперименты по обнаружению СР-нарушения в системах нейтральных B-мезонов, эксперименты по прецизионному измерению параметров СР-нарушения в системах нейтральных каонов и окончательное экспериментальное доказательство существования механизма прямого СР-нарушения. В последние годы были выполнены эксперименты по доказательству отличия тау-лептонного нейтрино от мюонного и электронно. В CERNe «чуть было» не открыли бозон Хиггса. Появился целый ряд многообещающих экспериментальных работ по поиску дибарионов и глюболов.

2. Фундаментальные взаимодействия в природе и их характеристика

Каким образом физические объекты осуществляют фундаментальные взаимодействия между собой? На качественном уровне ответ на этот вопрос выглядит следующим образом. Фундаментальные взаимодействия переносятся квантами. При этом в квантовой области фундаментальным взаимодействиям отвечают соответствующие элементарные частицы, называемые элементарными частицами — переносчиками взаимодействий. В процессе взаимодействия физический объект испускает частицы — переносчики взаимодействия, которые поглощаются другим физическим объектом. Это ведет к тому, что объекты как бы чувствуют друг друга, их энергия, характер движения, состояние изменяются, то есть они испытывают взаимное влияние.

В современной физике высоких энергий все большее значение приобретает идея объединения фундаментальных взаимодействий. Согласно идеям объединения, в Природе существует только одно единое фундаментальное взаимодействие, проявляющее себя в конкретных ситуациях как гравитационное, или как слабое, или как электромагнитное, или как сильное, или как их некоторая комбинация. Успешной реализацией идей объединения послужило создание ставшей уже стандартной объединенной теории электромагнитных и слабых взаимодействий. Идет работа по развитию единой теории электромагнитных, слабых и сильных взаимодействий, получившей название теории великого объединения. Предпринимаются попытки найти принцип объединения всех четырех фундаментальных взаимодействий.

Гравитационное взаимодействие

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

Наиболее удивительной особенностью гравитации является ее малая интенсивность. Величина гравитационного взаимодействия между компонентами атома водорода составляет 10−39 от силы взаимодействия электрических зарядов. (Если бы размеры атома водорода определялись гравитацией, а не взаимодействием между электрическими зарядами, то низшая (самая близкая к ядру) орбита электрона по размерам превосходила бы доступную наблюдению часть Вселенной!) (Если бы размеры атома водорода определялись гравитацией, а не взаимодействием между электрическими зарядами, то низшая (самая близкая к ядру) орбита электрона по размерам превосходила бы доступную наблюдению часть Вселенной!). Может показаться удивительным, что мы вообще ощущаем гравитацию, коль скоро она так слаба. Как она может оказаться господствующей силой во Вселенной?

Все дело во второй удивительной черте гравитации — ее универсальности.

В нем участвуют все виды материи, все объекты природы, все элементарные частицы! Общепринятой классической (не квантовой) теорией гравитационного взаимодействия является эйнштейновская общая теория относительности. Гравитация определяет движение планет в звездных системах, играет важную роль в процессах, протекающих в звездах, управляет эволюцией Вселенной, в земных условиях проявляет себя как сила взаимного притяжения. Конечно, мы перечислили только небольшое число примеров из огромного списка эффектов гравитации.

Чем является гравитация, неким полем или проявлением искривления пространства-времени, — на этот вопрос пока еще однозначного ответа нет. Из многих физических предсказаний общей теории относительности отметим три. Теоретически установлено, что гравитационные возмущения могут распространяться в пространстве в виде волн, называемых гравитационными. Распространяющиеся слабые гравитационные возмущения во многом аналогичны электромагнитным волнам. Их скорость равна скорости света, они имеют два состояния поляризации, для них характерны явления интерференции и дифракции. Однако в силу чрезвычайно слабого взаимодействия гравитационных волн с веществом их прямое экспериментальное наблюдение до сих пор не было возможно. Тем не менее, данные некоторых астрономических наблюдений по потере энергии в системах двойных звезд свидетельствуют о возможном существовании гравитационных волн в природе.

Слабое взаимодействие

К выявлению существования слабого взаимодействия физика продвигалась медленно. Слабое взаимодействие ответственно за распады частиц; и поэтому с его проявлением столкнулись с открытием радиоактивности и исследованием бета-распада. Это взаимодействие является наиболее слабым из фундаментальных взаимодействий, экспериментально наблюдаемых в распадах элементарных частиц, где принципиально существенными являются квантовые эффекты. Напомним, что квантовые проявления гравитационного взаимодействия никогда не наблюдались. Слабое взаимодействие выделяется с помощью следующего правила: если в процессе взаимодействия участвует элементарная частица, называемая нейтрино (или антинейтрино), то данное взаимодействие является слабым. Типичный пример слабого взаимодействия — это бета-распад нейтрона:

где n — нейтрон, p — протон, e- - электрон, нe — электронное антинейтрино. Следует, однако, иметь в виду, что указанное выше правило совсем не означает, что любой акт слабого взаимодействия обязан сопровождаться нейтрино или антинейтрино. Известно, что имеет место большое число безнейтринных распадов.

Интенсивность слабого взаимодействия характеризуется константой связи Ферми GF. Константа GF размерна. Чтобы образовать безразмерную величину, необходимо использовать какую-нибудь эталонную массу, например массу протона mp. Тогда безразмерная константа связи будет GFmp2 ~ 10−5.

Видно, что слабое взаимодействие гораздо интенсивнее гравитационного. Слабое взаимодействие в отличие от гравитационного является короткодействующим. Это означает, что слабое взаимодействие между частицами начинает действовать, только если частицы находятся достаточно близко друг к другу. Если же расстояние между частицами превосходит некоторую величину, называемую характерным радиусом взаимодействия, слабое взаимодействие не проявляет себя. Экспериментально установлено, что характерный радиус слабого взаимодействия порядка 10−15 см, то есть слабое взаимодействие, сосредоточен на расстояниях меньше размеров атомного ядра.

Почему можно говорить о слабом взаимодействии как о независимом виде фундаментальных взаимодействий? Ответ прост. Установлено, что есть процессы превращений элементарных частиц, которые не сводятся к гравитационным, электромагнитным и сильным взаимодействиям. Хороший пример, показывающий, что существуют три качественно различных взаимодействия в ядерных явлениях, связан с радиоактивностью. Эксперименты указывают на наличие трех различных видов радиоактивности: б-, в- и г-радиоактивных распадов. При этом б-р аспад обусловлен сильным взаимодействием, г-распад — электромагнитным. Оставшийся в-распад не может быть объяснен электромагнитным и сильным взаимодействиями, и мы вынуждены принять, что есть еще одно фундаментальное взаимодействие, названное слабым. В общем случае необходимость введения слабого взаимодействия обусловлена тем, что в природе происходят процессы, в которых электромагнитные и сильные распады запрещены законами сохранения.

Хотя слабое взаимодействие существенно сосредоточено внутри ядра, оно имеет определенные макроскопические проявления. Как мы уже отмечали, оно связано с процессом в-радиоактивности. Кроме того, слабое взаимодействие играет важную роль в так называемых термоядерных реакциях, ответственных за механизм энерговыделения в звездах.

Вопрос о том, какие частицы являются переносчиками слабого взаимодействия, долгое время был неясен. Понимания удалось достичь сравнительно недавно в рамках объединенной теории электрослабых взаимодействий — теории Вайнберга-Салама-Глэшоу. В настоящее время общепринято, что переносчиками слабого взаимодействия являются так называемые — и Z0-бозоны. Это заряженные и нейтральная Z0 элементарные частицы со спином 1 и массами, равными по порядку величины 100 mp.

Электромагнитное взаимодействие

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

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

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

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

Электромагнитное взаимодействие определяет структуру атомов и отвечает за подавляющее большинство физических и химических явлений и процессов (за исключением ядерных).

Сильное взаимодействие

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

К представлению о существовании сильного взаимодействия физика шла в ходе изучения структуры атомного ядра. Какая-то сила должна удерживать протоны в ядре, не позволяя им разлетаться под действием электростатического отталкивания. Гравитация для этого слишком слаба; очевидно, необходимо какое-то новое взаимодействие, причем, более сильное, чем электромагнитное. Впоследствии оно было обнаружено. Выяснилось, что хотя по своей величине сильное взаимодействие существенно превосходит все остальные фундаментальные взаимодействия, но за пределами ядра оно не ощущается. Радиус действия новой силы оказался очень малым. Сильное взаимодействие резко падает на расстоянии от протона или нейтрона, превышающем примерно 10−13 см.

3. Современные представления об иерархии структурных элементов микромира

Исторически первыми экспериментально обнаруженными элементарными частицами были электрон, протон, а затем нейтрон. Казалось, что этих частиц и фотона (кванта электромагнитного поля) достаточно для построения известных форм вещества — атомов и молекул. Вещество при таком подходе строилось из протонов, нейтронов и электронов, а фотоны осуществляли взаимодействие между ними. Однако вскоре выяснилось, что мир устроен значительно сложнее. Было установлено, что каждой частице соответствует своя античастица, отличающаяся от нее лишь знаком заряда. Для частиц с нулевыми значениями всех зарядов античастица совпадает с частицей (пример — фотон). Далее, по мере развития экспериментальной ядерной физики к этим частицам добавилось еще свыше 300 частиц (!).

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

Когда говорят о массе частицы, имеют в виду ее массу покоя, поскольку эта масса не зависит от состояния движения. Частица, имеющая нулевую массу покоя, движется со скоростью света (фотон). Нет двух частиц с одинаковыми массами. Электрон — самая легкая частица с ненулевой массой покоя. Протон и нейтрон тяжелее электрона почти в 2000 раз. А самая тяжелая из известных элементарных частиц (Z — частицы) обладает массой в 200 000 раз больше массы электрона.

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

Важная характеристика частицы — спин. Он также всегда кратен некоторой фундаментальной единице, которая выбрана равной Ѕ. Так, протон, нейтрон и электрон имеют спин Ѕ, а спин фотона равен 1. Известны частицы со спином 0, 3 / 2, 2. Частица со спином 0 при любом угле поворота выглядит одинаково. Частицы со спином 1 принимают тот же вид после полного оборота на 360°. Частица со спином ½ приобретает прежний вид после оборота на 720° и т. д. Частица со спином 2 принимает прежнее положение через пол-оборота (180°). Частиц со спином более 2 не обнаружено, и возможно их вообще не существует. В зависимости от спина, все частицы делятся на две группы:

· бозоны — частицы со спинами 0,1 и 2;

· фермионы — частицы с полуцелыми спинами (Ѕ, 3 / 2)

Частицы характеризуются и временем их жизни. По этому признаку частицы делятся на стабильные и нестабильные. Стабильные частицы — это электрон, протон, фотон и нейтрино. Нейтрон стабилен, когда находится в ядре атома, но свободный нейтрон распадается примерно за 15 минут. Все остальные известные частицы — нестабильны; время их жизни колеблется от нескольких микросекунд до 10−23 сек.

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

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

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

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

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

Если лептонов существует чуть свыше десятка, то адронов сотни. Такое множество адронов наводит на мысль, что адроны не элементарные частицы, а построены из более мелких частиц. Все адроны встречаются в двух разновидностях — электрически заряженные и нейтральные. Среди адронов наиболее известны и широко распространены нейтрон и протон. Остальные адроны короткоживущие и быстро распадаются. Это класс т.н. барионов (тяжелые частицы гипероны) и большое семейство мезонов (мезонные резонансы). Адроны участвуют в сильном, слабом и электромагнитном взаимодействиях.

Протон и нейтрон в рамках наивной кварковой модели состоят из u и d-кварков. Из протона, нейтрона и электрона состоит почти вся материя во Вселенной. Остальные адроны, кварки и лептоны присутствуют в Природе в весьма малых количествах. Физики обычно получают данные частицы на ускорителях, регистрируют в космических лучах или в результате радиоактивных распадов.

Особняком в мире фундаментальных частиц стоит бозон Хиггса. Эта частица, по современным теоретическим представлениям, необходима для генерации масс всех кварков, лептонов и трех калибровочных бозонов W+, W- и Z0. В некоторых теориях присутствует не одна частица Хиггса, а несколько. В простейшем же случае имеется один электрически нейтральный бозон Хиггса. Бозоны Хиггса экспериментально не обнаружены. Возможно, их вообще не существует в природе. По крайней мере, после неудачных поисков бозона Хиггса на электрон-позитронном коллайдере LEP, подобная гипотеза приобретает все большее и большее число сторонников. Есть надежда, что с вводом в строй коллайдеров нового поколения, таких как протон-протонный коллайдер LHC в CERNе или электрон-позитронный линейный коллайдер TESLA в DESY, бозон Хиггса будет экспериментально открыт или станет понятно, почему он не может существовать. Только надо подождать порядка десяти лет. Есть определенная вероятность, что хиггсовскую частицу смогут открыть на действующем протон-антипротонном коллайдере Tevatron во FNAL-е в ближайшие два-три года.

Таков на сегодняшний день полный набор самых элементарных составляющих нашего мира. Может ли он пополниться? Весьма вероятно. Главным кандидатом является пока еще не открытый бозон Хиггса.

Заключение

В заключение можно сказать несколько слов о реальности элементарных частиц. Действительно, элементарные частицы невозможно ни потрогать, ни понюхать, ни увидеть, ни попробовать на вкус. Информацию об их существовании ученые получают посредством громоздких детекторов, которые выдают для обработки наборы электрических или световых сигналов. Только специальным образом анализируя полученные сигналы, физики могут изучать свойства элементарных частиц. На первый взгляд, нет абсолютно никакой гарантии, что в длинной цепочке передачи сигнала из микромира к макроскопическому наблюдателю физики-экспериментаторы правильно учитывают помехи, ошибки или искажения первичной информации. Следовательно, элементарные частицы могут оказаться лишь мороком, неправильной интерпретацией искаженных сигналов. Иное дело — макроскопические объекты. Человек может узнать характеристики макроскопических объектов без всяких посредников, только при помощи органов чувств. Поэтому в реальности макроскопического окружающего мира, как правило, не сомневается. Но так кажется только на первый весьма поверхностный взгляд.

Работа ЛЮБОГО органа чувств человека в макромире принципиально не отличима от работы макроприбора для изучения микромира. В качестве примера рассмотрим зрение. Пусть человек видит стол. Что происходит на самом деле? Солнце испускает огромное число фотонов. Они взаимодействуют с атомами стола, переизлучаются во все стороны и малая их часть попадает в глаз. Хрусталик глаза, в свою очередь, фокусирует фотоны на сетчатке, где в результате химической реакции с палочками и колбочками возникают электрические сигналы. Эти сигналы по нервным волокнам передаются в мозг, который путем сложного анализа поступившей информации воспроизводит изображение стола. Естественно, что реальность зрительного восприятия можно проверить при помощи иных органов чувств, например, попробовать укусить стол зубами или ударить по нему кулаком. В результате подобных действий в мозг уйдет независимый сигнал от зубов или рук, подтверждающий сигнал от глаз. Но, аналогично рассмотренному выше примеру, реальность элементарных частиц, универсальность их свойств подтверждается множеством детекторов принципиально различных конструкций (камеры Вильсона, счетчики Гейгера во всех модификациях, пропорциональные камеры, черенковские счетчики, ионизационные калориметры десятков различных систем). Этот набор макроприборов гораздо богаче, чем пять человеческих чувств! А результаты независимых измерений характеристик микрочастиц, выполненных этими приборами, прекрасно согласуются друг с другом. Именно поэтому физики считают, что, скажем, W-бозон, полученный на электрон-позитронном коллайдере в CERNе, не менее реален, чем стол или табурет в вашей квартире, а кварк внутри протона такой же элемент Вселенной, как и президент США, хотя ни первого, ни второго среднестатистический (российский) ученый живьем не видел.

И тут на помощь к качественно новому этапу познания физической реальности и во многом определяющим сегодня конкретное содержание этого этапа приходит зародившееся в 80-е годы на стыке космологии и физики новое научное направление космомикрофизика.

«Ее появление закономерный результат самостоятельного развития физики элементарных частиц и космологии науки о происхождении и эволюции Вселенной. Для проверки своих предсказаний теория элементарных частиц вынуждена использовать естественный ускоритель? Вселенную (например, единственным источником сведений о веществе с плотностью, существенно превышающей плотность атомного ядра, служит космология). Но и космологии для обоснования своих сценариев приходится обращаться к физике сверхвысоких энергий. В космомикрофизике физика микромира сливается с физикой макромира. Дальнейшее развитие исследований с целью построения единой теории всех фундаментальных взаимодействий и, следовательно, полной картины происхождения Вселенной, появления в ней излучения и вещества может основываться только на совокупности методов, сочетающих как физический эксперимент и численное моделирование, так и астрономические наблюдения. Последние обретают в контексте космомикрофизики черты наблюдательной физики».

Тем самым, космомикрофизика призвана синтезировать космологию и физику высоких энергий в единую научную теорию. В известном смысле это будет единая физическая теория нашего мира, нашей Вселенной, охватывающая микро- и макромир в единой теоретической концепции. Она отличается от теории Великого объединения, описывающей электрослабое и сильное взаимодействия, и от теории суперобъединения, включающей в себя еще и описание гравитационного взаимодействия. Казалось бы, теория суперобъединения и есть космомикрофизика, так как включение гравитационного взаимодействия позволяет описать полностью всю Вселенную. («Объединение всех взаимодействий в суперобъединение в принципе означало бы возможность объяснить все физические явления с единой точки зрения. В этом смысле будущую теорию называют Теорией Всего»).

Энергетические возможности современной человеческой цивилизации не позволяют экспериментально подтверждать гипотезы и теории как относительно физики мегамира, так и физики микромира. Наблюдение и косвенные эксперименты, пока единственные варианты проверки космомикрофизических теорий. Отсюда понятно, что формирующаяся картина мира будет еще длительное время многовариантной и не в полной мере обеспеченной соответствующей эмпирической базой. В этих условиях космомикрофизика могла бы выполнять важную роль в отборе физических теорий. Например, основным направлением развития теории элементарных частиц в настоящее время является создание единых теорий всех фундаментальных взаимодействий. Однако единство слабых, сильных, электромагнитных и гравитационных взаимодействий, согласно этим теориям, должно полностью проявляться лишь при энергиях, которые на 12−16 порядков превышают энергии, достижимые с помощью существующих и строящихся ускорителей элементарных частиц. Поэтому возможности прямой экспериментальной проверки теорий «Великого объединения» или «суперобъединения» традиционными методами физики элементарных частиц сводятся к изучению их предсказаний в случае низких значений энергии. Единственная лаборатория, в которой могли существовать и взаимодействовать друг с другом частицы сверхвысоких энергий, рассматриваемые этими теориями, Вселенная на самых ранних стадиях эволюции, 10−15 млрд. лет назад. Из анализа космологических данных удается получить обширную информацию о процессах, происходивших в ту далекую эпоху, и в конечном счете проверить предсказания единых теорий элементарных частиц. Практически каждая такая теория, прежде всего, проходит проверку на «космологическую полноценность». Но здесь возникает важная методологическая проблема, которую возможно сформулировать в форме вопроса: А не проверяем ли мы одно неизвестное через другое неизвестное? Дело в том, что основным источником данных в космологии являются исследования реликтового излучения, имеющего космологическую природу, а также структуры Вселенной в больших масштабах (102 Мпк). Но экстраполяция в прошлое Вселенной, производимая на основе этих данных, вынужденно использует теоретические и эмпирические результаты физики высоких энергий, т.к. ранняя Вселенная, согласно общепринятой точке зрения, представляла собой горячую плазму, состоящую из частиц и античастиц. Сверхраннее же состояние Вселенной можно описать только с помощью теории суперобъединения. «Таким образом, решение названной методологической проблемы возможно только на пути создания такой теории, которая описывает не только микромир в целом (теория великого суперобъединения) или мегамир (Вселенную) в целом (космология), но и то, и другое вместе, т. е. фактически новой единой фундаментальной науки? космомикрофизики».

Физические теории, выдержавшие испытание космологическими тестами, могут предсказать новые астрономические объекты, процессы, явления, доступные наблюдательной проверке. Обсуждение свойств коллапсирующих космических тел инициирует обсуждение фундаментальных проблем теории элементарных частиц. В свою очередь, важнейшим следствием теорий элементарных частиц является предсказание существования во Вселенной не только излучения и вещества, но и иных, гипотетических видов материи. Астрономические данные о динамике галактик и скоплений галактик и в особенности о формировании структуры Вселенной позволяют предположить, что кроме видимого (светящегося) вещества во Вселенной имеется также темное, несветящееся вещество, в котором должна быть сосредоточена основная часть массы Вселенной, так называемая скрытая масса. В больших объемах средняя плотность темного вещества преобладает над обычным веществом, по меньшей мере, на порядок. Отсюда следует, что в динамической эволюции Вселенной скрытая масса сыграла определенную роль. Так как структура Вселенной на больших масштабах изменяется достаточно медленно, наблюдаемое сейчас крупномасштабное распределение вещества должно нести информацию о свойствах частиц, составляющих темное вещество.

Имеющиеся сегодня тенденции взаимопроникновения космологии и физики микромира указывают на то, что в XXI в. фундаментальные исследования в области физики в значительной мере будут определяться развитием космомикрофизики, результаты которой влияют на преобразование неклассической физической картины мира, идеалов и норм исследования, а также и на философско-методологические основания физики в первую очередь благодаря принципиальному расширению исследуемой области реальности.

Список литературы

1. Аистов И. В. Концепции современного естествознания. — М.: Питер, 2005, 208 с.

2. Капитонов И. М. «Введение в физику ядра и частиц». — М: «УРСС», 2002 г.

3. Концепции современного естествознания. Горелов А. В. -М.: Высш. шк., 2004,368 с.

4. Концепции современного естествознания. Лобачев А. И. — М.: Юнити-Дана, 2001, 240 с.

5. Миронов А. В. Концепции современного естествознания. — М.: Академический правовой университет, 2003, 208 с.

6. Эйнштейн А. Эволюция физики. — М.: Высш. шк., 1967, т. 4.

ПоказатьСвернуть
Заполнить форму текущей работой