Основные проблемы возникающие при изучении элементарных частиц. П.С.Исаев

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)

Все ныне известные элементарные частицы можно разделить на группы по их общим свойствам и отношению к взаимодействию. Таких взаимодействий в природе известно четыре: сильное, электромагнитное, слабое и гравитационное.

Сильное взаимодействие имеет наибольшую по сравнению с другими взаимодействиями интенсивность. Оно определяет связь протонов и нейтронов в ядрах атомов (путем обмена виртуальными л-мезонами), что и обеспечивает исключительную прочность этих образований.

Электромагнитное взаимодействие характеризует менее интенсивные процессы. Оно обусловливает связь атомных электронов с ядрами, связь атомов в молекулах, а также взаимодействия вещества с электромагнитными полями.

Слабое взаимодействие характеризует процессы, связанные с самими частицами, в частности с (β-распадом, а также с распадами μ, π, К-мезонов и гиперонов. Оказалось, что слабое взаимодействие носит универсальный характер, в нем участвуют все частицы. Время жизни большинства таких частиц лежит в диапазоне 10 -8 - 10 -10 с, тогда как типичное время сильных взаимодействий составляет 10 -23 -10 -24 с. Иллюстрацией подобного взаимодействия может служить тот факт, что нейтрино, способные только к слабому взаимодействию, могут беспрепятственно проходить в веществе расстояние ~10 14 км.

Гравитационное взаимодействие, столь хорошо известное по своим макроскопическим проявлениям, в случае элементарных частиц дает чрезвычайно незначительные эффекты из-за малой величины их масс. Однако эти эффекты значительно возрастают и в микромире на расстояниях порядка 10 -33 см, поскольку увеличивается масса порождаемых частиц. Эти взаимодействия играют доминирующую роль в мегамире.

Сопоставление указанных четырех взаимодействий по безразмерным параметрам, связанным с квадратами соответствующих констант взаимодействий, дает для сильного, электромагнитного, слабого и гравитационного следующие отношения: 1:10 -3:10 -10:10 -38 . Вообще говоря, интенсивность различных процессов по-разному зависит от энергии, поэтому с ростом энергии взаимодействующих частиц меняется относительная роль различных взаимодействий.

В зависимости от участия в тех или иных видах взаимодействий все частицы, как мы уже указывали, можно разделить на четыре группы.

I группа : е, μ, τ, ν е, ν μ , ν τ - лептоны участвуют в слабых и электромагнитных взаимодействиях; II группу составляют сильно взаимодействующие частицы (их сейчас насчитывается более 300), называемые адронами (они также участвуют в слабых и электромагнитных взаимодействиях).

Изучение адронов привело к выводу о наличии общего в их структуре. В 1964 г. М. Гелл-Манн и Дж. Цвейг высказали гипотезу о том, что в структуру всех адронов входят экзотические по своим характеристикам объекты, получившие название кварки . Предполагалось, что существует три вида кварков u, d, s, заряды которых дробные е u =+ 2 / з, e d = e s =- 1 / з заряда электрона, а массы m u = m d ~300 МэВ, m s ~450 МэВ. В дальнейшем, так требовала логика развития теории, для описания слабых взаимодействий адронов (слабых распадов) пришлось ввести кварки еще одного типа, так называемые с-кварки с зарядом е с = е u = + 2 / з заряда электрона. Этот кварк характеризуется новым квантовым числом, названным charm -"очарование".

В ноябре 1974 г. была открыта новая частица J/ψ с необычными свойствами (масса 3,1 ГэВ примерно в три раза больше массы протона), время жизни ~10 -20 с (т. е. в 1000 раз дольше, чем любые известные ранее частицы с такой большой массой). Она распадается на пары е + + е - или μ + + μ - . Вскоре была также открыта частица, получившая название ψ"(масса 3,7 ГэВ).

Эксперименты показали, что частицы J/ψ, ψ" принадлежат целому семейству мезонов, которое хорошо соответствует спектру чармония с эффективной массой, соответствующей предсказанной теорией массой с-кварка (m с ≈1,6 ГэВ). Для окончательного подтверждения существования с-кварка необходимо было открыть адроны с явным "очарованием". В настоящее время обнаружены явления, указывающие на рождение очарованных частиц.

Физики считают, что существование с-кварка экспериментально подтверждено. Но так как существование с-кварков основывалось на предположении о существовании легких кварков - u, d, s, то открытие очарованных чармированных адронов имеет фундаментальное значение для подтверждения истинности всей кварковой гипотезы.

Физики-теоретики пришли к выводу о том, что кварки каждого типа должны находиться в одном из трех состояний, которые сейчас принято характеризовать тремя цветами (например, желтым, синим, красным); они предполагают, что сильное взаимодействие кварков - это взаимодействие их цвета с новым полем, т. н. глюонным (от англ. glue - клей, т. к. это поле как бы "склеивает" кварки в адроне). Кванты глюонного поля - глюоны - не участвуют в электромагнитных и слабых взаимодействиях. Они не только изменяют цветовое состояние кварка, но и сами несут цвет и взаимодействуют с глюонным полем. Все это породило по аналогии с квантовой электродинамикой новую отрасль физики - так называемую квантовую хромодинамику.

Важно подчеркнуть, что кварки и глюоны не наблюдаются в свободном состоянии, они не "вылетают" из адронов.

Имеются специальные исследования, где доказывается принципиальная невозможность существования кварков в свободном состоянии.

Физики уже давно пытаются создать и непротиворечивую теорию слабых взаимодействий. В 1967 г. С. Вайнберг и А. Салам предложили вариант такой теории - построили модель на основе использования общих принципов симметрии. Этой теорией было предсказано существование ранее неизвестных частиц - квантов особых векторных полей, ответственных за перенос как слабых, так и электромагнитных взаимодействий.

Две из этих частиц W ± должны иметь заряды и могут быть реально наблюдаемыми, так как, по их мнению, именно обмен заряженными W ± -мезонами и порождает слабое взаимодействие так называемых заряженных токов. Что же касается двух нейтральных частиц W°, B°-квантов нейтронных полей, то физически наблюдаемыми могут оказаться кванты любой их линейной комбинации:

где Θ W ,- так называемый угол Вайнберга.

Было показано, что одна из их комбинаций - так называемое поле A - отождествляется с электромагнитным полем, а обмен нейтральными Z°-мезонами порождает новый тип слабых взаимодействий - так называемые нейтральные токи , которые и были открыты в 1973 г. Они стали первым подтверждением относительной истинности модели Вайнберга-Салама. В настоящее время W ± и Z°-частицы открыты.

Необходимо обратить внимание и на открытие новых лептонов. Это исключительно редкое событие. Достаточно напомнить, что электрон (е) был открыт в 1897 г., а мюон (μ) в 1936-1938 гг. В 1975-1976 гг. появились данные в пользу существования τ ± , так называемого тяжелого лептона с массой 1,8 ГэВ (2 Мр). Изучение τ-лептона дает еще один аргумент в пользу трех состояний кварков. Было высказано предположение и о существовании нового лептона (v τ - нового нейтрино), τ-лептон имеет новое лептонное квантовое число, которое было названо секволептоном (от англ. sequential - последовательный).

Дальнейшие исследования привели к выводу, что для восстановления симметрии следовало бы увеличить число кварков. Четырех стало уже недостаточно для описания объектов микромира, необходимо было ввести еще два кварка. Дело в том, что в мае - июне 1977 г. группой Л. Ледермана были получены важные результаты, а именно - обнаружено новое семейство тяжелых частиц с массами ~10 ГэВ.

Открытие этих частиц (они были названы γ-мезонами) вызвало к жизни необходимость существования еще более тяжелого кварка "b" с эффективной массой m b ~5 ГэВ с новым квантовым числом, получившим название "прелесть" (от англ. beauty).

Новые γ-мезоны - это частицы со скрытой прелестью. Таким образом, изучение адронов и лептонов обогатило науку знанием о новых объектах, об их количественных и качественных характеристиках, об их взаимодействиях. Все это свидетельствует о наступлении новой эпохи в изучении неисчерпаемых свойств микрообъектов, составляющих в совокупности с различными полями фрагмент целостного материального мира.

Сейчас появилась надежда на создание и единой теории взаимодействия. В свое время А. Эйнштейн пытался создать такую теорию поля. В. Гейзенберг также приложил немало усилий для построения единой (так называемой спинорной) теории "праматерии". Ныне мы стали свидетелями становления еще одного из вариантов единой теории взаимодействия, получившего название Великого объединения.

Уже удалось создать единое электрослабое взаимодействие, получены обнадеживающие результаты в объединении сильного и электрослабого взаимодействий; причем сильное и слабое взаимодействия сами по себе являются его проявлением. Вне объединения остается еще гравитационное взаимодействие, но есть уже подходы к включению в единую теорию взаимодействия и его (суперсимметрия).

Современное развитие физики элементарных частиц позволило показать, что известные частицы (лептоны, адроны, кварки, глюоны, фотоны) существенным образом определяют специфику процессов микромира. Судя по всему, этот перечень далек от своего завершения, как и сама теория элементарных частиц.

Как отмечалось, физика элементарных частиц располагает огромным эмпирическим материалом и теория уже дает рациональное объяснение значительной его части. Однако она еще существенно отстает от эксперимента и не является внутренне замкнутой системой определенных принципов и понятий, хотя ее понятийный аппарат значительно более емкий и отличается от аппарата ранее существовавших теорий.

Рассмотрим теперь в ретроспективе некоторые попытки построения единой теории, охватывающей все частицы и поля. Здесь имеются две основные тенденции, в конечном счете связанные друг с другом. Первая из них ведет начало от идеи Луи де Бройля, состоящей в том, чтобы положить в основу простейшую волновую функцию спинорного типа, описывающую частицу с минимальным неисчезающим угловым моментом, т. е. спином S= 1 / 2 (в долях h / 2π). Тогда, комбинируя эти волновые функции (в конце концов перемножая), мы при некоторых дополнительных условиях получим путем подобного "слияния" все другие возможные волновые функции частиц со спинами 0,1; 3 / 2 ; 2... Комбинируя два угловых момента + 1 / 2 и - 1 / 2 , получим 0, комбинируя два угловых момента + 1 / 2 и + 1 / 2 , получим 1 (так как спины + 1 / 2 могут ориентироваться лишь параллельно либо антипараллельно). Методом слияния удается, комбинируя два уравнения Дирака, описывающие спиновые частицы ("фермионы"), получить уравнения Клейна-Гордона и Прока, а в частном случае - исчезающей массы покоя - уравнения электродинамики Максвелла. Таким путем в принципе возможно из пар нейтрино-антинейтрино построить фотоны. Идеи нейтринной теории света Луи де Бройля развивали Крониг, Иордан, А. Соколов.

Слабым пунктом метода слияния является отсутствие каких-либо сил, которые обусловливают самое слияние. Остается неясным, что заставляет, например, нейтрино превращаться в кванты электромагнитного поля. Ответ на этот вопрос пыталась дать так называемая нелинейная единая спинорная теория материи В. Гейзенберга. Название этой теории явно неудачно. Речь шла о создании единой теории элементарных частиц и полей, а не о теории материи, ибо единственной теорией материи, как объективной реальности, существующей вне и независимо от познающего субъекта, является диалектический материализм. Если мы примем за основу новой теории некоторое единое спинорное поле, то оно способно взаимодействовать лишь само с собой. Это приводит к появлению так называемых нелинейных членов в уравнениях Дирака (которые были впервые введены Д. Иваненко еще в 1938 г.), а затем более подробно рассмотрены В. Гейзенбергом (193, 441-485; 34).

Эта теория не дает точных значений масс частиц и констант связи, но, несомненно, это одна из попыток, заслуживающих внимания, хотя она и не лишена недостатков. Это только программа исследований, которую не следует переоценивать, как это уже имело место в отдельных статьях, опубликованных в нашей печати.

Необходимо иметь в виду, что уже несколько лет назад была вскрыта некорректность математической трактовки спинорной теории Гейзенберга, а также было показано, что введенная Гейзенбергом индефинитная метрика приводит к нарушению микропричинности. Можно с большим основанием считать, что конкретная попытка Гейзенберга создать единую теорию элементарных частиц пока потерпела неудачу, но избранное им направление исследования не следует сбрасывать со счетов, В последние годы наблюдается своеобразный возврат к идеям В. Гейзенберга.

В 1958 г. в США, когда Паули докладывал о теории Гейзенберга, присутствовавший на обсуждении Н. Бор бросил реплику: "Для новой теории теория Гейзенберга недостаточно сумасшедшая" (crasy) (23, 20). Н. Бор имел в виду отсутствие в этой теории необычной, диковинной идеи. На наш взгляд, такой идеи у физиков еще нет. Академик И. Тамм считал наиболее перспективным направлением в разработке теории элементарных частиц попытки коренным образом пересмотреть наши пространственно-временные представления в применении к ультрамалым масштабам. Он ссылается на высказывания академика Л. Т. Мандельштама о неприменимости обычных понятий пространства и времени к ядерным масштабам, а также на работы X. Снайдера (1947), предложившего способ квантования пространства и времени, приводящий к выводу о дискретности пространства. Снайдер показал, что квантованное пространство, т. е. пространство некоммутирующих между собой координат, дискретно и вместе с тем изотропно. Однако идеи Снайдера дальнейшего развития почти не получили за исключением работ Гольфанда и Кадышевского.

В. Г. Кадышевский (50. 1961. 136. (1)) предлагал ввести в теорию элементарных частиц универсальную длину "l" на основе изменения геометрии пространства-времени. Он считал, что новая геометрия должна удовлетворять следующим условиям:

а) форма S 2 = X 2 0 - X 2 2 неинвариантна преобразованию координат, при этом группа движений допускала бы меньшую степень изотропии 4-пространства, чем Лоренцова группа;

б) неинвариантность интервала и наличие универсальной длины были бы причинами несохранения четности;

в) должна существовать подгруппа, для которой S 2 есть инвариант, чтобы можно было описать симметрии больших областей 4-пространства - больших по сравнению с элементарной длиной "l". Длину "l" автор связывает с величиной С - универсальной константой слабого взаимодействия. После выделения множителей "h " и "С" для "l" следует при этом значение 7*10 -17 см. Эта и последовавшие за ней работы очень интересны, но пока возможности данной теории остаются неясными.

В 1959 г. канадский физик X. Коиш и советский физик И. С. Шапиро в своих исследованиях рассмотрели дискретное пространство, состоящее из конечного числа элементов, и показали хорошее совпадение ряда выводов с экспериментальными данными. Это также один из возможных поисковых путей, приближающий к созданию систематики элементарных частиц, к новой обобщающей физической теории. Однако И. С. Шапиро, выступая в 1962 г. на Совещании по философским проблемам физики элементарных частиц, оценил свои работы как начальную стадию, весьма отдаленную от создания теории, позволяющей провести сравнение с опытом. Философский анализ этой проблемы дал Р. А. Аронов (31.1957.3).

В физике рассматривались вопросы о так называемых спектральных представлениях и дисперсионных соотношениях. По мнению ряда физиков, это был своеобразный новый этап в ее развитии, когда исследовались аналитические свойства физических величин (например, амплитуды рассеяния) при продолжении их от вещественных значений в комплексную область. Применение к этим величинам теории функций комплексного переменного дало чрезвычайно важные результаты. Мандельштам (99) ввел двойные дисперсионные соотношения, рассматривая комплексные значения не только энергии, но и импульса. Редже предложил обобщение формализма S-матрицы и дисперсионных соотношений в комплексные значения углового момента. В результате применения "реджистики" были определены соотношения между амплитудами вероятностей различных процессов рассеяния: ππ, πN, NN и т. д. при высоких энергиях. Однако существуют данные (в области физики сверхвысоких энергий), которые ограничивают претензии "реджистов" на всеобъемлемость их представлений.

Академик И. Тамм считал дисперсионную теорию в известной мере феноменологической, так как она, не вдаваясь в механизм элементарных физических явлений, извлекает из данных опыта численные значения ряда входящих в нее параметров и затем правильно предсказывает результаты гораздо более обширного круга экспериментов, чем те, на основании которых были определены эти параметры. Во втором издании настоящей книги мы писали (С. 194), что хотя на первый взгляд здесь проявляется тесное единство теории и практики, но нам кажется, что сама теория носит рецептурный характер. Мы были согласны с выводом И. Тамма о том, что "успехи дисперсионной теории (как настоящие, так и будущие) отнюдь не решают основной задачи создания новой физической теории, базирующейся на ограниченном числе общих принципов и постулатов" (23, 21). Последующее развитие физики подтвердило эти предположения. Было много и других попыток построить теорию элементарных частиц. Кратко разберем некоторые из них.

Ферми и Янг предложили рассматривать п-мезон как образованный из нуклона и антинуклона при помощи каких-то еще неизвестных сил, действующих на крайне малых расстояниях р+¯р = π. Огромная потенциальная энергия связи "съедает" почти всю массу обоих нуклонов, оставляя лишь массу пиона. Вызвало интерес предложение С. Сакаты, положившего в основу теории р,π, λ и три соответственные античастицы. Тогда, комбинируя эти основные частицы, можно получить все пионы, K-мезоны и гипероны. "Эта модель,- писал С. Саката,- привлекла к себе внимание, так как она не только служила "субстанциональной" основой для структуры сильного взаимодействия, но и позволила объяснить спектр масс составных частиц и предсказала существование тогда открывавшихся резонансных частиц" (74, 168). Впрочем, природа сил сцепления оставалась при этом неясной. Минимум три основные частицы необходимы для того, чтобы обеспечить присутствие таких фундаментальных свойств, как заряд, изоспин, странность (представленная λ-гипероном). Ясно опять-таки, что в основу следует положить "вращающиеся" спинорные частицы, фермионы, так как при отсутствии "вращения" его неоткуда было бы получить. Мы видим здесь своеобразное возрождение теории Гельмгольца и Кельвина, пытавшихся в середине XIX в. строить материю из гипотетических эфирных вихрей.

При построении "составной" модели Саката исходил из следующего взгляда на элементарные частицы: "...я рассматриваю элементарные частицы как один из нескончаемого множества уровней строения материи, качественно отличающихся друг от друга и в совокупности образующих природу. Моя точка зрения основывается на положениях материалистической диалектики... нужно прежде всего установить, относятся ли открытые к настоящему времени тридцать с лишним видов элементарных частиц к одному или нескольким различным уровням строения материи" (31. 1962. 6, 134). Саката и его сотрудники попытались включить в свою схему и лептоны. За основу берутся лептоны е - , v, μ и некоторое "барионное" поле В (так называемая В-материя). Комбинируя один из лептонов с полем В, они получают основные частицы. Тем самым осуществляется сходство, подмеченное Маршаком - Гамба - Окуба (203) между барионами (р, π, λ и лептонами v, e - , μ -). Эта же симметрия осуществляется в нелинейной спинорной теории частиц.

Маршак назвал свои соображения о симметрии "киевской симметрией", поскольку они родились на симпозиумах Киевской конференции по физике высоких энергий летом 1959 г. Речь идет (как мы уже упоминали) о некоторой аналогии, существовавшей между тройками барионов (р, π, λ) и лептонов (v, e - , μ -). Любому члену четырехфермионного взаимодействия, с участием операторов этих частиц, можно противопоставить аналогичный член, получаемый из первого заменой λ на μ - , π на е - , р на v. Тогда, если процесс является разрешенным / запрещенным до замены, то он остается разрешенным / запрещенным после замены одной частицы из барионной / лептонной триады на "симметрофактор" из лептонной / барионной тройки. Маршак указывает, что он внимательно проанализировал все экспериментальные данные и не нашел ни одного случая, противоречащего указанной "симметрии", однако природа этой симметрии остается пока невыясненной. Теперь, когда уже создана кварковая модель, возникла возможность интерпретировать киевскую симметрию как соответствие четырех кварков - u, с, d, s четырем лептонам - v е, v μ , e, μ, но природа этой симметрии по-прежнему недостаточно известна.

Мы знаем, что всякая, даже самая удачная попытка создания единой теории вещества и поля неизбежно будет носить временный, преходящий характер. Дальнейшее теоретическое и экспериментальное проникновение в глубь микромира и, все более широкие исследования явлений в космосе, неизбежно нарушая любую единую картину, приведут к ее распаду на отдельные элементы, пока вновь не возникнут тенденции к объединению уже на более высоком уровне.

Введение различных понятий, отражающих реальные свойства частиц (изотопический спин, странность, барионный заряд и т. д.), приблизило нас к правильной классификации частиц. Огромная роль в классификации микрочастиц принадлежит принципу симметрии. Нетрудно заметить, что элементарные частицы каждого класса (фотоны, лептоны, мезоны, гипероны) обладают определенными, общими для них свойствами симметрии, но этот вопрос мы более подробно рассмотрим в ходе дальнейшего изложения.

Дж. Чу, М. Гелл-Манн и И. Нееман (21, 5Е) предложили новую классификацию сильно взаимодействующих частиц вещества, в которой разделение частиц на элементарные и сложные (составные) теряет смысл. Эти авторы предложили рассматривать частицы объединенными в группы (супермультиплеты) так, что частицы с разной массой покоя в каждой группе могут рассматриваться как различные возбужденные состояния одной и той же системы. Спектр масс частиц в этой схеме имеет близкую аналогию со спектром энергетических состояний атома. Каждая из частиц может с одинаковым основанием рассматриваться и как простая и как сложная. Для нахождения спектра масс предлагаются два метода: один из них основан на свойствах симметрии и теории групп, другой - на использовании так называемых траекторий Редже, т. е. кривых, связывающих массу частицы с ее внутренним моментом количества движения (спином) в каждой группе.

Многие физики в настоящее время считают, что октетная схема Гелл-Манна является наиболее удачной. В ее основе лежит принцип SU (3) симметрии. Восемь известных барионов рассматриваются как супермультиплет, соответствующий высшей симметрии; эта симметрия нарушается, и супермультиплет расщепляется в изотопические спиновые мультиплеты. Сильно взаимодействующие частицы описываются в пространстве "унитарного спина", который имеет восемь компонентов: первые три из них представляют собой компоненты изоспина, следующие четыре играют роль операторов, изменяющих странность, и последняя пропорциональна гиперзаряду. При нарушении высшей симметрии ("унитарной") сохраняются изоспин и гиперзаряд, а компоненты унитарного спина, соответствующие странности, изменяются; в результате происходит расщепление супермультиплета в изотопические спиновые мультиплеты. Таким образом, теория Гелл-Манна в какой-то степени учитывает глубокое диалектическое единство симметрии и асимметрии в мире элементарных частиц. Именно это позволило данной теории объединить сильно взаимодействующие частицы по стройной схеме и в то же время отразить их специфику (асимметрию свойств). В октетной схеме Гелл-Манна еще раз проявляется огромная эвристическая сила принципа симметрии. В рамках гипотезы "восьмеричного пути" на основе представлений симметрии и законов сохранения было предсказано существование Ω-гиперона, который был открыт на брукхэйвенском ускорителе в США (214). В свое время мы писали, что успехи, к которым привел учет в теории свойства унитарной симметрии, вселяют надежду, что экспериментальные исследования приведут к обнаружению и других предсказанных теорией частиц с дробным электрическим зарядом (± 1 / з и ± 2 / з заряда электрона), так называемых кварков. Последующее развитие физики оправдало эти надежды.

Укажем еще на некоторые попытки систематизации элементарных частиц. Так, несколько лет тому назад М. А. Марков (204) предложил оригинальную модель максимонов . Основываясь на идеях общей теории относительности, он показал, что макро- и микромир могут тесно смыкаться друг с другом. Формальным основанием для введения новых гипотетических элементов послужило то обстоятельство, что из важнейших мировых констант современной физической теории можно составить две комбинации с размерностью массы. Одна из этих величин имеет численное значение в одну миллионную часть грамма, а другая - в десять раз большее. Вводимые таким путем максимоны в 10 19 раз превышают по массе реальные адроны (сильно взаимодействующие частицы). Максимоны столь тяжелы для своих пространственных размеров, что "ни в каком сосуде на поверхности Земли эти частицы нельзя обнаружить. Они под действием сил тяжести проваливаются к центру планеты... Так как для рождения максимонов необходима энергия 10 28 эВ, то возможности рождения максимонов даже на ускорителях отдаленного будущего исключены" (53.1966.51, 878).

Анализ существующих моделей показывает некоторое различие в подходе их авторов к проблеме систематизации микрообъектов. Одни исходят из определенных свойств элементарных частиц и полей и пытаются разрешить проблему структуры микрообъектов путем введения новых свойств симметрии пространства - времени, другие, наоборот, сохраняют известные свойства пространства и времени, но для объяснения структуры микрочастиц вводят новые характеристики свойств материальных микрообъектов и полей. Такое различие в подходах к решению одной и той же проблемы вполне оправдано.

Услуга установки пластиковых окон в Томске по привлекательной стоимости от компании БФК.

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

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

Размещено на http://www.allbest.ru/

Введение

1. Зарождение и развитие представлений о кванте

1.1 Теория атома, предложенная Бором

2. Элементарные частицы и проблема их структурности

Заключение

Список литературы

Введение

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

1. Зарождение и развитие представлений о кванте

квант элементарный частица

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

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

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

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

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

1.1 Т еория атома, предложенная Бором

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

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

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

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

закономерности линейного спектра атома водорода;

ядерная модель атома, предложенная резерфордом;

квантовый характер излучения и поглощения света.

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

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

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

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

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

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

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

2. Элементарные част ицы и проблема их структурности

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Заключение

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

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

Список литературы

1. Маковелский. Древнегреческие атомисты. Баку, 1946.

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Размещено на Allbest.ru

Подобные документы

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

курсовая работа , добавлен 21.03.2014


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

курсовая работа , добавлен 08.12.2010


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

дипломная работа , добавлен 05.02.2003


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

реферат , добавлен 20.10.2006


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

реферат , добавлен 12.12.2009


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

реферат , добавлен 20.12.2011


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

реферат , добавлен 17.05.2011


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

курсовая работа , добавлен 25.04.2015


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

презентация , добавлен 27.05.2012


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

На первом этапе стремление каким-то образом ограничить количество элементарных составляющих материи привело к обсуждению теоретических схем, в которых фундаментальными частицами считалась лишь часть известных адронов, которые рассматривались как связанные состояния, состоящие из фундаментальных адронов. Однако позже оказалось, что эти схемы могут описать свойства всех известных частиц.

С увеличением количества открытых адронов трудности, с которыми столкнулись подобные схемы, усложнялись и становилось все более очевидным, что адроны не могут быть элементарными образованиями, элементарные частицы, если они существуют, должны быть объектами какой-то другой природы.

Адроны с целочисленным спином называют мезонными, поскольку первые обнаруженные мезоны (седьмой, К) имели массу, промежуточную между массой электрона и протона. Адроны с пивцилим спином вследствие значительной массы получили название барионной адронов. К ним относятся нуклоны, гипероны и некоторые другие частицы.

Знание характеристик адронов позволяет надежно провести их классификацию, то есть выделить группы с одинаковыми или близкими свойствами. Часть таких достаточно широких групп мы упоминали. Оказывается, что можно выделить и другие группы адронов, близких друг к другу по некоторым признакам. Современные исследования направлены на поиски фундаментальных частиц, из которых можно создать все сильновзаемодиючи частицы, т.е. адроны. Этих фундаментальных частиц предъявляют следующие требования: они должны быть барионами и антибарионамы - частицами с соответственно положительным и отрицательным барионным зарядами. их комбинация способствовать образованию барионного заряда любого адронов. Барионный заряд мезонов равен нулю, поэтому их получают комбинацией барионов с антибарионом. Фундаментальные частицы должны иметь минимальное пивциле значение обычного спина, чтобы из них можно было построить частицы с любыми целыми и пивцилимы спинами. Среди них обязательно должен быть Барион с странность, равной единице, для контроля странных частиц. Важно также, чтобы масса фундаментальных частиц не очень отличалась, что может свидетельствовать о одинаковые значения сильного взаимодействия, которое существует между ними. Еще одно требование связано с изотопическим спином фундаментальных частиц. Чтобы можно было достать любые изотопический мультиплет, в нашем распоряжении должно быть хотя бы изотопический синглет и изотопический дублет.

С. Саката, руководствуясь этими требованиями, за фундаментальные частицы взял три барионы ^ протон, нейтрон и?-гиперон (р, n, X) и их античастицы (р, л, X). Схема Саката удовлетворительно описывает мезонные адроны, но оказывается непригодной для барионной адронов. Для устранения недостатков схемы Саката был применен октетного формализм М. Гелл-Манна и Ю. Неймана. Авторы октетного формализма предложили расширить схему Саката, выбрав в качестве фундаментальных частиц восемь барионов вместо трех.

Новую схему оказалось возможным распространить на барионного адроны. На основе предложенной схемы Гелл-Манн предсказал существование неизвестного в то время и ~-гиперон. При этом с помощью октетного схемы определили не только все квантовые числа предусмотренного гиперонов, но и его массу. Предсказанное значение массы совпало с экспериментальным значением, когда ^ "-гиперон был открыт в Брукхейвене в двухметровой водородной пузырьковой камере, облученной К-мезонами.
В первой форме этой модели было предложено три типа кварков, обозначенных буквами u, d9 s, которые происходят от английских слов up (вверх), down (вниз), strange (странный). Носителем странности был кварк s, поэтому в состав всех странных частиц входил минимум один s-кварк, или s-антикварк. В кварковой модели распределение масс между адронами отражает распределение масс между кварками. Итак, поскольку s-кварк значительно массивнее от других кварков, масса странных адронов значительно больше массы Неудивительно адронов.

Позже систему кварков расширили, было дополнительно введено кварки: «очарованный» (с), «привлекательный» (Ь) и «правдивый» (t). Свойства, которые приписываются кваркам, приведены в табл. 18.3. Основанием увеличение количества кварков было то, что связанные состояния из трех кварков вроде иии (Д +), ddd (Д), sss (? ~) противоречат принципу Паули. Из табл. 18.3 видно, что все квантовые числа кварков в этих образованиях одинаковы. Поскольку кварки имеют пивцили спины и, следовательно, имеют описываться статистике Ферми, то в одной системе не может быть не только трех, но даже двух кварков с одинаковым набором квантовых чисел. Исходя из некоторых соображений, в частности для устранения противоречия с принципом Паули, было введено понятие «цвет» кварка. Возникла мысль, что каждый кварк может существовать в трех «окрашенных» формах: красной, зеленой, синей (отметим, что смесь этих цветов дает «нулевой» белый цвет). Тогда можно утверждать, что из квар-ки, образующие, например Q ~-гиперон, имеют различную окраску, поэтому принцип Паули не нарушается.

Сочетание «цветов» кварков в случае адронов должны быть таким, чтобы в целом «цвет» адронный был нулевым (т.е. адрон должен быть «бесцветным»). Так, в состав протона входят кварки и (красный), и (зеленый) и d (синий). В результате получают нулевой (белый) «цвет».

Антикварки считаются окрашенными в дополнительные «цвета» («ан-тикольоры»), дающие вместе с «цветом» нулевой «цвет». Поэтому мезоны, состоящие из кварка и антикварка, также имеют нулевой «цвет». В основном «цвет» кварка (подобно электрическому заряду) передает различие в свойствах, которая определяет притяжения и отталкивания кварков. По аналогии с квантами полей различных взаимодействий (фотонами в электромагнитном взаимодействии, я-мезонами в сильном взаимодействии и т. д.) введен частицы-переносчики взаимодействия между кварками. Эти частицы назвали глюонами (от англ. Glue - клей). Они переносят «цвет» от одного кварка в другой, в результате чего кварки удерживаются вместе.

Еще один характерный признак кварков - это их электрический заряд. Кварки d, s, Ъ имеют заряд -1 / 3, тогда как заряд кварков ц, с, t равен +2 / 3. Антикварки d, s, b и т. д. имеют противоположные по знаку электрические заряды, следовательно, электрический заряд антикварка d равен +1 / 3, антикварка и равна -2 / 3 и т. д. антикварка характеризуются также противоположными цветами: античервоним, анти-зеленым и антисиним. При образовании адронов кварки могут комбинироваться двумя путями: либо объединяются три кварки при одном кварк каждого «цвета», или кварк определенного «цвета» присоединяет к себе антикварк с соответствующим «антикварков». Эти комбинации называют «бесцветный», и они, кроме этого, имеют еще одну важную особенность. Во всех возможных комбинациях дробные электрические заряды кварков складываются так, что дают целочисленный суммарный заряд; никакие другие комбинации (кроме образованных сложением уже разрешенных комбинаций) не имеют такого свойства. Кварковой состав протона uud, дающий полный электрический заряд 2/3 + 2/3-1/3 или +1. Нейтрон состоит из кварков uud с зарядом 2/3-1/3-1/3, что в результате дает ноль. Положительный пион содержит кварк и и антикварк J, заряды их +2 / 3 и +1 / 3 дают в сумме +1.

Лептоны и кварки принято разбивать на три поколения. Каждое поколение состоит из заряженного лептона, соответствующего ему нейтрино и двух кварков, один из которых имеет заряд -1 / 3, а второй +2 / 3. Первое поколение состоит из электрона, электронного нейтрино, кварков diu. Поскольку кварки существуют в трех «цветах», это поколение содержит восемь частиц, представители других поколений наблюдаются практически только в лабораторных экспериментах с ускоренными частицами. В единой теории эти три поколения описываются независимо, но аналогичным образом.

На рис. 18.2 изображены три поколения лептонов и кварков: заряды в лептонов цели, в кварков - дробные. Лептоны существуют в свободном виде, а кварки являются лишь составляющими более сложных частиц - адронов. В обычной веществе содержатся частицы только с первого поколения. Развитие физики элементарных частиц допускает сложную структуру кварков и лептонов, т.е. они, в свою очередь, состоят из суб-кварков. Гипотеза субкваркив обсуждается многими учеными, хотя никому еще не удалось обойти трудности, которые встречаются на этом пути, очевидно, потому, что они имеют принципиальный характер.

Сейчас «внутренность» частиц изучена до размеров порядка 10 ~ 18 м, но субкваркив не обнаружено. Достаточно вероятно, что фундаментальные физические законы, известные ныне, перестают действовать на расстояниях, меньших чем 10 ~ 18 м, а открытие субкваркив, если оно состоится, приведет к изменению основных представлений о законах природы.

Мы рассмотрели некоторые проблемы физики элементарных частиц, которая изучает свойства вещества. Трудно предсказать ход развития этого раздела физики. Однако экспериментальные результаты в области физики элементарных частиц является надежной основой ее развития в будущем.

Страница 8

В природе между элементарными частицами действует не один, а иногда в одно и то же время несколько типов взаимного влияния и свойства и структура частиц определяется общностью всех типов взаимного влияния, принимающих участие. Например, протон, входящий в адронный тип элементарных частиц, принимает участие в сильном взаимном влиянии, и в электромагнитном взаимном влиянии в связи с тем, что он является электрически заряженной частицей. С другой стороны, протон может зародиться в процессе b распада нейтрона, то есть в слабых взаимных влияниях, таким образом, он связан со слабыми взаимными влияниями. И наконец, протон как материальное образование, обладающее массой, принимает участие в гравитационных взаимных влияниях. В отличие от протона целый ряд элементарных частиц принимают участие во всех типах взаимного влияния, а только в некоторых их типах. Например, нейтрон в силу того, что он является, незаряженной частицей он не принимает участия в электромагнитных взаимных влияниях, а электрон и мю-мезоны – в сильных взаимных влияниях. Фундаментальные взаимные влияния являются причиной превращения частиц – их уничтожения и зарождения. Например, в результате столкновения нейтрона и протона образуются два нейтрона и один положительный пимезон.

Срок превращения элементарных частиц зависит от взаимовлияющей силы. Ядерные реакции, связанные с сильными взаимными влияниями, происходят за 10-24 – 10-23 секунды. Это, период когда элементарная частица переходит в частицу высокой энергии и приобретает скорость, близкую к скорости света, размеры порядка 10-13 см. Обусловленные электромагнитными взаимными влияниями изменения происходят за 10-21 – 10-19 секунды, обусловленные слабыми взаимными влияниями изменения (например, процесс распада элементарных частиц) – за 10-10 секунды.

К периоду протекания различных изменений, происходящих в микромире, можно подходить с точки зрения рассуждений о создающих взаимных влияниях.

Кванты взаимного влияния элементарных частиц реализуются посредством соответствующих этим частицам физических полей. Под полем в современной квантовой теории понимается система частиц, меняющихся в числе (половые кванты). Состояние, когда поле, и вообще, полевые кванты существуют с самой малой энергией, называется вакуумом. Частицы электромагнитного поля (фотоны) в вакууме в состоянии возбуждения теряют механические свойства, которые они содержат и которые присущи корпускулярной материи (например во время движения тело не чувствует трения).

Вакуум не содержит простые виды материи, однако, не смотря на это он не пустота в истинном смысле слова, так в вакуумном возбуждении возникают кванты электромагнитного поля – фотоны, реализующие электромагнитное взаимное влияние. В вакууме в дополнении электромагнитному полю существуют другие физические поля, в том числе пока не отмеченное в эксперименте по так называемым гравитонным экспериментам гравитационное поле.

Квантовое поле – совокупность квантов, носит дискретный характер. Так взаимные влияния элементарных частиц, их взаимные превращения, излучение и поглощение фотонов носит дискретный характер и происходит только в ситуации квантатирования. В результате возникает такой вопрос: в чём конкретно проявляется непрерывность поля, его континуальность? Как в квантовой электродинамике, так и в квантовой механике состояние поля описывается однозначно не наблюдаемыми реальными явлениями, а только посредством волновой функции, связанной с взаимным понятием. Квадрат модуля этой функции показывает возможность наблюдать рассматриваемые физические явления.

Основная проблема квантовой теории поля – описание различных типов взаимных влияний частиц в соответствующих уравнениях. Эта проблема нашла своё решение пока только в квантовой электродинамике, описывающей взаимные влияния электронов, позитронов и фотонов. Для сильных и слабых взаимных влияний пока не создана квантовая теория поля. В настоящее время эти виды взаимного влияния описываются не строгими методами. Хотя известно, что невозможно понять элементарные частицы если они не находятся в соответствующей физической теории, невозможно понять их структуру, определяемую структурой этих теории. Поэтому проблема структуры элементарных частиц еще до конца не решена.1 Современная физика в настоящий период доказывает существование сложных частиц, которые обладают внутренним строением частиц, считающихся «элементарными». Стало известно, что протон и нейтрон в результате происходящих в них виртуальных процессов подвергаются внутренним превращениям. В результате опытов, проведённых по изучению строения протонов, было определено, что протон, считавшийся до последнего времени неделимым, самым простым и бесструктурным в действительности является сложной частицей. В его центре находится плотное ядро, называющиеся «керн», оно окружёно положительными пи-мезонами.

Сложность строения «элементарных» частиц была доказана выдвинутой в 1964 году американским учёным Гель-Манном и независимо от него шведским учёным Цвейгом гипотезой кварков. Согласно этой гипотезе элементарные частицы с отношениями, характеризующимися сильными взаимными влияниями (адроны: протон, нейтрон, гипероны), должны формироваться из кварков-частиц, заряд которых равен одной третьей или двум третьим заряда электрона. Таким образом, теория показывает, что у формирующих частицы отмечённых кварков электрический и барионный заряд должен выражаться дробным числом. Действительно, называемые кварками частицы пока не обнаружены и остаются гипотетическими обитателями микромира на нынешнем уровне развития науки.

Таким образом, с одной стороны ясно, что элементарные частицы обладают особой структурой, с другой стороны, характер этой структуры ещё остаётся неясным. Из вышеприведенных данных становится ясным, что элементарные частицы вовсе не элементарные, они обладают внутренней структурой, могут делиться и превращаться друг в друга. Мы ещё очень мало знаем обоих строении. Таким образом, на сегодняшний день основываясь на целый ряд фактов, мы можем утверждать, что материя элементарных частиц – новый вид, качественно отличающийся от более сложных частиц (ядро, атом, молекула). В тоже время это различие настолько существенно, что используемые нами при изучении ядер, атомов, молекул, макроскопических тел категории и выражения («простой» и «сложный», «внутренняя структура», «сформированный») и могут применяться к элементарным частицам. Понятия «простой и сложный», «составляющие части», «структура», «целый» являются, в общем относительными понятиями. Например, несмотря на то, что атом обладает сложным строением, и структура его состоит из ядерного и электронного ярусов, по сравнению с входящей в его состав молекулой является более простым.