П.С.Исаев

Некоторые проблемы физики элементарных частиц

в области высоких энергий

Физика элементарных частиц за вторую половину ХХ века сделала такой гигантский шаг вперед, продвинулась с такой громадной скоростью в область новых явлений и закономерностей, ввела так много новых понятий, во многом, тем не менее, не отрываясь от квантово-механических представлений, развитых в 20-x-30-x годах нашего столетия, что настало время осмотреться, осмыслить пройденный за полвека путь и ответить на ряд фундаментальных вопросов: был ли пройденный путь единственным? Почему не был решен ряд важных проблем, поставленных перед учеными самой природой? Не оказалась ли физика элементарных частиц вследствие неосмотрительно быстрого (и потому не всегда должным образом обоснованного) движения вперед в идейном тупике?

В предисловии к немецкому изданию своей книги «Физика в жизни моего поколения» лауреат Нобелевской премии Макс Борн писал: «...В 1921 году я был убежден, и это убеждение разделялось большинством моих современников-физиков, что наука дает объективное знание о мире, который подчиняется детерминистическим законам. Мне тогда казалось, что научный метод предпочтительнее других, более субъективных способов формирования картины мира - философии, поэзии, религии. Я даже думал, что ясный и однозначный язык науки должен представлять собой шаг на пути к лучшему пониманию между людьми.

В 1951 году я уже ни во что не верил. Теперь грань между объектом и субъектом уже не казалась мне ясной; детерминистические законы уступили место статистическим; и хотя в своей области физики

всех стран хорошо понимали друг друга, они ничего не сделали для лучшего взаимопонимания народов, а, наоборот, лишь помогли изобрести и применить самые ужасные орудия уничтожения.

Теперь я смотрю на мою прежнюю веру в превосходство науки перед другими формами человеческого мышления и действия как самообман, происходящий оттого, что молодости свойственно восхищение ясностью физического мышления, а не туманностью метафизических спекуляций» .

Со дня написания этих строчек прошло более сорока лет, однако, я думаю, что точка зрения Борна на научное знание не потеряла своей актуальности и сегодня, а для меня, прежде всего, может быть потому, что я уже вышел из возраста «восхищения ясностью физического мышления» и перешел в категорию людей, задумывающихся над философской, поэтической, религиозной картиной мира.

Есть смысл взглянуть на проблемы современной физики элементарных частиц с более общих научно-методических, научно-философских, а не только чисто научных, позиций, не обращаясь за доказательствами к строгой математике.

Современное состояние физики элементарных частиц разными специалистами оценивается по-разному. Обычно его оценивают как имеющее большие успехи. И это верно. Однако с большой убедительностью его можно оценить как кризисное, ибо трудности финансовые, научно-методические и трудности стандартной модели ведут к затяжному застойному периоду.

В конце 1993 года конгресс США принял решение прекратить финансирование строительства SSC, выделив сравнительно небольшую сумму на «терминацию» проекта. Более 2000 ученых, инженеров, строителей остались без дела. Это - трагедия научная и человеческая. Если бы СССР как великая держава не распался, сверхпроводящий суперколлайдер (SSC) на энергии протонов 2х20 ТэВ был бы построен в США к 1999 г. (хотя бы из соображений конкуренции) и приглашение директора SSC проф. Швиттерса ученым мира принять участие в научной конференции в Далласе в 1999 г., посвященное первым научным результатам, полученными на SSC, осталось бы в силе.

Продвижение «в глубь материи» в связи с созданием мощных ускорителей, огромных экспериментальных установок, с участием в каждом эксперименте большого числа людей (иногда более сотни исследователей) стало весьма дорогостоящим делом.

Такие науки, как физика элементарных частиц или космология, являются науками, прикладное значение которых в наше время кажется не очень заметным (хотя бесспорно, что фундаментальные

открытия Фарадея и Максвелла окупили расходы на фундаментальную науку на многие столетия вперед). «...Современное развитие науки происходит в обществе, главная концепция рационализма которого следует доктрине инструментализма: истина ценится меньше, чем полезность...» . Не этой ли доктриной объясняется тот факт, что ныне прикладные исследования в США получают все большую финансовую поддержку по сравнению с фундаментальными исследованиями?

Заметную роль в развитии кризиса фундаментальных исследований в области физики элементарных частиц может играть изменение взглядов на принцип редукционизма, согласно которому все явления природы можно свести к нескольким элементарным, первичным законам и из них путем чистой дедукции вывести строение и развитие Вселенной и, может быть, развитие жизни на Земле. Редукционистский взгляд на науку придавал физике элементарных частиц статус «самой главной», «фундаментальной» науки среди всех других фундаментальных наук. В последней четверти ХХ в. начинает утверждаться иная точка зрения: каждый уровень науки, каждая наука (физика, химия, биология и т.д.) имеет свои собственные фундаментальные законы, не сводимые к нескольким элементарным, первичным.

Швебер пишет, что Эйнштейн выступил сторонником всеобщего единства, связанного с радикальной формой теории редукционизма. В 1918 году Эйнштейн сказал: «Наивысшей проверкой физики будет достижение тех универсальных элементарных законов, из которых космос может быть построен путем чистой дедукции». В частности, гипотеза Большого Взрыва есть реализация эйнштейновской теории редукционизма в самом рафинированном виде. По Швеберу, всеобщее единство и редукция являются двумя принципами, которые доминировали в фундаментальной теоретической физике в течение двадцатого столетия. Один характеризовал надежду дать единое описание всех физических явлений, другой стремился уменьшить число независимых концепций, необходимых для формулировки фундаментальных законов. Огромные успехи физических наук и молекулярной биологии подтверждали подобную точку зрения. Однако вскоре стало очевидным, что описание явлений, например, в физике конденсированных сред не нуждается в знании законов взаимодействия элементарных частиц на малых расстояниях (при очень высоких энергиях). Две ветви физики - физика элементарных частиц и физика конденсированных сред - становятся в некотором смысле «разделенными», например, в том смысле, что существование

t-кварка или какой-либо новой тяжелой частицы в физике элементарных частиц не оказывало влияния на описание явлений в другой ветви физики.

В 1972 году Филипп Андерсон, известный специалист в области физики конденсированных сред, бросил вызов радикальной теории редукционизма. Он заявил: «...гипотеза редукционизма не означает ничего более, как «конструкционизм»: возможность свести все явления природы к простым фундаментальным законам не означает возможности исходя из этих законов реконструировать Вселенную. В действительности, чем больше физика элементарных частиц говорит нам о природе фундаментальных законов, тем менее отношения они, кажется, имеют к реальным проблемам остальной науки, и еще менее к самому обществу. Гипотеза конструкционизма нарушается, когда приходит в столкновение с двойными трудностями шкалы и сложности...» . Андерсон верит в существование дополнительных законов, которые не менее фундаментальны, чем в физике элементарных частиц. Исследования материи на каждом уровне ее сложности, по Андерсону, так же фундаментальны, как и в физике элементарных частиц.

Большую роль в возникновении кризиса физики элементарных частиц играет постулат о «принципиальной ненаблюдаемости кварков» в смысле принципиальной невозможности видеть кварки в свободном состоянии - тезис, неприемлемый с точки зрения научно-философской. Физики начинают изучать свойства кварков и глюонов не в результате непосредственного наблюдения взаимодействия свободных кварков и глюонов со свободными элементарными частицами и друг с другом, а опосредованно, через наши представления о возможной природе кварков и глюонов. Много ли нового и верного мы могли бы сказать сегодня о строении ядра атома, если бы Резерфорд постулировал в свое время, что ядро атома существует, но оно «принципиально не наблюдаемо» (в смысле невозможности видеть его в свободном состоянии)?

Вводя понятие материального, но принципиально не наблюдаемого объекта, физика начинает терять статус экспериментальной науки и превращается в объект теоретических спекуляций. Грань, отделяющая науку экспериментальную от спекулятивной, становится неясной. Утверждается вера в то, что физика «принципиально ненаблюдаемых» кварков и глюонов - это все еще физика реально существующих объектов. Струйность явлений воспринимается как фрагментация ненаблюдаемых, но реально существующих кварков и глюонов в адроны. «Post hoc ergo proptev hoc». Мы имеем дело с

хорошо известной нам аналогией: Бог есть, но Бог принципиально не наблюдаем. Каждый воспринимает его по-своему. Можем ли мы составить научный портрет Бога?

Физики уже на сегодняшнем этапе не имеют морального права мириться с современной теорией, научно-философские установки которой противоречат статусу экспериментальной науки.

Кварки возникли из преувеличенного внимания к симметриям, господствующим в теории элементарных частиц на протяжении всей второй половины ХХ века. В лагранжиан взаимодействия стандартной модели кварки вошли как точное следствие неточной SU(3)-симметрии, выполняющейся на эксперименте с точностью ∼10% (кварки вошли как фундаментальное представление SU(3)-симметрии).

Я вполне допускаю мысль, что именно недостаточно обоснованное (физически) введение кварков в физику элементарных частиц привело к необходимости провозгласить совершенно неприемлемый постулат о «принципиальной ненаблюдаемости кварков» - в смысле принципиальной невозможности наблюдать их в свободном состоянии.

Доказательств существования кварков много. Однако и веры в то, что кварки - всего лишь способ описания экспериментальных данных (и не более того!) тоже довольно много.

Помимо неприемлемости тезиса о «принципиальной ненаблюдаемости кварков и глюонов» (с точки зрения научно-философской), стандартная модель обладает рядом других недостатков. Она содержит 18 свободных параметров: две константы связи (ее и α(q2)), двенадцать масс фермионов и бозонов (массы кварков - u, d, s, с, b, t, массы лептонов - е, μ, τ, массы бозонов Wt ∓ ∓ ,Z ,χ, (χ - хиггсовский бозон)), четыре угла смешивания в матрице Кобаяши-Маскава. Если у нейтрино есть масса (а по моему глубокому убеждению масса покоя нейтрино равна нулю - об этом ниже я буду говорить), то в лагранжиан взаимодействия стандартной модели следует добавить еще 7 параметров - три массы лептонных нейтрино ν e νμ, ντ и еще 4 угла смешивания. Таким образом, общее число свободных параметров увеличивается до 25, что, конечно, недопустимо для хорошей теории. До сих пор не открыт хиггсовский бозон. Хиггсовский бозон является обязательно существующей частицей в стандартной модели. Если он не будет найден, то стандартную модель придется считать неверной, от нее придется отказаться. Однако до тех пор, пока нет другой общепринятой теории, мы не можем говорить о какой-либо иной реальности, кроме той, которая содержится в лагранжиане стандартной модели. ,

«В каждой естественной науке заключено столько истины, сколько в ней математики» (И.Кант). Однако только сама природа решает, какая математика адекватна ее закономерностям, а какая - нет. Но даже если наши представления о структуре материи, о ее составляющих - кварках и глюонах - окажутся неверными и нам придется отказаться от них в будущем, то мы не можем жалеть о пройденном пути - за это время мы успели узнать удивительно много нового о природе микромира. Кстати, Пуанкаре писал, что в физике невозможно обойтись без гипотез (верных или неверных) «...и часто ложные гипотезы оказывали больше услуг, чем верные» .

Усилия, потраченные на создание стандартной модели? настолько велики, сама стандартная модель настолько выстрадана и настолько глубоко пронизана всеми достижениями теоретической и экспериментальной физики элементарных частиц, что отречься от нее или как-то изменить ее простым путем невозможно. Такое кризисное состояние несоответствия теории реальному миру элементарных частиц может оказаться весьма затяжным.

Выход из создавшегося положения может быть найден на пути решения ряда проблем, могущих кардинальным образом изменить наши представления о микромире. С моей точки зрения? до сих пор не существует окончательного ответа на ряд вопросов.

Я думаю, что до сих пор не ясно, существует в природе одна Λ°-частица или их две? Экспериментальные данные, публикуемые Particle Data Group, допускают возможность существования двух, разных по массе Λ°-частиц. Я обсуждал эту возможность в работе .

Неясно, по какому закону кинетическая энергия сталкивающихся частиц переходит в массу покоя (например, в реакции π+Λ→π+K). Соотношение Эйнштейна E=mc2 лишь постулирует эквивалентность массы и энергии, но не отвечает на поставленный вопрос. Дискретный спектр масс элементарных частиц явно указывает на существование условий, при которых энергия сталкивающихся частиц определенными квантами переходит в массу покоя. В работе я высказал положение о том, что энергия сталкивающихся частиц переходит в массу покоя в том случае, когда действие пропорционально целочисленному значению постоянной Планка.

До сих пор не было проведено целенаправленного поиска частиц со странностью S≥4. Может быть, теперь, когда создание SSC откладывается на неопределенный срок, экспериментаторы смогут в более спокойной творческой атмосфере, с большей статистикой определить, существуют ли две разных Λ°-частицы, и ответить на вопрос, существуют ли частицы со странностью S≥4.

Закономерности в природе существуют потому, что существует стабильность материи и повторяемость событий. Это негласно принятые нами постулаты. Однако сроки существования естественных экспериментальных наук слишком малы (всего несколько столетий), чтобы мы настаивали на неизменности форм фундаментальных составляющих материи. Русский ученый Н.И.Пирогов был ярым противником раз и навсегда данных неизменных атомов: «...Остановиться мыслью на вечно движущихся и вечно существовавших атомах я не могу теперь - вещество бесконечно делимое, движущееся и бесформенное само по себе, как-то случайно делается ограниченным и оформленным...» .

Пирогов (1810-1881 гг.) считал, что «возможно допустить образование вещества из скопления силы»..., т.е. он угадал и словами выразил то, что было позднее сформулировано Эйнштейном в его знаменитом соотношении E=mc2.

Я допускаю существование двух основных принципов развития форм материи во Вселенной.

1. Принцип рождения себе подобных видов материи. Этот принцип обеспечивает стабильность материи во Вселенной и повторяемость событий, обеспечивает существование закономерностей, а следовательно, постулируется познаваемость мира.

2. Принцип случайного отклонения от рождения себе подобных, что обеспечивает динамику развития Вселенной, поиск новых закономерностей развития Вселенной, сохраняет ту вечную тайну, которая составляет вечную сущность научно-исследовательского труда.

С точки зрения философской, здесь высказаны тезис, антитезис и синтез - знаменитая Гегелевская триада (развития Вселенной). Мы должны отказаться от принципа тождественности элементарных частиц одинакового сорта, если допускаем изменение масс во времени и пространстве.

Как понимается тождественность частиц в современной теоретической физике? Тождественные частицы невозможно различить ни по их внутренним свойствам, ни по их взаимодействию друг с другом, или с другими, отличающимися от них по внутренним свойствам, частицами. Например, все электроны имеют одинаковые значения масс, электрических зарядов, одинаковые спины, одинаковые внутренние четности, одинаковые размеры протяженности в пространстве. (Физики считают, что электроны имеют точечные размеры.) Их нельзя различить по их взаимодействиям с другими частицами (например, протонами, π-мезонами и др.).

В классической механике существует понятие траектории отдельно взятой частицы, что позволяет в принципе различать тождественные частицы в продолжении всего опыта. Даже при взаимодействии тождественных частиц друг с другом можно различать по траекториям частицы первую и вторую до и после взаимодействия. В квантовой механике невозможно различить две тождественные частицы, если волновые пакеты, описывающие эти частицы, перекрывались в процессе взаимодействия, т.е. в квантовой механике невозможно локализовать частицы, не нарушая при этом процесса взаимодействия. В результате возникают квантово-механические эффекты, не имеющие классических аналогий.

Под тождественными частицами понимаются такие частицы, при перестановке которых физическая система, в которую они входили, остается неизменной.

Труднее по сравнению с точечными электронами вообразить себе тождественность таких сложных частиц, как протоны, или мезоны. По современным представлениям протоны состоят из кварков и глюонов. Распределение кварков и глюонов, например, по импульсам в каждом протоне должно быть тождественным распределению кварков и глюонов по импульсам в любом другом протоне. Даже после взаимодействия какого-либо протона, допустим, с ядром какого-либо вещества, которое описывается с современной точки зрения как обмен глюонами или кварками, в рассеянном протоне не должно произойти какого-либо перераспределения по импульсам кварков и глюонов, отличного от невзаимодействовавшего какого-либо другого протона (с той же энергией, импульсом, массой). Вот такое «мгновенное» тождественное выравнивание внутренних распределений кварков и глюонов по импульсам у тождественных частиц кажется уже чрезмерным, непостижимым требованием современной квантовой хромодинамики даже для искушенных теоретиков. Например, в реакции рождения π-мезонов γ-квантами на протонах (γ+р→π+р) во вновь возникшем π-мезоне с бесконечно большим набором кварк-антикварковых пар и глюонов, их распределения по импульсам должно сразу принять вполне определенный математически строгий, тождественный с другими π-мезонами, вид. Если кварк-глюонное строение вещества признать верным, признать, что кварки и глюоны существуют реально, то с точки зрения «здравого смысла» в него трудно поверить. Если же гипотеза кварк-глюонного строения вещества есть способ математического описания структуры элементарных частиц, позволяющий объяснить все наблюдаемые явления с единой точки зрения, то такое понимание структуры частиц не должно вызывать возражений.

Таким образом, проблема тождественности элементарных частиц в наше время оказывается тесно связанной с проблемой наблюдаемости кварков и глюонов.

Допуская постоянное изменение масс во времени во всей Вселенной, можно прийти к выводам о существовании новых форм относительно стабильной материи, новым типам делимости материи, что и будет составлять сущность вечно меняющейся Вселенной. Может ли современная физика элементарных частиц уловить эти изменения на Земле и во Вселенной в наше время - это подлежит научной проверке. Вводя в теорию новые принципы развития Вселенной, мы придем к совершенно новому лагранжиану взаимодействия элементарных частиц, поймем, что дальше некоторого временного предела и назад, и вперед мы, находясь на Земле, Вселенную изучить не можем, поскольку законы ее развития менялись на разных этапах в прошлом пока не известным нам путем и будут меняться в будущем тоже пока не известным образом и только проникновение человека в космос (лично или его приборов) на дальние расстояния позволит расширить наши знания о путях развития Вселенной и приспособить род человеческий к ее эволюции. Ныне существующий довольно прямолинейный и я бы даже сказал примитивный способ использования стандартной модели для сценария развития Вселенной в виде Большого взрыва уступит место не менее захватывающему и динамичному сценарию, когда одна форма стабильности материи в одной из областей Вселенной будет в грандиозных масштабах превращаться в другую форму стабильности и когда эволюционные периоды развития материи в отдельных областях Вселенной могут сменяться фантастическими по своим размерам катаклизмами.

Отказ от принципа тождественности элементарных частиц приведет к обычному пониманию причинности, наступит эра пересмотра ряда статистических закономерностей. Разброс «тождественных» частиц по массам вместе с признанием принципа изменения масс во времени внесет в понимание развития Вселенной, да и самой жизни на Земле, тот необходимый принцип необратимости явлений во времени, который все мы признаем и испытываем на себе, но от которого сегодня отказываемся при описании явлений в физике микромира. Таким образом, P-нечетность, T-неинвариантность, ныне существующие в теории, получат естественное толкование.

В современной физике элементарных частиц предполагается, что масса элементарной частицы определяется ее взаимодействием с себе подобными или какими-либо другими частицами. Это предположение вместе с принципом тождественности элементарных частиц логически

приводит к представлению об абсолютной неподвижности Вселенной. Действительно, во Вселенной существует огромное число пар электронов, тождественных по массе, спину, четности, заряду (или пар других тождественных частиц, например пар протонов и т.д.). Если скорости частиц пары будут разными, то можно найти такую систему координат, в которой они будут двигаться с одинаковыми скоростями относительно начала координат этой системы. Но тогда вся остальная часть Вселенной обязана двигаться симметрично относительно данной пары электронов, чтобы «обеспечить» тождественность их масс. Так как тождественных пар частиц во Вселенной бесконечно много, то будет бесконечно много точек, относительно которых движения всех частей Вселенной должны быть симметричными. Разумным образом удовлетворить такому представлению о движении всех частей Вселенной можно, пожалуй, только предполагая, наоборот, неподвижность всех тел во Вселенной. Очевидно, проще отказаться от принципа тождественности элементарных частиц, либо от постулата о зависимости масс частиц от взаимодействия с другими частицами, чем признать неподвижность тел во Вселенной.

Мы не знаем, изменяется ли масса частиц во Вселенной в зависимости от времени и пространства. Нам трудно предположить, как будут меняться законы физики, химии, биологии и других наук в связи с изменением масс во времени и пространстве. Следовательно, остается неизвестной и эволюция Вселенной. Можно, в частности, предположить, что красное смещение спектральных линий, наблюдаемое в астрофизике, связано не только с расширением Вселенной, но и изменением масс элементарных частиц во Вселенной в зависимости от времени и пространства.

Еще в 1932 году наблюдалась реакция γ+ядро→ядро+(е+е -), т.е. наблюдалось превращение γ-кванта в пару (е+е -), без затраты энергии на создание электрического заряда. Природа более шестидесяти лет назад указала на принципиальную возможность рождения элементарной единицы электричества в соударении элементарных частиц, но у нас до сих пор нет ясного представления о динамике возникновения заряда, о природе происхождения электричества. Носителем заряда является масса, однако размер заряда не зависит от величины массы элементарной частицы - он всегда равен ±±е. Современные экспериментальные данные указывают на следующие закономерности :

1) в свободном состоянии все нейтральные частицы с массой покоя, отличной от нуля, нестабильны;

2) в свободном состоянии стабильные частицы с массой покоя, не равной нулю (протон, электрон и их античастицы), имеют электрический заряд.

Из этих закономерностей следует, что

1) если заряд нейтрино равен нулю, а его масса отлична от нуля, то нейтрино - нестабильная частица;

2) если нейтрино имеет массу покоя, отличную от нуля, и нейтрино - стабильная частица, то у нейтрино должен быть отличный от нуля электрический заряд, каким бы малым он ни был. Заряженные нейтрино тоже могут быть нестабильными. Однако после цепочки возможных распадов должны оставаться стабильные заряженные нейтрино, ибо, как мы знаем, единственным носителем заряда является масса. Естественнее всего, конечно, предположить, что у нейтрино нет электрического заряда и его масса равна нулю.

Итак, современная теория физики элементарных частиц не имеет решения ряда крупных физических проблем: происхождение массы, электрического заряда, тождественности масс частиц, изменение массы элементарных частиц во времени и некоторых других. Естественно, надо считаться с тем, что некоторые проблемы не могут быть решены на сегодняшнем этапе развития науки - для них не настало время. Можно привести исторический пример. В конце ХIХ - начале ХХ вв. теоретиками обсуждалась проблема структуры атома и электрона. Модель строения атома была дана Резерфордом. Структура электрона рассматривалась в начале ХХ в. в работах Абрагама, Лоренца, Пуанкаре. Однако до сих пор физики считают электрон точечной частицей, и у них нет необходимости отказаться от этого представления.

В цитированной мной в начале статьи книге Макс Борн пишет: «... Человек Запада, не в пример созерцательному жителю Востока, любит рискованную жизнь и физика является одним из его рискованных предприятий» . Я не знаю к человеку какого типа (западного или восточного) относит Макс Борн российских физиков, но из его высказывания видно, что чтобы стать настоящими физиками, российские физики обязаны рисковать и в том числе в области создания новой теории физики элементарных частиц. Если в основу теории были бы положены некоторые из упомянутых мною идей и выше названных закономерностей (например, отказ от тождественности элементарных частиц, изменение масс частиц во времени и пространстве, переход энергии в массу и др.), то теория элементарных частиц могла бы пойти иным путем, обогатившись новыми, вполне реальными закономерностями.

Примечания

Schweber S.S. Physics, community and the crisis in physical theory // physics today. 1993. November. P. 34-40.

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.

Неустойчивость структуры Вселенной к численному значению фундаментальных постоянных отражает некий принцип, названный нами принципом целесообразности: законы физики, действующие во Вселенной не только достаточны, но и необходимы для образования и существования в ней основных се элементов: электронов, нуклонов, атомов, звезд и галактик. Хотя этот принцип и является модификацией антропного принципа , однако на наш взгляд принцип целесообразности имеет сравнительно с первым - одно существенное преимущество. В его основе лежат представления об относительно хорошо изученных физических объектах, а не возникновение или существование жизни (или тем более разума) объекта весьма далекого, по крайней мере, на нынешнем этапе развития науки, от физики. Именно это обстоятельство и является, на наш взгляд, причиной относительно слабой связи антропного принципа с теорией элементарных частиц, а, следовательно, и тесно связанной с ней - космологией.
Здесь мы кратко изложим приложение принципа целесообразности к решению проблем физики элементарных частиц и сделаем одно важное, на наш взгляд, предсказание, основанное на принципе целесообразности.
Изложение этого принципа, а также его приложение к решению некоторых проблем физики элементарных частиц см. в работах . Здесь мы ограничимся перечислением проблем физики элементарных частиц, весьма краткими комментариями и указанием на метод их решения на основе принципа целесообразности. Во многих оригинальных статьях и обзорах указывается на многие проблемы в теории элементарных частиц (5-Sj.
Перечислим основные проблемы физики элементарных частиц. Иерархия масс элементарных частиц. Существование трех поколений лептонов. Относительная малость безразмерных констант электромагнитного, слабого и гравитационного взаимодействия, сравнительное единицей. Выбор Природой калибровочной группы SU(3)xSU(2)x U(l), лежащей в основе объединенного взаимодействия. Малое (а, может быть, и нулевое) значение энергии вакуума. Размерность N физического макроскопического пространства. Представим, далее, кратко решение некоторых из перечисленных здесь проблем.
Вопрос об иерархии, сводится к вопросу: почему масса Х-бозо- на, определяющего большое объединение столь велика сравнительно с массой тр протона. На основе принципа целесообразности предлагается следующее решение проблемы. Время жизни tp протона с логарифмической точностью определяется следующим соотношением: tp ~ тх4 (знак пропорциональности).
Следовательно, если, например, масса Х-бозона была бы на несколько порядков меньше, чем в нашей Вселенной, то его время жизни было бы меньше времени существования Вселенной и все протоны (а, следовательно, и атомы) распались бы4 Важнейшей проблемой является существование трех, и именно трех, поколений лептонов (электрон, мюон и t-лептон). Однако, в рамках современной теории именно существование трех (или более) поколений лептонов необходимо для существования нарушения комбинированной четности (CP-нарушение). Однако, после известной работы А.Д. Сахарова стало общепризнанным, что CP-нарушение необходимо для возникновения во Вселенной барионной асимметрии, т.е. существования протонов. Если бы число поколений было бы меньше трех, то число протонов и антипротонов было бы одинаковым, что привело бы к их аннигиляции.
Очень давно (в 1917 г.) II. Эренфест отметил, что в эвклидовых пространствах с размерностью N gt; 3 не могут существовать устойчивые аналоги атомов и планетных систем. Поскольку при N lt; 3 не могут возникнуть сложные структуры, то N = 3 является единственной размерностью, при которой реализуются основные устойчивые элементы Вселенной.
Аналогично, на основе принципа целесообразности, решаются и другие сформулированные выше проблемы физики элементарных частиц.
Таким образом, мы должны заключить: с высокой степенью вероятности существуют другие Вселенные с иными значениями фундаментальных постоянных (см. также часть 1).

Еще по теме 2. Проблемы теории элементарных частиц:

1. 1. Проблема рационализации общества в «критической теории»
2. 3.2. Проблема ценностей в социально-психологической теории

Министерство Российской Федерации

Саратовский Юридический институт

Самарский филиал

кафедра ПИ и ПКТРП

Реферат

На тему: ” Элементарные частицы ”

Выполнил: курсант 421 уч.группы

рядовой милиции

Сизоненко А.А.

Проверил: преподаватель кафедры

Кузнецов С.И.

Самара 2002

План

1) Введение.

2)

3) Основные свойства элементарных частиц. Классы взаимодействий.

4)

5)

а) Унитарная симметрия.

б) Кварковая модель адронов

6)

7) Заключение. Некоторые общие проблемы теории элементарных частиц.

Введение .

Э. ч. в точном значении этого термина - первичные, далее неразложимые частицы, из которых, по предположению, состоит вся материя. В понятии "Э. ч." в современной физике находит выражение идея о первообразных сущностях, определяющих все известные свойства материального мира, идея, зародившаяся на ранних этапах становления естествознания и всегда игравшая важную роль в его развитии.

Понятие "Э. ч." сформировалось в тесной связи с установлением дискретного характера строения вещества на микроскопическом уровне. Обнаружение на рубеже 19-20 вв. мельчайших носителей свойств вещества - молекул и атомов - и установление того факта, что молекулы построены из атомов, впервые позволило описать все известные вещества как комбинации конечного, хотя и большого, числа структурных составляющих - атомов. Выявление в дальнейшем наличия составных слагающих атомов - электронов и ядер, установление сложной природы ядер, оказавшихся построенными всего из двух типов частиц (протонов и нейтронов), существенно уменьшило количество дискретных элементов, формирующих свойства вещества, и дало основание предполагать, что цепочка составных частей материи завершается дискретными бесструктурными образованиями - Э. ч. Такое предположение, вообще говоря, является экстраполяцией известных фактов и сколько-нибудь строго обосновано быть не может. Нельзя с уверенностью утверждать, что частицы, элементарные в смысле приведённого определения, существуют. Протоны и нейтроны, например, длительное время считавшиеся Э. ч., как выяснилось, имеют сложное строение. Не исключена возможность того, что последовательность структурных составляющих материи принципиально бесконечна. Может оказаться также, что утверждение "состоит из..." на какой-то ступени изучения материи окажется лишённым содержания. От данного выше определения "элементарности" в этом случае придется отказаться. Существование Э. ч. - это своего рода постулат, и проверка его справедливости - одна из важнейших задач физики.

Термин "Э. ч." часто употребляется в современной физике не в своём точном значении, а менее строго - для наименования большой группы мельчайших частиц материи, подчинённых условию, что они не являются атомами или атомными ядрами (исключение составляет простейшее ядро атома водорода - протон). Как показали исследования, эта группа частиц необычайно обширна. Помимо упоминавшихся протона (р), нейтрона (n) и электрона (e -) к ней относятся: фотон (g), пи-мезоны (p), мюоны (m), нейтрино трёх типов (электронное v e , мюонное v m и связанное с т. н. тяжёлым лептоном v t), т. н. странные частицы (К-мезоны и гипероны), разнообразные резонансы, открытые в 1974-77 y-частицы, "очарованные" частицы, ипсилон-частицы (¡) и тяжёлые лептоны (t + , t -) - всего более 350 частиц, в основном нестабильных. Число частиц, включаемых в эту группу, продолжает расти и, скорее всего, неограниченно велико; при этом большинство перечисленных частиц не удовлетворяет строгому определению элементарности, поскольку, по современным представлениям, они являются составными системами (см. ниже). Использование названия "Э. ч." ко всем этим частицам имеет исторические причины и связано с тем периодом исследований (начало 30-х гг. 20 в.), когда единственно известными представителями данной группы были протон, нейтрон, электрон и частица электромагнитного поля - фотон. Эти четыре частицы тогда естественно было считать элементарными, т. к. они служили основой для построения окружающего нас вещества и взаимодействующего с ним электромагнитного поля, а сложная структура протона и нейтрона не была известна.

Открытие новых микроскопических частиц материи постепенно разрушило эту простую картину. Вновь обнаруженные частицы, однако, во многих отношениях были близки к первым четырём известным частицам. Объединяющее их свойство заключается в том, что все они являются специфическими формами существования материи, не ассоциированной в ядра и атомы (иногда по этой причине их называют "субъядерными частицами"). Пока количество таких частиц было не очень велико, сохранялось убеждение, что они играют фундаментальную роль в строении материи, и их относили к категории Э. ч. Нарастание числа субъядерных частиц, выявление у многих из них сложного строения показало, что они, как правило, не обладают свойствами элементарности, но традиционное название "Э. ч." за ними сохранилось.

В соответствии со сложившейся практикой термин "Э. ч." будет употребляться ниже в качестве общего назв. субъядерных частиц. В тех случаях, когда речь будет идти о частицах, претендующих на роль первичных элементов материи, при необходимости будет использоваться термин "истинно Э. ч.".

Краткие исторические сведения.

Открытие Э. ч. явилось закономерным результатом общих успехов в изучении строения вещества, достигнутых физикой в конце 19 в. Оно было подготовлено всесторонними исследованиями оптических спектров атомов, изучением электрических явлений в жидкостях и газах, открытием фотоэлектричества, рентгеновских лучей, естественной радиоактивности, свидетельствовавших о существовании сложной структуры материи.

Исторически первой открытой Э. ч. был электрон - носитель отрицательного элементарного электрического заряда в атомах. В 1897 Дж. Дж. Томсон установил, что т. н. катодные лучи образованы потоком мельчайших частиц, которые были названы электронами. В 1911 Э. Резерфорд, пропуская альфа-частицы от естественного радиоактивного источника через тонкие фольги различных веществ, выяснил, что положительный заряд в атомах сосредоточен в компактных образованиях - ядрах, а в 1919 обнаружил среди частиц, выбитых из атомных ядер, протоны - частицы с единичным положительным зарядом и массой, в 1840 раз превышающей массу электрона. Другая частица, входящая в состав ядра, - нейтрон - была открыта в 1932 Дж. Чедвиком при исследованиях взаимодействия a-частиц с бериллием. Нейтрон имеет массу, близкую к массе протона, но не обладает электрическим зарядом. Открытием нейтрона завершилось выявление частиц - структурных элементов атомов и их ядер.

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

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

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

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

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

С начала 50-х гг. ускорители превратились в основной инструмент для исследования Э. ч. В 70-х гг. энергии частиц, разогнанных на ускорителях, составили десятки и сотни млрд. электронвольт (Гэв ). Стремление к увеличению энергий частиц обусловлено тем, что высокие энергии открывают возможность изучения строения материи на тем меньших расстояниях, чем выше энергия сталкивающихся частиц. Ускорители существенно увеличили темп получения новых данных и в короткий срок расширили и обогатили наше знание свойств микромира. Применение ускорителей для изучения странных частиц позволило более детально изучить их свойства, в частности особенности их распада, и вскоре привело к важному открытию: выяснению возможности изменения характеристик некоторых микропроцессов при операции зеркального отражения (см. Пространственная инверсия) - т. н. нарушению пространств. чётности (1956). Ввод в строй протонных ускорителей с энергиями в миллиарды эв позволил открыть тяжёлые античастицы: антипротон (1955), антинейтрон (1956), антисигма-гипероны (1960). В 1964 был открыт самый тяжёлый гиперон W - (с массой около двух масс протона). В 1960-х гг. на ускорителях было открыто большое число крайне неустойчивых (по сравнению с др. нестабильными Э. ч.) частиц, получивших название "резонансов". Массы большинства резонансов превышают массу протона. Первый из них D 1 (1232) был известен с 1953. Оказалось, что резонансы составляют основная часть Э. ч.

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

В 1974 были обнаружены массивные (в 3-4 протонные массы) и в то же время относительно устойчивые y-частицы, с временем жизни, необычно большим для резонансов. Они оказались тесно связанными с новым семейством Э. ч. - "очарованных", первые представители которого (D 0 , D + , L с) были открыты в 1976. В 1975 были получены первые сведения о существовании тяжёлого аналога электрона и мюона (тяжёлого лептона t). В 1977 были открыты ¡-частицы с массой порядка десятка протонных масс.

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

Изучение внутреннего строения материи и свойств Э. ч. с первых своих шагов сопровождалось радикальным пересмотром многих устоявшихся понятий и представлений. Закономерности, управляющие поведением материи в малом, оказались настолько отличными от закономерностей классической механики и электродинамики, что потребовали для своего описания совершенно новых теоретических построений. Такими новыми фундаментальными построениями в теории явились частная (специальная) и общая теория относительности (А. Эйнштейн, 1905 и 1916; см. Относительности теория, Тяготение) и квантовая механика (1924-27; Н. Бор, Л. де Бройль, В. Гейзенберг, Э. Шрёдингер, М. Борн). Теория относительности и квантовая механика знаменовали собой подлинную революцию в науке о природе и заложили основы для описания явлений микромира. Однако для описания процессов, происходящих с Э. ч., квантовой механики оказалось недостаточно. Понадобился следующий шаг - квантование классических полей (т. н. квантование вторичное) и разработка квантовой теории поля. Важнейшими этапами на пути её развития были: формулировка квантовой электродинамики (П. Дирак, 1929), квантовой теории b-распада (Э. Ферми, 1934), положившей начало современной теории слабых взаимодействий, квантовой мезодинамики (Юкава, 1935). Непосредственной предшественницей последней была т. н. b-теория ядерных сил (И. Е. Тамм, Д. Д. Иваненко, 1934; см. Сильные взаимодействия). Этот период завершился созданием последовательного вычислительного аппарата квантовой электродинамики (С. Томонага, Р. Фейнман, Ю. Швингер; 1944-49), основанного на использовании техники перенормировки (см. Квантовая теория поля). Эта техника была обобщена впоследствии применительно к другим вариантам квантовой теории поля.

Квантовая теория поля продолжает развиваться и совершенствоваться и является основой для описания взаимодействий Э. ч. У этой теории имеется ряд существенных успехов, и всё же она ещё очень далека от завершённости и не может претендовать на роль всеобъемлющей теории Э. ч. Происхождение многих свойств Э. ч. и природа присущих им взаимодействий в значительной мере остаются неясными. Возможно, понадобится ещё не одна перестройка всех представлений и гораздо более глубокое понимание взаимосвязи свойств микрочастиц и геометрических свойств пространства-времени, прежде чем теория Э. ч. будет построена.

Основные свойства элементарных частиц. Классы взаимодействий.

Все Э. ч. являются объектами исключительно малых масс и размеров. У большинства из них массы имеют порядок величины массы протона, равной 1,6×10 -24 г (заметно меньше лишь масса электрона: 9×10 -28 г). Определённые из опыта размеры протона, нейтрона, p-мезона по порядку величины равны 10 -13 см. Размеры электрона и мюона определить не удалось, известно лишь, что они меньше 10 -15 см. Микроскопические массы и размеры Э. ч. лежат в основе квантовой специфики их поведения. Характерные длины волн, которые следует приписать Э. ч. в квантовой теории (, где - постоянная Планка, m - масса частицы, с - скорость света) по порядку величин близки к типичным размерам, на которых осуществляется их взаимодействие (например, для p-мезона 1,4×10 -13 см). Это и приводит к тому, что квантовые закономерности являются определяющими для Э. ч.

Наиболее важное квантовое свойство всех Э. ч. - их способность рождаться и уничтожаться (испускаться и поглощаться) при взаимодействии с др. частицами. В этом отношении они полностью аналогичны фотонам. Э. ч. - это специфические кванты материи, более точно - кванты соответствующих физических полей (см. ниже). Все процессы с Э. ч. протекают через последовательность актов их поглощения и испускания. Только на этой основе можно понять, например, процесс рождения p + -мезона при столкновении двух протонов (р + р ® р + n+ p +) или процесс аннигиляции электрона и позитрона, когда взамен исчезнувших частиц возникают, например, два g-кванта (е + +е - ® g + g). Но и процессы упругого рассеяния частиц, например е - +p ® е - + р, также связаны с поглощением начальных частиц и рождением конечных частиц. Распад нестабильных Э. ч. на более лёгкие частицы, сопровождаемый выделением энергии, отвечает той же закономерности и является процессом, в котором продукты распада рождаются в момент самого распада и до этого момента не существуют. В этом отношении распад Э. ч. подобен распаду возбуждённого атома на атом в основном состоянии и фотон. Примерами распадов Э. ч. могут служить: ; p + ® m + + v m ; К + ® p + + p 0 (знаком "тильда" над символом частицы здесь и в дальнейшем помечены соответствующие античастицы).

Различные процессы с Э. ч. заметно отличаются по интенсивности протекания. В соответствии с этим взаимодействия Э. ч. можно феноменологически разделить на несколько классов: сильные, электромагнитные и слабые взаимодействия. Все Э. ч. обладают, кроме того, гравитационным взаимодействием.

Сильные взаимодействия выделяются как взаимодействия, которые порождают процессы, протекающие с наибольшей интенсивностью среди всех остальных процессов. Они приводят и к самой сильной связи Э. ч. Именно сильные взаимодействия обусловливают связь протонов и нейтронов в ядрах атомов и обеспечивают исключительную прочность этих образований, лежащую в основе стабильности вещества в земных условиях.

Электромагнитные взаимодействия характеризуются как взаимодействия, в основе которых лежит связь с электромагнитным полем. Процессы, обусловленные ими, менее интенсивны, чем процессы сильных взаимодействий, а порождаемая ими связь Э. ч. заметно слабее. Электромагнитные взаимодействия, в частности, ответственны за связь атомных электронов с ядрами и связь атомов в молекулах.

Слабые взаимодействия, как показывает само название, вызывают очень медленно протекающие процессы с Э. ч. Иллюстрацией их малой интенсивности может служить тот факт, что нейтрино, обладающие только слабыми взаимодействиями, беспрепятственно пронизывают, например, толщу Земли и Солнца. Слабые взаимодействия обусловливают также медленные распады т. н. квазистабильных Э. ч. Времена жизни этих частиц лежат в диапазоне 10 -8 -10 -10 сек, тогда как типичные времена для сильных взаимодействий Э. ч. составляют 10 -23 -10 -24 сек.

Гравитационные взаимодействия, хорошо известные по своим макроскопическим проявлениям, в случае Э. ч. на характерных расстояниях ~10 -13 см дают чрезвычайно малые эффекты из-за малости масс Э. ч.

Силу различных классов взаимодействий можно приближённо охарактеризовать безразмерными параметрами, связанными с квадратами констант соответствующих взаимодействий. Для сильных, электромагнитных, слабых и гравитационных взаимодействий протонов при средней энергии процесса ~1 Гэв эти параметры соотносятся как 1:10 -2: l0 -10:10 -38 . Необходимость указания средней энергии процесса связана с тем, что для слабых взаимодействий безразмерный параметр зависит от энергии. Кроме того, сами интенсивности различных процессов по-разному зависят от энергии. Это приводит к тому, что относительная роль различных взаимодействий, вообще говоря, меняется с ростом энергии взаимодействующих частиц, так что разделение взаимодействий на классы, основанное на сравнении интенсивностей процессов, надёжно осуществляется при не слишком высоких энергиях. Разные классы взаимодействий имеют, однако, и другую специфику, связанную с различными свойствами их симметрии (см. Симметрия в физике), которая способствует их разделению и при более высоких энергиях. Сохранится ли такое деление взаимодействий на классы в пределе самых больших энергий, пока остаётся неясным.

В зависимости от участия в тех или иных видах взаимодействий все изученные Э. ч., за исключением фотона, разбиваются на две основные группы: адроны (от греческого hadros - большой, сильный) и лептоны (от греческого leptos - мелкий, тонкий, лёгкий). Адроны характеризуются прежде всего тем, что они обладают сильными взаимодействиями, наряду с электромагнитными и слабыми, тогда как лептоны участвуют только в электромагнитных и слабых взаимодействиях. (Наличие общих для той и другой группы гравитационных взаимодействий подразумевается.) Массы адронов по порядку величины близки к массе протона (т р); минимальную массу среди адронов имеет p-мезон: т p "м 1/7×т р. Массы лептонов, известных до 1975-76, были невелики (0,1 m p), однако новейшие данные, видимо, указывают на возможность существования тяжёлых лептонов с такими же массами, как у адронов. Первыми исследованными представителями адронов были протон и нейтрон, лептонов - электрон. Фотон, обладающий только электромагнитными взаимодействиями, не может быть отнесён ни к адронам, ни к лептонам и должен быть выделен в отд. группу. По развиваемым в 70-х гг. представлениям фотон (частица с нулевой массой покоя) входит в одну группу с очень массивными частицами - т. н. промежуточными векторными бозонами, ответственными за слабые взаимодействия и пока на опыте не наблюдавшимися (см. раздел Элементарные частицы и квантовая теория поля).

Характеристики элементарных частиц.

Каждая Э. ч., наряду со спецификой присущих ей взаимодействий, описывается набором дискретных значений определённых физических величин, или своими характеристиками. В ряде случаев эти дискретные значения выражаются через целые или дробные числа и некоторый общий множитель - единицу измерения; об этих числах говорят как о квантовых числах Э. ч. и задают только их, опуская единицы измерения.

Общими характеристиками всех Э. ч. являются масса (m), время жизни (t), спин (J) и электрический заряд (Q). Пока нет достаточного понимания того, по какому закону распределены массы Э. ч. и существует ли для них какая-то единица измерения.

В зависимости от времени жизни Э. ч. делятся на стабильные, квазистабильные и нестабильные (резонансы). Стабильными, в пределах точности современных измерений, являются электрон (t > 5×10 21 лет), протон (t > 2×10 30 лет), фотон и нейтрино. К квазистабильным относят частицы, распадающиеся за счёт электромагнитных и слабых взаимодействий. Их времена жизни > 10 -20 сек (для свободного нейтрона даже ~ 1000 сек). Резонансами называются Э. ч., распадающиеся за счёт сильных взаимодействий. Их характерные времена жизни 10 -23 -10 -24 сек. В некоторых случаях распад тяжёлых резонансов (с массой ³ 3 Гэв) за счёт сильных взаимодействий оказывается подавленным и время жизни увеличивается до значений - ~10 -20 сек.

Спин Э. ч. является целым или полуцелым кратным от величины. В этих единицах спин p- и К-мезонов равен 0, у протона, нейтрона и электрона J= 1/2, у фотона J = 1. Существуют частицы и с более высоким спином. Величина спина Э. ч. определяет поведение ансамбля одинаковых (тождественных) частиц, или их статистику (В. Паули, 1940). Частицы полуцелого спина подчиняются Ферми - Дирака статистике (отсюда название фермионы), которая требует антисимметрии волновой функции системы относительно перестановки пары частиц (или нечётного числа пар) и, следовательно, "запрещает" двум частицам полуцелого спина находиться в одинаковом состоянии (Паули принцип). Частицы целого спина подчиняются Бозе - Эйнштейна статистике (отсюда название бозоны), которая требует симметрии волновой функции относительно перестановок частиц и допускает нахождение любого числа частиц в одном и том же состоянии. Статистические свойства Э. ч. оказываются существенными в тех случаях, когда при рождении или распаде образуется несколько одинаковых частиц. Статистика Ферми - Дирака играет также исключительно важную роль в структуре ядер и определяет закономерности заполнения электронами атомных оболочек, лежащие в основе периодической системы элементов Д. И. Менделеева.

Электрические заряды изученных Э. ч. являются целыми кратными от величины е "1,6×10 -19 к, называются элементарным электрическим зарядом. У известных Э. ч. Q = 0, ±1, ±2.

Помимо указанных величин Э. ч. дополнительно характеризуются ещё рядом квантовых чисел, называются внутренними. Лептоны несут специфический лептонный заряд L двух типов: электронный (L e) и мюонный (L m); L e = +1 для электрона и электронного нейтрино, L m = +1 для отрицательного мюона и мюонного нейтрино. Тяжёлый лептон t; и связанное с ним нейтрино, по-видимому, являются носителями нового типа лептонного заряда L t .

Для адронов L = 0, и это ещё одно проявление их отличия от лептонов. В свою очередь, значительные части адронов следует приписать особый барионный заряд В (|Е| = 1). Адроны с В = +1 образуют подгруппу барионов (сюда входят протон, нейтрон, гипероны, барионные резонансы), а адроны с В = 0 - подгруппу мезонов (p- и К-мезоны, бозонные резонансы). Название подгрупп адронов происходит от греческих слов barýs - тяжёлый и mésos - средний, что на начальном этапе исследований Э. ч. отражало сравнительные величины масс известных тогда барионов и мезонов. Более поздние данные показали, что массы барионов и мезонов сопоставимы. Для лептонов В = 0. Для фотона В = 0 и L = 0.

Барионы и мезоны подразделяются на уже упоминавшиеся совокупности: обычных (нестранных) частиц (протон, нейтрон, p-мезоны), странных частиц (гипероны, К-мезоны) и очарованных частиц. Этому разделению отвечает наличие у адронов особых квантовых чисел: странности S и очарования (английское charm) Ch с допустимыми значениями: 151 = 0, 1, 2, 3 и |Ch| = 0, 1, 2, 3. Для обычных частиц S = 0 и Ch = 0, для странных частиц |S| ¹ 0, Ch = 0, для очарованных частиц |Ch| ¹ 0, а |S| = 0, 1, 2. Вместо странности часто используется квантовое число гиперзаряд Y = S + В, имеющее, по-видимому, более фундаментальное значение.

Уже первые исследования с обычными адронами выявили наличие среди них семейств частиц, близких по массе, с очень сходными свойствами по отношению к сильным взаимодействиям, но с различными значениями электрического заряда. Протон и нейтрон (нуклоны) были первым примером такого семейства. Позднее аналогичные семейства были обнаружены среди странных и (в 1976) среди очарованных адронов. Общность свойств частиц, входящих в такие семейства, является отражением существования у них одинакового значения специального квантового числа - изотопического спина I, принимающего, как и обычный спин, целые и полуцелые значения. Сами семейства обычно называются изотопическими мультиплетами. Число частиц в мультиплете (п)связано с I соотношением: n = 2I + 1. Частицы одного изотопического мультиплета отличаются друг от друга значением "проекции" изотопического спина I 3 , и

Важной характеристикой адронов является также внутренняя чётность Р, связанная с операцией пространств, инверсии: Р принимает значения ±1.

Для всех Э. ч. с ненулевыми значениями хотя бы одного из зарядов О, L, В, Y (S) и очарования Ch существуют античастицы с теми же значениями массы т, времени жизни t, спина J и для адронов изотопического спина 1, но с противоположными знаками всех зарядов и для барионов с противоположным знаком внутренней чётности Р. Частицы, не имеющие античастиц, называются абсолютно (истинно) нейтральными. Абсолютно нейтральные адроны обладают специальным квантовым числом - зарядовой чётностью (т. е. чётностью по отношению к операции зарядового сопряжения) С со значениями ±1; примерами таких частиц могут служить фотон и p 0 .

Квантовые числа Э. ч. разделяются на точные (т. е. такие, которые связаны с физическими величинами, сохраняющимися во всех процессах) и неточные (для которых соответствующие физические величины в части процессов не сохраняются). Спин J связан со строгим законом сохранения момента количества движения и потому является точным квантовым числом. Другие точные квантовые числа: Q, L, В; по современным данным, они сохраняются при всех превращениях Э. ч. Стабильность протона есть непосредственное выражение сохранения В (нет, например, распада р ® е + + g). Однако большинство квантовых чисел адронов неточные. Изотопический спин, сохраняясь в сильных взаимодействиях, не сохраняется в электромагнитных и слабых взаимодействиях. Странность и очарование сохраняются в сильных и электромагнитных взаимодействиях, но не сохраняются в слабых взаимодействиях. Слабые взаимодействия изменяют также внутреннюю и зарядовую чётности. С гораздо большей степенью точности сохраняется комбинированная чётность СР, однако и она нарушается в некоторых процессах, обусловленных слабыми взаимодействиями. Причины, вызывающие несохранение многих квантовых чисел адронов, неясны и, по-видимому, связаны как с природой этих квантовых чисел, так и с глубинной структурой электромагнитных и слабых взаимодействий. Сохранение или несохранение тех или иных квантовых чисел - одно из существенных проявлений различий классов взаимодействий Э. ч.

Классификация элементарных частиц.

Унитарная симметрия. Классификация лептонов пока не представляет проблем, большое же число адронов, известных уже в начале 50-х гг., явилось основанием для поиска закономерностей в распределении масс и квантовых чисел барионов и мезонов, которые могли бы составить основу их классификации. Выделение изотопических мультиплетов адронов было первым шагом на этом пути. С математической точки зрения группировка адронов в изотопические мультиплеты отражает наличие у них симметрии, связанной с группой вращения (см. Группа), более формально, с группой SU (2) - группой унитарных преобразований в комплексном двумерном пространстве. Предполагается, что эти преобразования действуют в некотором специфическом внутреннем пространстве - "изотопическом пространстве", отличном от обычного. Существование изотопического пространства проявляется только в наблюдаемых свойствах симметрии. На математическом языке изотопические мультиплеты суть неприводимые представления группы симметрии SU (2).

Концепция симметрии как фактора, определяющего существование различных групп и семейств Э. ч., в современной теории является доминирующей при классификации адронов и других Э. ч. Предполагается, что внутренние квантовые числа Э. ч., позволяющие выделять те или иные группы частиц, связаны со специальными типами симметрий, возникающими за счёт свободы преобразований в особых "внутренних" пространствах. Отсюда и происходит название "внутренние квантовые числа".

Внимательное рассмотрение показывает, что странные и обычные адроны в совокупности образуют более широкие объединения частиц с близкими свойствами, чем изотопические мультиплеты. Они называются супермультиплетами. Число частиц, входящих в наблюдаемые супермультиплеты, равно 8 и 10. С точки зрения симметрий возникновение супермультиплетов истолковывается как проявление существования у адронов группы симметрии более широкой, чем группа SU (2), а именно: SU (3) - группы унитарных преобразований в трёхмерном комплексном пространстве (М. Гелл-Ман и независимо Ю. Нееман, 1961). Соответствующая симметрия получила назв. унитарной симметрии. Группа SU (3)имеет, в частности, неприводимые представления с числом компонент 8 и 10, отвечающие наблюдаемым супермультиплетам: октету и декуплету. Примерами могут служить следующие группы частиц с одинаковыми значениями J P:

Общими для всех частиц в супермультиплете являются значения двух величин, которые по математической природе близки к изотопическому спину и поэтому часто называются унитарным спином. Для октета значения связанных с этими величинами квантовых чисел равны (1, 1), для декуплета - (3, 0).

Унитарная симметрия менее точная, чем изотопическая симметрия. В соответствии с этим различие в массах частиц, входящих в октеты и декуплеты, довольно значительно. По этой же причине разбиение адронов на супермультиплеты сравнительно просто осуществляется для Э. ч. не очень высоких масс. При больших массах, когда имеется много различных частиц с близкими массами, это разбиение осуществляется менее надёжно. Однако в свойствах Э. ч. имеется много разнообразных проявлений унитарной симметрии.

Включение в систематику Э. ч. очарованных адронов позволяет говорить о сверхсупермультиплетах и о существовании ещё более широкой симметрии, связанной с унитарной группой SU (4). Примеры до конца заполненных сверхсупермультиплетов пока отсутствуют. SU (4)-симметрия нарушена ещё сильнее, чем SU (3)-симметрия, и её проявления выражены слабее.

Обнаружение у адронов свойств симметрии, связанных с унитарными группами, и закономерностей разбиения на мультиплеты, отвечающих строго определённым представлениям указанных групп, явилось основой для вывода о существовании у адронов особых структурных элементов - кварков.

Кварковая модель адронов. Развитие работ по классификации адронов с первых своих шагов сопровождалось попытками выделить среди них частицы более фундаментальные, чем остальные, которые могли бы стать основой для построения всех адронов. Начало этой линии исследования было положено Э. Ферми и Ян Чжэнь-нином (1949), которые предположили, что такими фундаментальными частицами являются нуклон (N) и антинуклон (), a p-мезоны есть их связанные состояния (). При дальнейшем развитии этой идеи в число фундаментальных частиц были включены также странные барионы (М. А. Марков, 1955; японский физик С. Саката, 1956; Л. Б. Окунь, 1957). Модели, построенные на этой основе, хорошо описывали мезонные мультиплеты, но не давали правильного описания мультиплетов барионов. Важнейший элемент данных моделей - использование для "построения" адронов небольшого числа фермионов - органически вошёл в модель, которая наиболее успешно решает задачу описания всех адронов, - кварковую модель (австрийский физик Г. Цвейг и независимо М. Гелл-Ман, 1964).

В первоначальном варианте в основу модели было положено предположение, что все известные адроны построены из трёх типов частиц спина 1 / 2 , названных р-, n-, l-кварками, не принадлежащих к числу наблюдавшихся адронов и обладающих весьма необычными свойствами. Название "кварки" заимствовано из романа Дж. Джойса (см. Кварки). Современный вариант модели предполагает существование как минимум четырёх типов кварков. Четвёртый кварк необходим для описания очарованных адронов.

Идея кварков подсказана унитарной симметрией. Математическая структура унитарных групп открывает возможность описания всех представлений группы SU (n ) (и, следовательно, всех мультиплетов адронов) на основе самого простого представления группы, содержащего n компонент. В случае группы SU (3)таких компонент три. Необходимо только допустить наличие частиц, связанных с этим простейшим представлением. Эти частицы и есть кварки. Кварковый состав мезонов и барионов был выведен из того факта, что супермультиплеты мезонов содержат, как правило, 8 частиц, а барионов - 8 и 10 частиц. Эта закономерность легко воспроизводится, если предположить, что мезоны составлены из кварка q и антикварка - символически: , а барионы из трёх кварков - символически: В = (qqq ). В силу свойств группы SU (3) 9 мезонов разбиваются на супермультиплеты из 1 и 8 частиц, а 27 барионов - на супермультиплеты, содержащие 1, 10 и дважды по 8 частиц, что и объясняет наблюдаемую выделенность октетов и декуплетов.

Добавление к схеме четвёртого кварка (и, если окажется необходимым, новых дополнительных кварков) осуществляется при сохранении основного предположения кварковой модели о строении адронов:

В = (qqq ).

Все экспериментальные данные хорошо соответствуют приведённому кварковому составу адронов. Имеются, видимо, лишь небольшие отклонения от этой структуры, которые не влияют существенным образом на свойства адронов.

Указанная структура адронов и математические свойства кварков, как объектов, связанных с определённым (простейшим) представлением группы SU (4), приводят к след. квантовым числам кварков (табл. 2). Обращают внимание необычные - дробные - значения электрического заряда Q , а также В, S и Y , не встречающиеся ни у одной из наблюдавшихся Э. ч. С индексом a у каждого типа кварка q i (i = 1, 2, 3, 4) связана особая характеристика кварков - "цвет", которой нет у изученных адронов. Индекс a принимает значения 1, 2, 3, т, е. каждый тип кварка q i представлен тремя разновидностями q i a (Н. Н. Боголюбов с сотрудниками, 1965; американские физики И. Намбу и М. Хан, 1965; японский физик И. Миямото, 1965). Квантовые числа каждого типа кварка не меняются при изменении "цвета" и поэтому табл. 2 относится к кваркам любого "цвета".

Всё многообразие адронов возникает за счёт различных сочетаний р -, п-, g- и с -кварков, образующих связанные состояния. Обычным адронам соответствуют связанные состояния, построенные только из р- и n -кварков [для мезонов с возможным участием комбинаций и ]. Наличие в связанном состоянии наряду с р - и n -кварками одного g- или с -кварка означает, что соответствующий адрон странный (S = -1) или очарованный (Ch = + 1). В состав бариона может входить два и три g -кварка (соответственно с -кварка), т. е. возможны дважды и трижды странные (очарованные) барионы. Допустимы также сочетания различного числа g- и с- кварков (особенно в барионах), которые соответствуют "гибридным" формам адронов ("странно-очарованным"). Очевидно, что чем больше g- или с -кварков содержит адрон, тем он тяжелее. Если сравнивать основные (не возбуждённые) состояния адронов, именно такая картина и наблюдается (см. табл. 1, а также табл. 3 и 5).

Поскольку спин кварков равен 1 / 2 , приведённая выше кварковая структура адронов имеет своим следствием целочисленный спин у мезонов и полуцелый - у барионов, в полном соответствии с экспериментом. При этом в состояниях, отвечающих орбитальному моменту l = 0, в частности в основных состояниях, значения спина мезонов должны равняться 0 или 1 (для антипараллельной ґ¯ и параллельной ґґ ориентации спинов кварков), а спина барионов - 1 / 2 или 3 / 2 (для спиновых конфигураций ¯ґґ и ґґґ). С учётом того, что внутренняя чётность системы кварк-антикварк отрицательна, значения J P для мезонов при l = 0 равны 0 - и 1 - , для барионов - 1 / 2 + и 3 / 2 + . Именно эти значения J P наблюдаются у адронов, имеющих наименьшую массу при заданных значениях I и Y (см. табл. 1).

Поскольку индексы i, k, l в структурных формулах пробегают значения 1, 2, 3, 4, число мезонов M ik с заданным спином должно быть равно 16. Для барионов B ikl максимально возможное число состояний при заданном спине (64) не реализуется, т. к. в силу принципа Паули при данном полном спине разрешены только такие трёхкварковые состояния, которые обладают вполне определённой симметрией относительно перестановок индексов i, k, 1, а именно: полностью симметричные для спина 3 / 2 и смешанной симметрии для спина 1 / 2 . Это условие при l = 0 отбирает 20 барионных состояний для спина 3 / 2 и 20 - для спина 1 / 2 .

Более подробное рассмотрение показывает, что значение кваркового состава и свойств симметрии кварковой системы даёт возможность определить все основные квантовые числа адрона (J, Р, В, Q, I, Y, Ch ), за исключением массы; определение массы требует знания динамики взаимодействия кварков и массы кварков, которое пока отсутствует.

Правильно передавая специфику адронов с наименьшими массами и спинами при заданных значениях Y и Ch, кварковая модель естественным образом объясняет также общее большое число адронов и преобладание среди них резонансов. Многочисленность адронов - отражение их сложного строения и возможности существования различных возбуждённых состояний кварковых систем. Не исключено, что число таких возбуждённых состояний неограниченно велико. Все возбуждённые состояния кварковых систем неустойчивы относительно быстрых переходов за счёт сильных взаимодействий в нижележащие состояния. Они и образуют основную часть резонансов. Небольшую долю резонансов составляют также кварковые системы с параллельной ориентацией спинов (за исключением W -). Кварковые конфигурации с антипараллельной ориентацией спинов, относящиеся к осн. состояниям, образуют квазистабильные адроны и стабильный протон.

Возбуждения кварковых систем происходят как за счёт изменения вращательного движения кварков (орбитальные возбуждения), так и за счёт изменения их пространств. расположения (радиальные возбуждения). В первом случае рост массы системы сопровождается изменением суммарного спина J и чётности Р системы, во втором случае увеличение массы происходит без изменения J P . Например, мезоны с J P = 2 + являются первым орбитальным возбуждением (l = 1) мезонов с J P = 1 - . Соответствие 2 + мезонов и 1 - мезонов одинаковых кварковых структур хорошо прослеживается на примере многих пар частиц:

Мезоны r" и y" - примеры радиальных возбуждений r- и y-мезонов соответственно (см.

Орбитальные и радиальные возбуждения порождают последовательности резонансов, отвечающие одной и той же исходной кварковой структуре. Отсутствие надёжных сведений о взаимодействии кварков не позволяет пока производить количественные расчеты спектров возбуждений и делать какие-либо заключения о возможном числе таких возбуждённых состояний.При формулировке кварковой модели кварки рассматривались как гипотетические структурные элементы, открывающие возможность очень удобного описания адронов. В дальнейшем были проведены эксперименты, которые позволяют говорить о кварках как о реальных материальных образованиях внутри адронов. Первыми были эксперименты по рассеянию электронов нуклонами на очень большие углы. Эти эксперименты (1968), напоминающие классические опыты Резерфорда по рассеянию a-частиц на атомах, выявили наличие внутри нуклона точечных заряженных образований. Сравнение данных этих экспериментов с аналогичными данными по рассеянию нейтрино на нуклонах (1973-75) позволило сделать заключение о средней величине квадрата электрического заряда этих точечных образований. Результат оказался удивительно близким к величине 1 / 2 [(2 / 3 e ) 2 +(1 / 3 e ) 2 ]. Изучение процесса рождения адронов при аннигиляции электрона и позитрона, который предположительно идёт через последовательность процессов: ® адроны, указало на наличие двух групп адронов, генетически связанных с каждым из образующихся кварков, и позволило определить спин кварков. Он оказался равным 1/2. Общее число рожденных в этом процессе адронов свидетельствует также о том, что в промежуточном состоянии возникают кварки трёх разновидностей, т. е. кварки трёхцветны.

Т. о., квантовые числа кварков, введённые на основании теоретических соображений, получили подтверждение в ряде экспериментов. Кварки постепенно приобретают статус новых Э. ч. Если дальнейшие исследования подтвердят это заключение, то кварки являются серьёзными претендентами на роль истинно Э. ч. для адронной формы материи. До длин ~ 10 -15 см кварки выступают как точечные бесструктурные образования. Число известных видов кварков невелико. В дальнейшем оно может, конечно, измениться: нельзя поручиться за то, что при более высоких энергиях не будут обнаружены адроны с новыми квантовыми числами, обязанные своим существованием новым типам кварков. Обнаружение Y -мезонов подтверждает эту точку зрения. Но вполне возможно, что увеличение числа кварков будет небольшим, что общие принципы накладывают ограничения на полное число кварков, хотя эти ограничения пока неизвестны. Бесструктурность кварков также, возможно, отражает лишь достигнутый уровень исследования этих материальных образований. Однако ряд специфических особенностей кварков даёт некоторые основания предполагать, что кварки являются частицами, замыкающими цепь структурных составляющих материи.

От всех других Э. ч. кварки отличаются тем, что в свободном состоянии они пока не наблюдались, хотя имеются свидетельства их существования в связанном состоянии. Одной из причин ненаблюдения кварков может быть их очень большая масса, что препятствует их рождению при энергиях современных ускорителей. Не исключено, однако, что кварки принципиально, в силу специфики их взаимодействия, не могут находиться в свободном состоянии. Существуют доводы теоретического и экспериментального характера в пользу того, что силы, действующие между кварками, не ослабляются с расстоянием. Это означает, что для отделения кварков друг от друга требуется бесконечно большая энергия, или, иначе, возникновение кварков в свободном состоянии невозможно. Невозможность выделить кварки в свободном состоянии делает их совершенно новым типом структурных единиц вещества. Неясно, например, можно ли ставить вопрос о составных частях кварков, если сами кварки нельзя наблюдать в свободном состоянии. Возможно, что в этих условиях части кварков физически вообще не проявляются и поэтому кварки выступают как последняя ступень дробления адронной материи.

Элементарные частицы и квантовая теория поля.

Для описания свойств и взаимодействий Э. ч. в современной теории существенное значение имеет понятие физ. поля, которое ставится в соответствие каждой частице. Поле есть специфическая форма материи; оно описывается функцией, задаваемой во всех точках (х )пространства-времени и обладающей определёнными трансформационными свойствами по отношению к преобразованиям группы Лоренца (скаляр, спинор, вектор и т. д.) и групп "внутренних" симметрий (изотопический скаляр, изотопический спинор и т. д.). Электромагнитное поле, обладающее свойствами четырёхмерного вектора А m (х) (m = 1, 2, 3, 4), - исторически первый пример физического поля. Поля, сопоставляемые с Э. ч., имеют квантовую природу, т. е. их энергия и импульс слагаются из множества отд. порций - квантов, причём энергия E k и импульс p k кванта связаны соотношением специальной теории относительности: E k 2 = p k 2 c 2 + m 2 c 2 . Каждый такой квант и есть Э. ч. с заданной энергией E k , импульсом p k и массой т. Квантами электромагнитного поля являются фотоны, кванты других полей соответствуют всем остальным известным Э. ч. Поле, т. о., есть физическое отражение существования бесконечной совокупности частиц - квантов. Специальный математический аппарат квантовой теории поля позволяет описать рождение и уничтожение частицы в каждой точке х.

Трансформационные свойства поля определяют все квантовые числа Э. ч. Трансформационные свойства по отношению к преобразованиям пространства-времени (группе Лоренца) задают спин частиц. Так, скаляру соответствует спин 0, спинору - спин 1 / 2 , вектору - спин 1 и т. д. Существование таких квантовых чисел, как L, В, 1, Y, Ch и для кварков и глюонов "цвет", следует из трансформационных свойств полей по отношению к преобразованиям "внутренних пространств" ("зарядового пространства", "изотопического пространства", "унитарного пространства" и т. д.). Существование "цвета" у кварков, в частности, связывается с особым "цветным" унитарным пространством. Введение "внутренних пространств" в аппарате теории - пока чисто формальный приём, который, однако, может служить указанием на то, что размерность физического пространства-времени, отражающаяся в свойствах Э. ч., реально больше четырёх - размерности пространства-времени, характерной для всех макроскопических физических процессов. Масса Э. ч. не связана непосредственно с трансформационными свойствами полей; это дополнительная их характеристика.

Для описания процессов, происходящих с Э. ч., необходимо знать, как различные физические поля связаны друг с другом, т. е. знать динамику полей. В современном аппарате квантовой теории поля сведения о динамике полей заключены в особой величине, выражающейся через поля - лагранжиане (точнее, плотности лагранжиана) L. Знание L позволяет в принципе рассчитывать вероятности переходов от одной совокупности частиц к другой под влиянием различных взаимодействий. Эти вероятности даются т. н. матрицей рассеяния (В. Гейзенберг, 1943), выражающейся через L. Лагранжиан L состоит из лагранжиана L вз, описывающего поведение свободных полей, и лагранжиана взаимодействия L вз, построенного из полей разных частиц и отражающего возможность их взаимопревращений. Знание L вз является определяющим для описания процессов с Э. ч.

Вид L вз однозначно определяется трансформационными свойствами полей относительной группы Лоренца и требованием инвариантности относительно этой группы (релятивистская инвариантность). В течение длительного времени не были, однако, известны критерии для нахождения L вз (за исключением электромагнитных взаимодействий), а сведения о взаимодействиях Э. ч., полученные из эксперимента, в большинстве случаев не позволяли осуществить надёжный выбор между различными возможностями. В этих условиях широкое распространение получил феноменологический подход к описанию взаимодействий, основанный либо на выборе простейших форм L вз, ведущих к наблюдаемым процессам, либо на прямом изучении характерных свойств элементов матрицы рассеяния. На этом пути был достигнут значительный успех в описании процессов с Э. ч. для различных выделенных областей энергий. Однако многие параметры теории заимствовались из эксперимента, а сам подход не мог претендовать на универсальность.

В период 50-70-х гг. был достигнут значительный прогресс в понимании структуры L вз, который позволил существенно уточнить его форму для сильных и слабых взаимодействий. Решающую роль в этом продвижении сыграло выяснение тесной связи между свойствами симметрии взаимодействий Э. ч. и формой L вз.

Симметрия взаимодействий Э. ч. находит своё отражение в существовании законов сохранения определённых физических величин и, следовательно, в сохранении связанных с ними квантовых чисел Э. ч. (см. Сохранения законы). Точная симметрия, имеющая место для всех классов взаимодействий, отвечает наличию у Э. ч. точных квантовых чисел; приближённая симметрия, характерная лишь для некоторых классов взаимодействий (сильных, электромагнитных), приводит к неточным квантовым числам. Отмечавшееся выше различие классов взаимодействий в отношении сохранения квантовых чисел Э. ч. отражает различия в свойствах их симметрии.

Известная форма L вз эл. м. для электромагнитных взаимодействий есть следствие существования очевидной симметрии лагранжиана L относительно умножения комплексных полей j заряженных частиц, входящих в него в комбинациях типа j*j (здесь * означает комплексное сопряжение), на множитель e ia , где a - произвольное действительное число. Эта симметрия, с одной стороны, порождает закон сохранения электрического заряда, с другой стороны, если требовать выполнения симметрии при условии, что a произвольно зависит от точки х пространства-времени, однозначно приводит к лагранжиану взаимодействия:

L вз эл. м. = j m эл. м. (x) A m (x) (1)

где j m эл. м. - четырёхмерный электромагнитный ток (см. Электромагнитные взаимодействия). Как выяснилось, этот результат имеет общее значение. Во всех случаях, когда взаимодействия проявляют "внутреннюю" симметрию, т. е. лагранжиан инвариантен относительно преобразований "внутреннего пространства", а у Э. ч. возникают соответствующие квантовые числа, следует требовать, чтобы инвариантность имела место при любой зависимости параметров преобразования от точки х (т. н. локальная калибровочная инвариантность; Ян Чжэнь-нин, американский физик Р. Миллс, 1954). Физически это требование связано с тем, что взаимодействие не может мгновенно передаваться от точки к точке. Указанное условие удовлетворяется, когда среди полей, входящих в лагранжиан, присутствуют векторные поля (аналоги A m (x)), изменяющиеся при преобразованиях "внутренней" симметрии и взаимодействующие с полями частиц вполне определённым образом, а именно:

L вз = å r=1 n j m r (x) V m r (x), (2)

где j m r (x) - токи, составленные из полей частиц, V m r (x) - векторные поля, называются часто калибровочными полями. Т. о., требование локальности "внутренней" симметрии фиксирует форму L вз и выделяет векторные поля как универсальные переносчики взаимодействий. Свойства векторных полей и их число "n" определяются свойствами группы "внутренней" симметрии. Если симметрия точная, то масса кванта поля V m r равна 0. Для приближенной симметрии масса кванта векторного поля отлична от нуля. Вид тока j m r определяется полями частиц с ненулевыми квантовыми числами, связанными с группой "внутренней" симметрии.

На основании изложенных принципов оказалось возможным подойти к вопросу о взаимодействии кварков в нуклоне. Эксперименты по рассеянию нейтрино и антинейтрино на нуклоне показали, что импульс нуклона лишь частично (примерно на 50%) переносится кварками, а остальная его часть переносится другим видом материи, которая не взаимодействует с нейтрино. Предположительно эта часть материи состоит из частиц, которыми обмениваются кварки и за счёт которых они удерживаются в нуклоне. Эти частицы получили название "глюонов" (от английского glue - клей). С изложенной выше точки зрения на взаимодействия эти частицы естественно считать векторными. В современной теории их существование связывается с симметрией, обусловливающей появление "цвета" у кварков. Если эта симметрия точная (цветная SU (3)-симметрия), то глюоны - безмассовые частицы и их число равно восьми (американский физик И. Намбу, 1966). Взаимодействие кварков с глюонами даётся L вз со структурой (2), где ток j m r составлен из полей кварков. Имеется и основание предполагать, что взаимодействие кварков, обусловленное обменом безмассовыми глюонами, приводит к силам между кварками, не убывающим с расстоянием, но строго это не доказано.

Принципиально знание взаимодействия между кварками могло бы явиться основой для описания взаимодействия всех адронов между собой, т. е. всех сильных взаимодействий. Это направление в физике адронов быстро развивается.

Использование принципа определяющей роли симметрии (в т. ч. приближённой) в формировании структуры взаимодействия позволило также продвинуться в понимании природы лагранжиана слабых взаимодействий. Одновременно была вскрыта глубокая внутренняя связь слабых и электромагнитных взаимодействий. В указанном подходе наличие пар лептонов с одинаковым лептонным зарядом: е - , v e и m - , v m , но различными массами и электрическими зарядами расценивается не как случайное, а как отражающее существование нарушенной симметрии типа изотонической (группа SU (2)). Применение принципа локальности к этой "внутренней" симметрии приводит к характерному лагранжиану (2), в котором одновременно возникают члены, ответственные за электромагнитное и слабое взаимодействия (американский физик С. Вайнберг, 1967; А. Салам, 1968):

L вз = j m эл. м. + A m + j m сл. з. W m + + j m сл. з. W m - + j m сл. н. Z m 0 (3)

Здесь j m сл. з. , j m сл. н. - заряженный и нейтральный токи слабых взаимодействий, построенные из полей лептонов, W m + , W m - , Z m 0 - поля массивных (из-за нарушенности симметрии) векторных частиц, которые в этой схеме являются переносчиками слабых взаимодействий (т. н. промежуточные бозоны), A m - поле фотона. Идея существования заряженного промежуточного бозона была выдвинута давно (Х. Юкава, 1935). Важно, однако, что в данной модели единой теории электрон магнитного и слабого взаимодействий заряженный промежуточный бозон появляется на равной основе с фотоном и нейтральным промежуточным бозоном. Процессы слабых взаимодействий, обусловленные нейтральными токами, были обнаружены в 1973, что подтверждает правильность только что изложенного подхода к формулировке динамики слабых взаимодействий. Возможны и другие варианты написания лагранжиана L вз сл с большим числом нейтральных и заряженных промежуточных бозонов; для окончательного выбора лагранжиана экспериментальных данных ещё недостаточно.

Экспериментально промежуточные бозоны пока не обнаружены. Из имеющихся данных массы W ± и Z 0 для модели Вайнберга - Салама оцениваются примерно в 60 и 80 Гэв.

Электромагнитное и слабое взаимодействия кварков можно описать в рамках модели, аналогичной модели Вайнберга - Салама. Рассмотрение на этой основе электромагнитных и слабых взаимодействий адронов даёт хорошее соответствие наблюдаемым данным. Общей проблемой при построении таких моделей является неизвестное пока полное число кварков и лептонов, что не позволяет определить тип исходной симметрии и характер её нарушения. Поэтому очень важны дальнейшие экспериментальные исследования.

Единое происхождение электромагнитных и слабых взаимодействий означает, что в теории исчезает как независимый параметр константа слабых взаимодействий. Единственной константой остаётся электрический заряд е. Подавленность слабых процессов при небольших энергиях объясняется большой массой промежуточных бозонов. При энергиях в системе центра масс, сравнимых с массами промежуточных бозонов, эффекты электромагнитных и слабых взаимодействий должны быть одного порядка. Последние, однако, будут отличаться несохранением ряда квантовых чисел (P, Y, Ch и т. д.).

Имеются попытки рассмотреть на единой основе не только электромагнитные и слабые, но также и сильные взаимодействия. Исходным для таких попыток является предположение об единой природе всех видов взаимодействий Э. ч. (без гравитационного). Наблюдаемые сильные различия между взаимодействиями считаются обусловленными значительным нарушением симметрии. Эти попытки ещё недостаточно разработаны и сталкиваются с серьёзными трудностями, в частности в объяснении различий свойств кварков и лептонов.

Развитие метода получения лагранжиана взаимодействия, основанного на использовании свойств симметрии, явилось важным шагом на пути, ведущем к динамической теории Э. ч. Есть все основания думать, что калибровочные теории поля явятся существенным составным элементом дальнейших теоретических построений.

Заключение

Некоторые общие проблемы теории элементарных частиц. Новейшее развитие физики Э. ч. явно выделяет из всех Э. ч. группу частиц, которые существенным образом определяют специфику процессов микромира. Эти частицы - возможные кандидаты на роль истинно Э. ч. К их числу принадлежат: частицы со спином 1 / 2 - лептоны и кварки, а также частицы со спином 1 - глюоны, фотон, массивные промежуточные бозоны, осуществляющие разные виды взаимодействий частиц со спином 1 / 2 . В эту группу скорее всего следует также включить частицу со спином 2 - гравитон; квант гравитационного поля, связывающий все Э. ч. В этой схеме многие вопросы, однако, требуют дальнейшего исследования. Неизвестно, каково полное число лептонов, кварков и различных векторных (с J = 1) частиц и существуют ли физические принципы, определяющие это число. Неясны причины деления частиц со спином 1 / 2 на 2 различные группы: лептоны и кварки. Неясно происхождение внутренних квантовых чисел лептонов и кварков (L, В, 1, Y, Ch) и такой характеристики кварков и глюонов, как "цвет". С какими степенями свободы связаны внутренние квантовые числа? С обычным четырёхмерным пространством-временем связаны только такие характеристики Э. ч., как J и Р. Какой механизм определяет массы истинно Э. ч.? Чем обусловлено наличие у Э. ч. различных классов взаимодействий с различными свойствами симметрии? Эти и другие вопросы предстоит решить будущей теории Э. ч.

Описание взаимодействий Э. ч., как отмечалось, связано с калибровочными теориями поля. Эти теории имеют развитый математический аппарат, который позволяет производить расчёты процессов с Э. ч. (по крайней мере принципиально) на том же уровне строгости, как и в квантовой электродинамике. Но в настоящем своём виде калибровочные теории поля обладают одним серьёзным недостатком, общим с квантовой электродинамикой, - в них в процессе вычислений появляются бессмысленные бесконечно большие выражения. С помощью специального приёма переопределения наблюдаемых величин (массы и заряда) - перенормировки - удаётся устранить бесконечности из окончательных результатов вычислений. В наиболее хорошо изученной электродинамике это пока не сказывается на согласии предсказаний теории с экспериментом. Однако процедура перенормировки- чисто формальный обход трудности, существующей в аппарате теории, которая на каком-то уровне точности должна сказаться на степени согласия расчётов с измерениями.

Появление бесконечностей в вычислениях связано с тем, что в лагранжианах взаимодействий поля разных частиц отнесены к одной точке х, т. е. предполагается, что частицы точечные, а четырёхмерное пространство-время остаётся плоским вплоть до самых малых расстояний. В действительности указанные предположения, по-видимому, неверны по нескольким причинам: а) истинно Э. ч., вероятнее всего, - материальные объекты конечной протяжённости; б) свойства пространства-времени в малом (в масштабах, определяемых т. н. фундаментальной длиной) скорее всего радикально отличны от его макроскопических свойств; в) на самых малых расстояниях (~10 -33 см) сказывается изменение геометрических свойств пространства-времени за счёт гравитации. Возможно, эти причины тесно связаны между собой. Так, именно учёт гравитации наиболее естественно приводит к размерам истинно Э. ч. порядка 10 -33 см, а фундамент, длина l 0 может быть связана с гравитационной постоянной f: " 10 -33 см. Любая из этих причин должна привести к модификации теории и устранению бесконечностей, хотя практическое выполнение этой модификации может быть весьма сложным.

Очень интересным представляется учёт влияния гравитации на малых расстояниях. Гравитационное взаимодействие может не только устранять расходимости в квантовой теории поля, но и обусловливать само существование первообразующих материи (М. А. Марков, 1966). Если плотность вещества истинно Э. ч. достаточно велика, гравитационное притяжение может явиться тем фактором, который определяет устойчивое существование этих материальных образований. Размеры таких образований должны быть ~10 -33 см. В большинстве экспериментов они будут вести себя как точечные объекты, их гравитационное взаимодействие будет ничтожно мало и проявится лишь на самых малых расстояниях, в области, где существенно изменяется геометрия пространства.

Т. о., наметившаяся тенденция к одновременному рассмотрению различных классов взаимодействий Э. ч. скорее всего должна быть логически завершена включением в общую схему гравитационного взаимодействия. Именно на базе одновременного учёта всех видов взаимодействий наиболее вероятно ожидать создания будущей теории Э. ч.

Список используемой литературы

1) Марков М.А. О природе материи. М., 1976

2) Газиорович С. Физика элементарных частиц, пер. с английского, М. 1969

3) Коккедэ Я., Теория кварков, пер. с англ., М., 1971

4) И., Иоффе Б. Л., Окунь Л. Б., Новые элементарные частицы, "Успехи физических наук", 1975, т. 117, в. 2, с. 227

5) Боголюбов Н. Н., Ширков Д. В., Введение в теорию квантованных полей, 3 изд., М., 1976;

6) Новости фундаментальной физики, пер. с англ., М., 1977, с 120-240 .