Интелигентност на субатомни частици. Суперсила

Парадокси на руския живот Законите и логиката не работят в Русия, защото основният закон у нас е сърцето, центърът, където се сливат всички противоположности. Сърцето съди света, хората и явленията, въз основа на единството на света и нещата, следователно няма закони за него,

Глава 14 Сънища, които ни събуждат (Или сънища-парадокси) ПРОРОЧЕСКИ, или предсказващи сънища, най-често различаваме по ярко оцветяване и острота на усещанията. Но същото важи и за ПАРАДОКСАЛНОСТТА на сюжет или изображение... Да се ​​върнем на нашата Алиса. Ще извадя парадоксално свързани изображения от контекста

Глава 3. Парадоксите на дълголетието През лятото на 2013 г. учените направиха сензационна прогноза: буквално за 10 години средната продължителност на живота на човек може да се удвои, а в дългосрочен план е възможно да се победи стареенето и след това смъртта Немски учени от Кил

Частиците, които изграждат атомите, могат да се представят по различни начини – например под формата на кръгли прахови частици. Те са толкова малки, че всяко такова зрънце прах не може да се разглежда отделно. Цялата материя в околния свят се състои от такива частици. Кои са частиците, които изграждат атомите?

Определение

Субатомната частица е една от онези „тухли“, от които е изграден целият свят. Тези частици включват протони и неутрони, които са част от атомните ядра. Към тази категория принадлежат и електроните, въртящи се около ядрата. С други думи, субатомните частици във физиката са протони, неутрони и електрони. В света, познат на човека, като правило, частици от друг вид не се срещат - те живеят необичайно кратко. Когато възрастта им свърши, те се разпадат на обикновени частици.

Броят на тези субатомни частици, които живеят за сравнително кратко време, днес е в стотици. Техният брой е толкова голям, че учените вече не използват обичайните имена за тях. Подобно на звездите, често им се приписват цифрови и азбучни обозначения.

Основни характеристики

Спин, електрически заряд и маса са сред най-важните характеристики на всяка субатомна частица. Тъй като теглото на една частица често се свързва с масата, някои от частиците традиционно се наричат ​​"тежки". Уравнението на Айнщайн (E = mc2) показва, че масата на субатомната частица директно зависи от нейната енергия и скорост. Що се отнася до електрическия заряд, той винаги е кратен на основната единица. Например, ако зарядът на протон е +1, тогава зарядът на електрона е -1. Въпреки това, някои от субатомните частици, като фотон или неутрино, изобщо нямат електрически заряд.

Друга важна характеристика е животът на частиците. Съвсем наскоро учените бяха уверени, че електроните, фотоните, както и неутрино и протони са идеално стабилни и животът им е почти безкраен. Това обаче не е съвсем вярно. Неутронът, например, остава стабилен само докато не бъде "освободен" от ядрото на атома. След това животът му е средно 15 минути. Всички нестабилни частици преминават през процес на квантов разпад, който никога не може да бъде напълно предвидим.

Изследване на частици

Атомът се смяташе за неделим - докато не беше открита неговата структура. Преди около век Ръдърфорд прави своите известни експерименти, които се състоят в бомбардиране на тънък лист.Оказа се, че атомите на материята са практически празни. А в центъра на атома е всичко, което наричаме ядро ​​на атома – то е около хиляда пъти по-малко от самия атом. По това време учените вярвали, че атомът се състои от два вида частици - ядрото и електроните.

С течение на времето учените имат въпрос: защо протонът, електронът и позитронът се слепват и не се разпадат в различни посоки под въздействието на кулоновите сили? И също така за учените от онова време остава неясно: ако тези частици са елементарни, тогава нищо не може да им се случи и те трябва да живеят вечно.

С развитието на квантовата физика изследователите са открили, че неутронът е подложен на разпад и в същото време доста бърз. Разпада се на протон, електрон и нещо друго, което не може да бъде уловено. Последното беше забелязано от липсата на енергия. Тогава учените предположиха, че списъкът с елементарни частици е изчерпан, но сега е известно, че това далеч не е така. Открита е нова частица, наречена неутрино. Той не носи електрически заряд и има изключително ниска маса.

Неутрон

Неутронът е субатомна частица, която има неутрален електрически заряд. Масата му е почти 2000 пъти по-голяма от масата на електрона. Тъй като неутроните принадлежат към класа на неутралните частици, те взаимодействат директно с ядрата на атомите, а не с техните електронни обвивки. Неутроните също имат магнитен момент, който позволява на учените да изследват микроскопичната магнитна структура на материята. Неутронното лъчение е безвредно дори за биологичните организми.

Субатомна частица - протон

Учените са открили, че тези "тухли материя" се състоят от три кварка. Протонът е положително заредена частица. Масата на протона надвишава масата на електрона с 1836 пъти. Един протон и един електрон, когато се комбинират, образуват най-простия химичен елемент - водородния атом. Доскоро се смяташе, че протоните не могат да променят радиуса си в зависимост от това кои електрони орбитират над тях. Протонът е електрически заредена частица. Свързвайки се с електрон, той се превръща в неутрон.

електрон

Електронът е открит за първи път от английския физик Дж. Томсън през 1897 г. Тази частица, както смятат сега учените, е елементарен или точков обект. Това е името на субатомна частица в атом, която няма собствена структура - не се състои от никакви други, по-малки компоненти. В съюз с протон и неутрон, електронът образува атом. Сега учените все още не са разбрали от какво се състои тази частица. Електронът е частица, която има безкрайно малък електрически заряд. Самата дума "електрон" в превод от древногръцки означава "кехлибар" - в края на краищата учените от Елада са използвали кехлибар, за да изследват явленията на електричеството. Този термин е предложен от британския физик през 1894 г. Дж. Стоуни.

Защо да изучаваме елементарните частици?

Най-простият отговор на въпроса защо учените трябва да знаят за субатомните частици е: да имат информация за вътрешната структура на атома. Това твърдение обаче съдържа само зрънце истина. Всъщност учените изучават не само вътрешната структура на атома - основното поле на тяхното изследване е сблъсъкът на най-малките частици материя. Когато тези частици, които притежават огромна енергия, се сблъскват една с друга с висока скорост, буквално се ражда нов свят, а фрагментите от материята, останали след сблъсъците, помагат да се разкрият тайните на природата, които винаги са оставали загадка за учените.

Субатомни електрони, протони на частици и неутрони

Първата съвременна атомистична теория е изложена от Джон Далтън. Той предположи, че всеки химичен елемент се състои от атоми, които са еднакви по размер и маса. Предполага се, че тези частици са неделими и непроменени в хода на химическа реакция. Далтон приписва на атомите на елементи като водород, кислород, азот и сяра определени относителни тегла (по-точно маси), а също така дава на всеки елемент специфичен символ.

В края на 19 век обаче са направени редица открития, които показват, че атомът изобщо не е неделима частица, а се състои от субатомни частици. Първото от тези открития се основава на изследването на лъчите, излъчвани от отрицателно зареден електрод. Съществуването на тези катодни лъчи е демонстрирано през 1870-те в серия от експерименти, извършени от Крукс и Голдщайн. Например, в експеримента на Крукс с турбина, катодните лъчи въртят малко работно колело върху стъклена суспензия. През 1895 г. Вилхелм Рентген открива рентгеновите лъчи, наречени по-късно рентгенови лъчи. На следващата година Антоан Анри Бекерел показа, че солта на урана спонтанно излъчва невидима радиация, подобна на рентгеновите лъчи; явлението се нарича радиоактивност. Рентген и Бекерел са удостоени с Нобелова награда за своите изследвания.

електрон.

Електронът е първата открита субатомна частица. През 1874 г. J. J. Stoney предполага, че електрическият ток е поток от отрицателно заредени частици, които той нарича електрони през 1891 г. Приоритетът на откриването на електрона обаче почти повсеместно се дава на Дж. Дж. Томсън, който определя специфичния заряд и относителната маса на електрона.

Джоузеф Джон Томсън, откривател на електрона през 1897 г. Нобелов лауреат по физика през 1906 г. Синът му, Джордж Пейджет Томсън, чрез изследванията си на дифракцията на електрони, преминаващи през златно фолио, потвърди теорията на Луи дьо Бройл, според която свободните електрони се държат и като вълни, и като частици. Дж. Пейджет Томсън, заедно с К. Дейвисън, получава Нобелова награда по физика през 1937 г. за откриването на дифракция на електрони от кристали.

Ориз. 1.1. Устройство на Томсън, 1 - катод (-); 2 - анод (+) с отвор; 3 - вторични електроди за отклоняване на катодни лъчи; 4 - отхвърлено място; 5 - неотхвърлено петно; 6 - луминесцентен екран.

Р. Е. Миликен.

R. S. Mulliken.

Понякога, поради сходството на фамилните имена, Миликан се бърка с Мъликен. И двамата са носители на Нобелова награда.

Робърт Андръс Миликън е американски физик, който определи заряда на електрон в експерименти с маслени капчици. В този експеримент той създава електрически заряди върху най-малките капчици масло, като ги излага на рентгенови лъчи. Капчиците бавно се утаяват в пространството между двете хоризонтални плочи на кондензатора. Масата на отделна капчица може да се определи чрез измерване на нейната скорост на падане. След това плочите на кондензатора бяха заредени и това доведе до промяна в скоростта на падане на заредените капчици. Измерването на скоростта на капчиците позволи на Миликан да изчисли зарядите върху тях. Въпреки че зарядите на капчиците не бяха еднакви, беше установено, че всички те са кратни на някаква стойност, която е зарядът на електрона. Миликан получава Нобелова награда по физика през 1923 г.

Робърт Сандерсън Мъликен - американски химик и физик, удостоен с Нобелова награда по химия през 1966 г. за теоретични изследвания на природата на химичната връзка и молекулярната структура. През 20-те години на миналия век той прилага квантовата механика към теоретичното описание на химическата връзка и интерпретацията на молекулярните спектри. По-специално, той въведе идеята за молекулярни орбитали и показа, че електроните могат да бъдат делокализирани върху връзките, описани от молекулярни орбитали (вижте глава 2).

Томсън открива електрона в резултат на изследване с катодни лъчи. На фиг. 1.1. След като създаде ниско налягане и високо напрежение (1500 V и повече) в разрядната тръба, Томсън получи катодни лъчи, които образуваха ясно видимо петно ​​​​на луминесцентния екран. Това петно ​​може да бъде отклонено настрани с помощта на електрическо поле, създадено от вторичните електроди. Петното също се отклони настрани под действието на магнитно поле, насочено перпендикулярно на електрическото поле (това не е показано на фигурата). Тези наблюдения доведоха Томсън до заключението, че катодните лъчи са поток от отрицателно заредени частици, наречени електрони. Чрез измерване на силата на магнитното и електрическото поле и съответните

Ориз. 1.2. Лъчи на канала, открити от Голдщайн. 1 - анод (+); 2 - катод (-) с отвори; 3 - вторичен електрод за отклоняване на каналните греди.

точкови отклонения. Томсън успя да изчисли съотношението заряд към маса за тези частици. Той установи, че независимо какъв газ е използван за пълнене на изпускателната тръба, стойността остава същата. На тази основа Томсън заключи, че атомите на всички елементи съдържат електрони.

През 1909 г. R.E. Миликан, провеждайки известните си експерименти с маслени капчици, определи заряда на електрона. В комбинация със стойността на съотношението, намерено от Томсън, това даде възможност да се изчисли масата на електрона. Приетите към момента стойности на тези количества са

протон.

Вторият за откриване на субатомни частици беше протонът. През 1886 г. Голдщайн наблюдава положително заредени лъчи, излъчвани от перфориран катод. Той ги нарече канални лъчи (фиг. 1.2).

През 1899 г. Ръдърфорд открива радиоактивността и радиацията. Приблизително по същото време Томсън предложи свой собствен модел на структурата на атома, който дава възможност да се обясни наличието на отрицателно и положително заредени части в атома (моделът на "сливов пудинг", виж по-долу).

Ърнест Ръдърфорд.

Ърнест Ръдърфорд е роден в Нова Зеландия на 30 август 1871 г. На 27-годишна възраст той става професор по физика в университета Макгил в Монреал, Канада и скоро става един от водещите експерти в бързо развиващата се област на изследване на радиоактивността. Той открива няколко радиоактивни елемента и установява наличието на два вида радиоактивни лъчения: и -радиация. Заедно с Фредерик Соди той открива, че радиоактивността има определен период на полуразпад. През 1907 г. Ръдърфорд се премества в Англия, където в университета в Манчестър през 1909 г., заедно с Ханс Гайгер, той за пореден път доказва, че -частиците са двойно заредени хелиеви йони. През 1908 г. Ръдърфорд получава Нобелова награда за изследване на радиоактивността. През 1910 г., заедно с Гайгер и Марсдън, той открива, че -частиците, преминаващи през тънко метално фолио, се отклоняват от първоначалната си посока на движение. Това откритие доведе Ръдърфорд през 1911 г. до създаването на нов, планетарен модел на структурата на атома. През 1914 г. той предполага съществуването на протона, а през 1920 г. предсказва съществуването на неутрона. За научни заслуги през 1914 г. Ръдърфорд, според английския обичай, е издигнат в рицарско звание, а през 1921 г. е награден с орден за заслуги. От 1915 до 1930 г. е президент на Лондонското кралско общество, а през 1931 г. получава звание пър. Ой умира на 19 октомври 1937 г. Ръдърфорд несъмнено е един от най-забележителните учени на 20-ти век.

Ориз. 1.3. Експеримент на Гайгер и Марсдън. а - разсейване на а-частици след преминаване през лист тънко златно фолио. Повечето частици преминават през фолиото без отклонение, но някои частици рикошират обратно към източника; b - според предположението на Ръдърфорд, рикоширащите частици изпитват сблъсък с ядрото на атома от неговото ядро. Това наблюдение накара Ръдърфорд да предложи нов модел на структурата на атома.

През 1909 г. Ръдърфорд показа, че радиацията, която е открил по-рано, се дължи на положително заредени хелиеви атоми. Установяването на истинската природа на тези положителни частици обаче става едва през 1914 г. след известния експеримент на Гайгер и Марсдън.

Ханс Гайгер и Ърнест Марсден бяха ученици на Ръдърфорд. През 1910 г. те провеждат експерименти, при които бомбардират тънки листове златно фолио с лъч а-частици (фиг. 1.3). Някои а-частици преминаха през фолиото без отклонение (линия A), докато други се отклониха от първоначалната си посока (линия B). За изненада на всички, приблизително 1 на 20 000 частици се отклониха назад (линия C). „Беше почти толкова невероятно“, каза Ръдърфорд по-късно, „като ако изстреляте 15-инчов снаряд по парче салфетка и снарядът рикошетира обратно и ви уцели. От този експеримент следва, че в центъра на атома има много малко положително заредено ядро, заобиколено от относително отдалечени светлинни отрицателно заредени електрони.

След това Ръдърфорд предсказва съществуването на протона и показва, че неговата маса трябва да бъде повече от 1800 пъти по-голяма от масата на електрона.

Неутрон.

Съществуването на неутрона е предсказано от Ръдърфорд през 1920 г., за да обясни разликата между атомната маса и атомния номер (виж по-долу). Неутронът е открит експериментално през 1932 г. от Дж. Чадуик, докато изучава резултатите

бомбардиране на берилий от а-частици. В същото време берилият излъчва частици с висока проникваща сила, които не се отклоняват в електрически и магнитни полета. Тъй като тези частици са неутрални, те се наричат ​​неутрони.

6. Светът на субатомните частици

Разделяне на атоми

Често се казва, че има два вида науки – големи науки и малки. Разцепването на атома е голяма наука. Разполага с гигантски експериментални съоръжения, колосални бюджети и получава лъвския пай от Нобеловите награди.

Защо физиците трябваше да разделят атома? Простият отговор – да разберем как работи атомът – съдържа само част от истината, но има и по-обща причина. Да се ​​говори буквално за разцепването на атома не е съвсем правилно. Реално говорим за сблъсък на високоенергийни частици. При сблъсъка на субатомни частици, движещи се с висока скорост, се ражда нов свят на взаимодействия и полета. Фрагменти от материя, носещи огромна енергия, разпръснати след сблъсъци, крият тайните на природата, които от „сътворението на света” останаха заровени в недрата на атома.

Инсталации, на които се извършват високоенергийни сблъсъци на частици - ускорители на частици - удивляват с размерите и цената си. Те достигат няколко километра в диаметър и в сравнение с тях дори лабораториите, в които се изучават сблъсъците на частици, изглеждат мънички. В други области на научните изследвания оборудването се намира в лабораторията, във физиката на високите енергии лабораториите са прикрепени към ускорителя. Наскоро Европейският център за ядрени изследвания (CERN), намиращ се близо до Женева, отпусна няколкостотин милиона долара за изграждането на пръстеновиден ускорител. Обиколката на изграждащия се за целта тунел достига 27 км. Ускорителят, наречен LEP (LEP, Large Electron-Positron ring - голям електрон-позитронен пръстен), е предназначен да ускорява електроните и техните античастици (позитрони) до скорости, които са само на косъм разстояние от скоростта на светлината. За да получите представа за мащаба на енергията, представете си, че вместо електрони монета от стотинка се ускорява до такива скорости. В края на цикъла на ускорение ще има достатъчно енергия, за да генерира електричество на стойност 1000 милиона долара! Не е изненадващо, че подобни експерименти обикновено се класифицират като "високоенергийна" физика. Придвижвайки се един към друг вътре в пръстена, лъчите от електрони и позитрони изпитват челни сблъсъци, при които електрони и позитрони се анихилират, освобождавайки енергия, достатъчна за създаване на десетки други частици.

Какви са тези частици? Някои от тях са самите „тухли“, от които сме изградени: протони и неутрони, които изграждат атомните ядра, и електрони, циркулиращи около ядрата. Други частици обикновено не се намират в материята около нас: техният живот е изключително кратък и след като изтече, те се разпадат на обикновени частици. Броят на разновидностите на такива нестабилни краткотрайни частици е удивителен: няколкостотин от тях вече са известни. Подобно на звездите, нестабилните частици са твърде много, за да бъдат разграничени „по име“. Много от тях са обозначени само с гръцки букви, а някои са просто цифри.

Важно е да се има предвид, че всички тези многобройни и разнообразни нестабилни частици в никакъв случай не са в буквалния смисъл съставни частипротони, неутрони или електрони. Сблъскващите се високоенергийни електрони и позитрони изобщо не се разпръскват в много субатомни фрагменти. Дори при сблъсъци на високоенергийни протони, които очевидно се състоят от други обекти (кварки), те като правило не се разделят на съставни части в обичайния смисъл. Това, което се случва при такива сблъсъци, е по-добре да се разглежда като директно производство на нови частици от енергията на сблъсъка.

Преди около двадесет години физиците бяха напълно озадачени от изобилието и разнообразието от нови субатомни частици, които сякаш нямаха край. Беше невъзможно да се разбере за каквотолкова много частици. Може би елементарните частици са като обитателите на зоопарка с имплицитната им принадлежност към семейства, но без ясна таксономия. Или може би, както вярват някои оптимисти, елементарните частици държат ключа към Вселената? Кои са частиците, наблюдавани от физиците: незначителни и произволни фрагменти от материя или очертания на смътно възприеман ред, които се появяват пред очите ни, което показва наличието на богата и сложна структура на подядрения свят? Днес няма съмнение за съществуването на такава структура. Микрокосмосът има дълбок и рационален ред и ние започваме да разбираме какво е значението на всички тези частици.

Първата стъпка към разбирането на микрокосмоса е направена в резултат на систематизирането на всички известни частици, точно както през 18 век. биолозите съставиха подробни каталози на растителни и животински видове. Най-важните характеристики на субатомните частици са маса, електрически заряд и спин.

Тъй като масата и теглото са свързани, частиците с голяма маса често се наричат ​​"тежки". връзка Айнщайн E \u003d mc ^ 2 показва, че масата на една частица зависи от нейната енергия и следователно от нейната скорост. Движещата се частица е по-тежка от частица в покой. Когато хората говорят за масата на частица, те го имат предвид. маса за почивка,тъй като тази маса е независима от състоянието на движение. Частица с нулева маса на покой се движи със скоростта на светлината. Най-очевидният пример за частица с нулева маса на покой е фотонът. Смята се, че електронът е най-леката от частиците с ненулева маса на покой. Протонът и неутронът са почти 2000 пъти по-тежки, докато масата на най-тежката частица, която е създадена в лабораторията (Z-частици), е около 200 000 пъти по-голяма от масата на електрона.

Електрическият заряд на частиците варира в доста тесен диапазон, но, както отбелязахме, той винаги е кратен на основната единица за заряд. Някои частици, като фотони и неутрино, нямат електрически заряд. Ако зарядът на положително зареден протон се приеме за +1, тогава зарядът на електрона е -1.

В гл. 2 въведохме още една характеристика на частицата - спин. Той също така винаги приема стойности, които са кратни на някаква фундаментална единица, която по исторически причини е избрана да бъде 1 /2. По този начин протонът, неутронът и електронът имат спин 1/2, а спинът на фотона е 1. Известни са също частици със завъртания 0, 3/2 и 2. Фундаментални частици със спинове по-големи от 2 не са открити, а теоретиците смятат, че частици с такива завъртания не съществуват.

Завъртането на една частица е важна характеристика и в зависимост от нейната стойност всички частици се разделят на два класа. Частиците със завъртания 0, 1 и 2 се наричат ​​"бозони" - в чест на индийския физик Chatyendranath Bose, а частиците със завъртане на половин цяло число (т.е. със спин 1/2 или 3/2 - "фермиони" в чест на Енрико Ферми. Принадлежността към един от тези два класа е може би най-важната в списъка с характеристики на частиците.

Друга важна характеристика на частицата е нейният живот. Доскоро се смяташе, че електроните, протоните, фотоните и неутрино са абсолютно стабилни, т.е. имат безкраен живот. Неутронът остава стабилен, докато е "заключен" в ядрото, но свободният неутрон се разпада за около 15 минути. Всички други известни частици са силно нестабилни, техният живот варира от няколко микросекунди до 10-23 s. Такива интервали от време изглеждат неразбираемо малки, но не бива да се забравя, че частица, летяща със скорост, близка до скоростта на светлината (а повечето от частиците, произведени в ускорителите, се движат точно с такава скорост), успява да прелети на разстояние от 300 m в микросекунда.

Нестабилните частици претърпяват разпад, което е квантов процес и следователно винаги има елемент на непредсказуемост в разпада. Продължителността на живота на дадена частица не може да бъде предвидена предварително. Въз основа на статистически съображения може да се предвиди само средната продължителност на живота. Обикновено се говори за времето на полуразпад на частица, времето, необходимо за намаляване на популацията от идентични частици наполовина. Експериментът показва, че намаляването на популацията става експоненциално (виж фиг. 6) и полуживотът е 0,693 от средния живот.

За физиците не е достатъчно да знаят, че тази или онази частица съществува – те се стремят да разберат каква е нейната роля. Отговорът на този въпрос зависи от свойствата на изброените по-горе частици, както и от естеството на силите, действащи върху частицата отвън и отвътре. На първо място, свойствата на една частица се определят от нейната способност (или неспособност) да участва в силно взаимодействие. Частиците, участващи в силното взаимодействие, образуват специален клас и се наричат андрони.Наричат ​​се частици, които участват в слабото взаимодействие и не участват в силното взаимодействие лептони,което означава "бели дробове". Нека да разгледаме накратко всяко от тези семейства.

лептони

Най-известният от лептоните е електронът. Както всички лептони, той изглежда е елементарен точков обект. Доколкото е известно, електронът няма вътрешна структура; не се състои от никакви други частици. Въпреки че лептоните могат да имат или не могат да имат електрически заряд, всички те имат еднакъв спин 1/2, следователно те са фермиони.

Друг добре познат лептон, но без заряд, е неутриното. Както вече беше споменато в гл. 2, неутрино са неуловими, като призраци. Тъй като неутрино не участват нито в силни, нито в електромагнитни взаимодействия, те почти напълно игнорират материята, прониквайки през нея, сякаш изобщо я няма. Високата проникваща сила на неутрино за дълго време прави много трудно експерименталното потвърждаване на тяхното съществуване. Едва почти три десетилетия след прогнозирането на неутриното те най-накрая бяха открити в лабораторията. Физиците трябваше да изчакат създаването на ядрени реактори, по време на които се излъчват огромно количество неутрино, и едва тогава беше възможно да се регистрира челен сблъсък на една частица с ядрото и по този начин да се докаже, че тя наистина съществува. Днес е възможно да се провеждат много повече експерименти с неутрино лъчи, които възникват при разпадането на частици в ускорител и притежават необходимите характеристики. По-голямата част от неутрино "игнорират" целта, но от време на време неутрино все още взаимодействат с целта, което дава възможност да се получи полезна информация за структурата на други частици и естеството на слабото взаимодействие. Разбира се, експериментите с неутрино, за разлика от експериментите с други субатомни частици, не изискват използването на специална защита. Проникващата сила на неутрино е толкова голяма, че те са напълно безвредни и преминават през човешкото тяло, без да му причиняват ни най-малка вреда.

Въпреки своята неосезаемост, неутрино заемат специално място сред другите известни частици, тъй като те са най-разпространените частици във Вселената, превъзхождащи електроните и протоните с милиард пъти. Вселената по същество е море от неутрино, в което понякога се срещат включвания под формата на атоми. Възможно е дори общата маса на неутрино да надвишава общата маса на звездите и следователно именно неутрино дават основния принос за космическата гравитация. Според група съветски изследователи неутриното има малка, но не нулева маса на покой (по-малко от една десетхилядна маса на електрона); ако това е вярно, тогава гравитационните неутрино доминират във Вселената, което в бъдеще може да причини нейния колапс. И така, неутрино, на пръв поглед, най-„безобидните“ и безтелесни частици, са способни да причинят колапса на цялата Вселена.

Други лептони включват мюона, открит през 1936 г. в продуктите на взаимодействието на космическите лъчи; се оказа една от първите известни нестабилни субатомни частици. Във всички отношения, с изключение на стабилността, мюонът прилича на електрон: има същия заряд и спин, участва в същите взаимодействия, но има по-голяма маса. За около две милионни от секундата мюон се разпада на електрон и две неутрино. Мюоните са широко разпространени в природата, те представляват значителна част от фоновата космическа радиация, която се записва на земната повърхност от брояч на Гайгер.

В продължение на много години електронът и мюонът бяха единствените известни заредени лептони. Тогава, в края на 70-те години на миналия век, е открит трети зареден лептон, наречен "тау лептон". С маса от около 3500 електронни маси, тау лептонът очевидно е "тежка категория" в триото заредени лептони, но във всички останали отношения се държи като електрон и мюон.

Този списък с известни лептони в никакъв случай не е изчерпан. През 60-те години на миналия век е установено, че има няколко вида неутрино. Неутрино от един тип се ражда заедно с електрон при разпадането на неутрон, а неутрино от друг тип - при раждането на мюон. Всеки тип неутрино е сдвоен със свой собствен зареден лептон; следователно има "електронно неутрино" и "мюонно неутрино". По всяка вероятност трябва да има и неутрино от третия тип, което придружава раждането на тау лептон. В този случай общият брой на разновидностите на неутрино е три, а общият брой на лептоните е шест (Таблица 1). Разбира се, всеки лептон има своя собствена античастица; така общият брой на отделните лептони е дванадесет.

маса 1

Шест лептона съответстват на заредени и неутрални модификации (античастиците не са включени в таблицата). Масата и зарядът се изразяват съответно в единици за масата и заряда на електрона. Има доказателства, че неутриното могат да имат малка маса

адрони

За разлика от шепата известни адронни лептони, има буквално стотици. Само това предполага, че адроните не са елементарни частици, а са изградени от по-малки компоненти. Всички адрони участват в силни, слаби и гравитационни взаимодействия, но те се срещат в две разновидности – електрически заредени и неутрални. Сред адроните неутронът и протонът са най-известни и широко разпространени. Останалите адрони са краткотрайни и се разпадат или за по-малко от една милионна част от секундата поради слабото взаимодействие, или много по-бързо (от порядъка на 10-23 s) поради силното взаимодействие.

През 50-те години на миналия век физиците бяха изключително озадачени от изобилието и разнообразието на адроните. Но малко по малко частиците бяха класифицирани според три важни характеристики: маса, заряд и спин. Постепенно започнаха да се появяват признаци на ред и започна да се очертава ясна картина. Имаше намеци, че зад очевидния хаос на данните са скрити симетрии. Решаваща стъпка в разкриването на мистерията на адроните е направена през 1963 г., когато Мъри Гел-Ман и Джордж Цвайг от Калифорнийския технологичен институт предлагат теорията за кварките.

Фиг.10 Адроните са изградени от кварки. Протонът (отгоре) се състои от два u-кварка и един d-кварк. По-лекият пион (отдолу) е мезон, състоящ се от един u-кварк и един d-антикварк. Други адрони са всякакви комбинации от кварки.

Основната идея на тази теория е много проста. Всички адрони са изградени от по-малки частици, наречени кварки. Кварките могат да се комбинират един с друг по един от двата възможни начина: или в триплети, или в двойки кварк-антикварк. Сравнително тежките частици са съставени от три кварка - бариони,което означава "тежки частици". Най-известните бариони са неутронът и протонът. По-леките двойки кварк-антикварк образуват частици, наречени мезони -"междинни частици". Изборът на такова име се обяснява с факта, че първите открити мезони заемат междинна позиция по маса между електрони и протони. За да обяснят всички тогава известни адрони, Гел-Ман и Цвайг въведоха три различни типа („вкусове“) кварки, които получиха доста странни имена: и(от нагоре-горен), д(от надолу-по-ниско) и s (от странно- странно). Предполагайки възможността за различни комбинации от вкусове, съществуването на голям брой адрони може да се обясни. Например, един протон се състои от две и-и един d-кварк (фиг. 10), а неутронът е изграден от два d-кварка и един u-кварк.

За да бъде валидна теорията, предложена от Гел-Ман и Цвайг, е необходимо да се приеме, че кварките носят частичен електрически заряд. С други думи, те имат заряд, чиято стойност е или 1/3, или 2/3 от основната единица - заряда на електрона. Комбинация от два и три кварка може да има общ заряд, равен на нула или едно. Всички кварки имат спин 1/2. така че те са фермиони. Масите на кварките не са установени толкова точно, колкото масите на другите частици, тъй като тяхната енергия на свързване в адрон е сравнима с масите на самите кварки. Известно е обаче, че s кварк е по-тежък и-и d кварки.

Вътре в адроните кварките могат да бъдат във възбудени състояния, в много отношения подобни на възбудените състояния на атом, но с много по-високи енергии. Излишната енергия, съдържаща се във възбудения адрон, увеличава масата му толкова много, че преди създаването на теорията за кварките физиците погрешно приемат възбудените адрони за напълно различни частици. Сега е установено, че много от привидно различните адрони всъщност са само възбудени състояния на един и същ фундаментален набор от кварки.

Както вече беше споменато в гл. 5, кварките се държат заедно чрез силно взаимодействие. Но те също участват в слаби взаимодействия. Слабата сила може да промени вкуса на кварка. Така се получава неутронният разпад. Един от d-кварките в неутрона се превръща в u-кварк и излишният заряд отнася електрона, който се ражда по едно и също време. По същия начин, чрез промяна на вкуса, слабото взаимодействие води до разпадането на други адрони.

Съществуването на s-кварки е необходимо за изграждането на така наречените "странни" частици - тежки адрони, открити в началото на 50-те години на миналия век. Необичайното поведение на тези частици, което доведе до тяхното име, е, че те не могат да се разпаднат поради силното взаимодействие, въпреки че както самите, така и продуктите на разпада са адрони. Физиците са озадачени защо, ако и майката, и дъщерните частици принадлежат към семейството на адроните, силната сила не ги кара да се разпадат. По някаква причина тези адрони „предпочитат“ много по-малко интензивното слабо взаимодействие. Защо? Теорията на кварките естествено разреши тази загадка. Силната сила не може да промени вкуса на кварките - само слабата сила може. И без промяна на вкуса, придружена от трансформацията на s-кварка в и-или d-кварк, разпадът е невъзможен.

В табл. Фигура 2 показва различните възможни комбинации от кварки с три вкуса и техните имена (обикновено само гръцка буква). Много възбудени състояния не са показани. Фактът, че всички известни адрони могат да бъдат получени от различни комбинации от трите основни частици, символизира главния триумф на теорията на кварките. Но въпреки този успех, само няколко години по-късно бяха получени преки физически доказателства за съществуването на кварки.

Тези доказателства са получени през 1969 г. в поредица от исторически експерименти, проведени на голям линеен ускорител в Станфорд (Калифорния, САЩ) - SLAC. Експериментаторите от Станфорд разсъждаваха просто. Ако наистина има кварки в протона, тогава могат да се наблюдават сблъсъци с тези частици вътре в протона. Всичко, което е необходимо, е подядрен "снаряд", който може да бъде насочен директно в червата на протона. Безполезно е да се използва друг адрон за тази цел, тъй като той има същите размери като протона. Идеален снаряд може да бъде лептон, като електрон. Тъй като електронът не участва в силното взаимодействие, той няма да "заседне" в средата, която образуват кварките. В същото време електронът може да усети присъствието на кварки поради наличието на електрически заряд върху тях.

таблица 2

Трите вкуса на кварки, u, d и s, отговарят на зарядите +2/3, -1/3 и -1/3; те се комбинират по три, за да образуват осемте бариона, показани в таблицата. Двойките кварк-антикварк образуват мезони. (Някои комбинации като sss са пропуснати.)

В експеримента в Станфорд трикилометровият ускорител по същество служи като гигантски електронен "микроскоп", който позволява да се изобрази вътрешността на протона. Конвенционалният електронен микроскоп позволява да се разграничат детайли, по-малки от една милионна част от сантиметъра. Протонът, от друга страна, е няколко десетки милиони пъти по-малък и може да бъде „пробван“ само от електрони, ускорени до енергия от 2,1010 eV. По времето на експериментите в Станфорд малко физици се придържаха към опростената теория за кварките. Повечето учени очакваха, че електроните ще бъдат отклонени от електрическите заряди на протоните, но се предполагаше, че зарядът е равномерно разпределен вътре в протона. Ако това беше вярно, тогава би настъпило главно слабо разсейване на електрони, т.е. когато преминават през протони, електроните няма да претърпят силни отклонения. Експериментът показа, че моделът на разсейване се различава рязко от очаквания. Всичко се случи така, сякаш някои електрони удряха малки твърди включвания и отскачаха от тях под най-невероятни ъгли. Сега знаем, че кварките са толкова твърди включвания вътре в протоните.

През 1974 г. опростена версия на теорията на кварките, която по това време е получила признание сред теоретиците, получава чувствителен удар. В рамките на няколко дни две групи американски физици - едната в Станфорд, водена от Бъртън Рихтер, другата в Националната лаборатория в Брукхейвън, ръководена от Самюел Тинг - независимо обявиха откриването на нов адрон, наречен пси-частицата. Само по себе си откриването на нов адрон едва ли би било особено забележително, ако не беше едно обстоятелство: факт е, че в схемата, предложена от теорията на кварките, нямаше място за нито една нова частица. Всички възможни комбинации от u, d и s кварки и техните антикварки вече са "изчерпани". От какво е направена пси-частицата?

Проблемът беше решен, като се обърна към идея, която витаеше във въздуха от известно време: трябва да има четвърти аромат, който никой никога не беше виждал преди. Новият аромат вече имаше собствено име - charm (чар), или c. Предполага се, че пси-частицата е мезон, състоящ се от c-кварк и c-антикварк (c), т.е. cc Тъй като антикварките са носители на антиаромата, очарованието на пси-частицата се неутрализира и следователно експерименталното потвърждение на съществуването на нов аромат (очарование) трябваше да изчака, докато бъде възможно да се открият мезони, в които са сдвоени очаровани кварки с антикваркамп на други вкусове. . Вече е известна цяла поредица от очаровани частици. Всички те са много тежки, така че очарователният кварк е по-тежък от странния кварк.

Описаната по-горе ситуация се повтори през 1977 г., когато на сцената се появи така нареченият ипсилон мезон (UPSILON). Този път, без много колебание, беше представен петият вкус, наречен b-кварк (отдолу - дъно, и по-често красота - красота, или чар). Ипсилонният мезон е двойка кварк-антикварк, съставена от b кварки и следователно има скрита красота; но, както и в предишния случай, различна комбинация от кварки най-накрая направи възможно откриването на "красотата".

За относителните маси на кварките може да се съди поне от факта, че най-лекият от мезоните, пионът, се състои от двойки и-и d-кварки с антикварки. Пси мезонът е около 27 пъти, а ипсилонният мезон е поне 75 пъти по-тежък от пиона.

Постепенното разширяване на списъка с известни вкусове се случи успоредно с увеличаването на броя на лептоните; така възникна очевидният въпрос дали някога ще има край. Кварките бяха въведени, за да се опрости описанието на цялото разнообразие от адрони, но дори и сега има усещането, че списъкът с частици отново нараства твърде бързо.

От времето на Демокрит основната идея на атомизма е признаването, че в достатъчно малък мащаб трябва да съществуват наистина елементарни частици, чиито комбинации съставляват материята около нас. Атомистиката е привлекателна, защото неделимите (по дефиниция) фундаментални частици трябва да съществуват в много ограничен брой. Разнообразието на природата се дължи на голям брой не съставни части, а техните комбинации. Когато беше открито, че има много различни атомни ядра, изчезна надеждата, че това, което днес наричаме атоми, съответства на идеята на древните гърци за елементарните частици на материята. И въпреки че по традиция продължаваме да говорим за различни химически "елементи", известно е, че атомите изобщо не са елементарни, а се състоят от протони, неутрони и електрони. И щом броят на кварките се окаже твърде голям, възниква изкушението да се предположи, че те също са сложни системи, състоящи се от по-малки частици.

Въпреки че поради тази причина има известно недоволство от кварковата схема, повечето физици смятат кварките за наистина елементарни частици – точковидни, неделими и без вътрешна структура. В това отношение те приличат на пептони и отдавна се предполага, че трябва да има дълбока връзка между тези две различни, но структурно сходни семейства. Основанията за такава гледна точка произтичат от сравнението на свойствата на лептоните и кварките (Таблица 3). Лептоните могат да бъдат групирани по двойки чрез свързване на всеки зареден лептон със съответно неутрино. Кварките също могат да бъдат групирани по двойки. Раздел. 3 е проектирана по такъв начин, че всяка клетка повтаря структурата, разположена непосредствено пред нея. Например във втората клетка мюонът е представен като "тежък електрон", а чарът и странните кварки са представени като тежки варианти. и-и d кварки. От следващата клетка можете да видите, че тау лептонът е още по-тежък „електрон“, а b кваркът е тежка версия на d кварка. За пълна аналогия, още едно (тау-лептоново) неутрино и шести вкус на кварки, които вече са получили името на истински (истина, т).По време на написването на тази книга експерименталните доказателства за съществуването на t-кварки все още не са били достатъчно убедителни и някои физици се съмняваха, че t-кварки дори съществуват.

Таблица 3

Лептоните и кварките естествено се сдвояват. както е показано в таблицата. Светът около нас се състои от първите четири частици. Но следващите групи, очевидно, повтарят горната и се състоят в неутрината корона от изключително нестабилни частици.

Може ли да има четвърти, пети и т.н. пари, съдържащи още по-тежки частици? Ако е така, то следващото поколение ускорители вероятно ще даде на физиците способността да откриват такива частици. Изразява се обаче любопитно съображение, от което следва, че други двойки, освен трите посочени, не съществуват. Това съображение се основава на броя на видовете неутрино. Скоро ще научим, че в момента на Големия взрив, който бележи появата на Вселената, е имало интензивно раждане на неутрино. Един вид демокрация гарантира на всеки вид частици същия дял от енергия като останалите; следователно, колкото повече различни видове неутрино, толкова повече енергия се съдържа в морето от неутрино, което запълва космическото пространство. Изчисленията показват, че ако има повече от три разновидности на неутрино, тогава гравитацията, създадена от всички тях, би имала силен смущаващ ефект върху ядрените процеси, протичащи през първите няколко минути от живота на Вселената. Следователно от тези косвени съображения следва едно много правдоподобно заключение, че трите двойки, показани в табл. 3, всички кварки и лептони, които съществуват в природата, са изчерпани.

Интересно е да се отбележи, че цялата обикновена материя във Вселената се състои само от два най-леки лептона (електрон и едно електронно неутрино) и два най-леки кварка ( ии д).Ако всички други лептони и кварки изведнъж престанат да съществуват, тогава в света около нас, очевидно, много малко ще се промени.

Възможно е по-тежките кварки и лептони да играят ролята на един вид заместник на най-леките кварки и лептони. Всички те са нестабилни и бързо се разпадат на частици, разположени в горната клетка. Например тау лептонът и мюонът се разпадат на електрони, докато странните, очаровани и красиви частици се разпадат доста бързо или в неутрони, или в протони (в случай на бариони), или в лептони (в случай на мезони). Възниква въпросът: за каквосъществуват ли всички тези частици от второ и трето поколение? Защо природата се нуждаеше от тях?

Частици – носители на взаимодействия

Шест двойки лептони и кварки, които образуват строителния материал на материята, в никакъв случай не изчерпват списъка на известните частици. Някои от тях, като фотонът, не са включени в кварковата схема. Частиците „оставени зад борда“ не са „тухлите на Вселената“, а образуват един вид „лепило“, което не позволява на света да се разпадне, т.е. те са свързани с четири основни взаимодействия.

Спомням си, че като дете ми казаха, че Луната кара океаните да се издигат и падат по време на ежедневните приливи и отливи. Винаги е било загадка за мен как океанът знае къде е луната и следи нейното движение в небето. Когато научих за гравитацията още в училище, недоумението ми само се засили. Как Луната, преодолявайки четвърт милион километра празно пространство, успява да „се протегне“ до океана? Стандартният отговор – Луната създава гравитационно поле в това празно пространство, чието действие достига океана, привеждайки го в движение – със сигурност имаше някакъв смисъл, но все пак не ме удовлетвори напълно. В крайна сметка не можем да видим гравитационното поле на Луната. Може би точно това пише? Това наистина ли обяснява нещо? Винаги ми се е струвало, че луната трябва по някакъв начин да каже на океана къде се намира. Трябва да има някакъв вид обмен на сигнали между луната и океана, така че водата да знае къде да отиде.

С течение на времето се оказа, че идеята за сила, предавана през пространството под формата на сигнал, не е толкова далеч от съвременния подход към този проблем. За да се разбере как възниква такова представяне, е необходимо да се разгледа по-подробно естеството на силовото поле. Като пример, нека вземем не океанските приливи, а по-просто явление: два електрона се приближават един към друг и след това, под въздействието на електростатично отблъскване, се разлитат в различни посоки. Физиците наричат ​​този процес проблем с разсейването. Разбира се, електроните не се бутат буквално един друг. Те взаимодействат на разстояние, чрез електромагнитното поле, генерирано от всеки електрон.

Фиг.11. Разсейване на две заредени частици. Траекториите на частиците са извити, когато се приближават една към друга поради действието на силата на електрическото отблъскване.

Не е трудно да си представим картина на разсейването на електрон от електрон. Първоначално електроните са разделени на голямо разстояние и слабо влияят един на друг. Всеки електрон се движи почти по права линия (фиг. 11). След това, когато отблъскващите сили влизат в игра, траекториите на електроните започват да се извиват, докато частиците се приближат възможно най-близо; след това траекториите се разминават и електроните се разпръскват, като отново започват да се движат по праволинейни, но вече разминаващи се траектории. Този вид модел е лесен за демонстриране в лабораторията, като се използват електрически заредени топки вместо електрони. И отново възниква въпросът: как частицата „знае” къде се намира другата частица и съответно променя движението си.

Въпреки че картината на извитите електронни траектории е доста илюстративна, тя е напълно неподходяща в редица отношения. Факт е, че електроните са квантови частици и тяхното поведение се подчинява на специфичните закони на квантовата физика. На първо място, електроните не се движат в пространството по добре дефинирани траектории. Все още можем да определим по един или друг начин началните и крайните точки на пътя – преди и след разпръскването, но самият път в интервала между началото и края на движението остава неизвестен и неопределен. В допълнение, интуитивната идея за непрекъснат обмен на енергия и импулс между електрона и полето, сякаш ускорява електрона, противоречи на съществуването на фотони. Енергията и инерцията могат да се прехвърлят полесамо на порции или кванти. По-точна картина на смущението, въведено от полето в движението на електрона, може да се получи, като се приеме, че електронът, поглъщащ фотон от полето, изпитва сякаш внезапен тласък. Следователно, на квантово ниво, актът на разсейване на електрон от електрон може да бъде изобразен, както е показано на фиг. 12. Вълнообразната линия, свързваща траекториите на два електрона, съответства на фотон, излъчен от един електрон и погълнат от друг. Сега актът на разсейване се проявява като внезапна промяна в посоката на движение на всеки електрон

Фиг.12. Квантово описание на разсейването на заредени частици. Взаимодействието на частиците се дължи на обмена на носителя на взаимодействието или виртуалния фотон (вълнова линия).

Диаграми от този вид са били използвани за първи път от Ричард Файнман за визуално представяне на различните термини на уравнение и първоначално са имали чисто символично значение. Но след това диаграмите на Файнман започнаха да се използват за схематично изобразяване на взаимодействията на частиците. Такива картини като че ли допълват интуицията на физика, но трябва да се тълкуват с известна степен на предпазливост. Например, никога няма рязко прекъсване на траекторията на електрон. Тъй като знаем само началната и крайната позиция на електроните, не знаем точно момента, в който фотонът се обменя и коя от частиците излъчва и коя поглъща фотона. Всички тези детайли са скрити от воал на квантовата несигурност.

Въпреки това предупреждение, диаграмите на Файнман се оказаха ефективно средство за описание на квантовите взаимодействия. Фотонът, обменен между електроните, може да се разглежда като един вид пратеник от единия от електроните, който казва на другия: „Тук съм, така че се движете!“. Разбира се, всички квантови процеси имат вероятностен характер, така че такъв обмен се случва само с определена вероятност. Може да се случи електроните да обменят два или повече фотона (фиг. 13), макар че това е по-малко вероятно.

Важно е да сте наясно, че всъщност не виждаме фотони да се движат от един електрон към друг. Носителите на взаимодействие са "вътрешна работа" на два електрона. Те съществуват единствено, за да казват на електроните как да се движат и въпреки че носят енергия и импулс, съответните закони за запазване на класическата физика не важат за тях. Фотоните в този случай могат да бъдат оприличени на топка, разменена на корта от тенисисти. Точно както топката за тенис определя поведението на тенисистите на игрището, фотонът влияе върху поведението на електроните.

Успешното описание на взаимодействието с помощта на частица носител беше придружено от разширение на концепцията за фотон: фотонът се оказва не само частица светлина, която виждаме, но и призрачна частица, която се "вижда" само чрез заредени частици, подложени на разсейване. Понякога фотоните, които наблюдаваме, се наричат истински,а фотоните, които носят взаимодействието са виртуален,което напомня за тяхното мимолетно, почти призрачно съществуване. Разграничението между реални и виртуални фотони е донякъде произволно, но въпреки това тези понятия са станали широко разпространени.

Описанието на електромагнитното взаимодействие с помощта на концепцията за виртуални фотони - неговите носители - по смисъла си надхвърля обикновените илюстрации от квантово естество. Всъщност говорим за теория, обмислена до най-малкия детайл и оборудвана с перфектен математически апарат, известен като квантова електродинамика,съкратено QED. Когато QED беше формулиран за първи път (това се случи малко след Втората световна война), физиците имаха на разположение теория, която удовлетворява основните принципи както на квантовата теория, така и на относителността. Това е чудесна възможност да видите съвместните прояви на два важни аспекта на новата физика и. тествайте ги експериментално.

Теоретично създаването на QED беше изключително постижение. По-ранните изследвания на взаимодействието на фотони и електрони имат много ограничен успех поради математически трудности. Но веднага щом теоретиците се научиха да изчисляват правилно, всичко останало си дойде на мястото. QED предложи процедура за получаване на резултатите от всеки произволно сложен процес, включващ фотони и електрони.

Фиг.13. Разсейването на електроните се дължи на обмена на два виртуални фотона. Такива процеси представляват малка корекция на основния процес, изобразен на фиг. единадесет

За да проверят колко добре теорията се съгласува с реалността, физиците се фокусираха върху два ефекта от особен интерес. Първият се отнася до енергийните нива на водородния атом, най-простия атом. QED прогнозира, че нивата трябва да бъдат леко изместени от позицията, която биха заели, ако няма виртуални фотони. Теорията беше много точна при прогнозирането на величината на тази промяна. Експеримент за откриване и измерване на изместване с изключителна точност беше проведен от Уилис Ламб от Университета на pc. Аризона. За радост на всички, резултатите от изчисленията съвпадаха перфектно с експерименталните данни.

Вторият решаващ тест на QED се отнася до изключително малка корекция на собствения магнитен момент на електрона. И отново резултатите от теоретичните изчисления и експеримента напълно съвпаднаха. Теоретиците започнаха да усъвършенстват изчисленията, експериментаторите - да подобряват инструментите. Но въпреки че точността както на теоретичните прогнози, така и на експерименталните резултати непрекъснато се подобряваше, съгласието между QED и експеримента остава безупречно. Към момента теоретичните и експерименталните резултати все още са последователни в рамките на постигнатата точност, което означава съвпадение от повече от девет знака след десетичната запетая. Такова поразително съответствие дава правото да се счита QED за най-съвършената от съществуващите естественонаучни теории.

Излишно е да казвам, че след подобен триумф QED беше приет като модел за квантово описание на другите три фундаментални взаимодействия. Разбира се, полетата, свързани с други взаимодействия, трябва да съответстват на други частици носители. За да се опише гравитацията беше въведена гравитон,играе същата роля като фотон. По време на гравитационното взаимодействие на две частици между тях се осъществява обмен на гравитони. Това взаимодействие може да се визуализира с помощта на диаграми, подобни на тези, показани на фиг. 12 и 13. Именно гравитоните пренасят сигнали от Луната към океаните, след което се издигат при прилив и падат при отлив. Гравитоните, които се движат между Земята и Слънцето, поддържат нашата планета в орбита. Гравитоните здраво ни свързват със Земята.

Подобно на фотоните, гравитоните се движат със скоростта на светлината, следователно гравитоните са частици с "нулева маса на покой". Но тук приликите между гравитоните и фотоните свършват. Докато фотонът има завъртане 1, гравитонът има спин 2.

Таблица 4

Частици-носители на четири фундаментални взаимодействия. Масата се изразява в единици протонна маса.

Това е важно разграничение, тъй като то определя посоката на силата: при електромагнитно взаимодействие, подобно заредени частици, като електроните, се отблъскват взаимно, а при гравитационното взаимодействие всички частици се привличат една към друга.

Гравитоните могат да бъдат реални и виртуални. Истинският гравитон не е нищо друго освен квант на гравитационна вълна, точно както истинският фотон е квант на електромагнитна вълна. По принцип могат да се „наблюдават“ истинските гравитони. Но тъй като гравитационното взаимодействие е невероятно слабо, гравитоните не могат да бъдат открити директно. Взаимодействието на гравитоните с други квантови частици е толкова слабо, че вероятността за разсейване или поглъщане на гравитон, например от протон, е безкрайно малка.

Основната идея за обмена на частици носител се простира до други взаимодействия (Таблица 4) - слаби и силни. Въпреки това има важни разлики в детайлите. Припомнете си, че силното взаимодействие осигурява връзката между кварките. Такава връзка може да бъде създадена от силово поле, подобно на електромагнитното, но по-сложно. Електрическите сили водят до образуване на свързано състояние на две частици със заряди с противоположни знаци. При кварките възникват свързани състояния на три частици, което показва по-сложна природа на силовото поле, което отговаря на три типа „заряд“. Частиците - носители на взаимодействие между кварки, свързващи ги по двойки или триплети, се наричат глуони.

В случай на слабо взаимодействие ситуацията е малко по-различна. Радиусът на това взаимодействие е изключително малък. Следователно носителите на слабото взаимодействие трябва да бъдат частици с големи маси на покой. Енергията, съдържаща се в такава маса, трябва да бъде „заемана“ в съответствие с принципа на неопределеността на Хайзенберг, който вече беше обсъден на стр. 50. Но тъй като масата на "заем" (и следователно енергията) е толкова голяма, принципът на несигурността изисква падежът на такъв заем да бъде изключително кратък - само около 10^-28s. Такива краткотрайни частици нямат време да се придвижат много далеч, а радиусът на взаимодействие, пренасян от тях, е много малък.

Всъщност има два вида носители на слабо взаимодействие. Един от тях е като фотон във всичко, с изключение на масата на покой. Тези частици се наричат ​​Z-частици. По същество Z-частиците са нов вид светлина. Друг вид носители на слабо взаимодействие, W-частици, се различават от Z-частиците по наличието на електрически заряд. В гл. 7 разглеждаме по-подробно свойствата на Z- и W-частиците, които са открити едва през 1983 г.

Класификацията на частиците в кварки, лептони и носители на сила допълва списъка с известни субатомни частици. Всяка от тези частици играе своя собствена, но решаваща роля във формирането на Вселената. Ако нямаше частици носители, нямаше да има взаимодействия и всяка частица щеше да остане в неведение за своите партньори. Сложни системи не биха могли да възникнат, всяка дейност би била невъзможна. Без кварки нямаше да има атомни ядра или слънчева светлина. Без лептони атомите не биха могли да съществуват, химическите структури и самият живот не биха възникнали.

Какви са задачите на физиката на елементарните частици?

Влиятелният британски вестник The Guardian веднъж публикува редакционна статия, поставяща под въпрос мъдростта на развитието на физиката на елементарните частици, скъпо начинание, което поглъща не само значителен дял от националния бюджет за наука, но и лъвския дял от най-добрите умове. "Физиците знаят ли какво правят?", попита Пазителят. "Ако знаят, каква е ползата от това? Кой освен физиците се нуждае от всички тези частици?"

Няколко месеца след тази публикация имах възможността да присъствам на лекция в Балтимор на Джордж Кеуърт, научен съветник на президента на САЩ. Кийуърт също се обърна към физиката на елементарните частици, но лекцията му беше изнесена в съвсем различен тон. Американските физици бяха впечатлени от неотдавнашното съобщение от CERN, водещата европейска лаборатория за физика на елементарните частици, за откриването на фундаментални W- и Z-частици, които най-накрая бяха получени в големия ускорител на сблъсък на протон-антипротони лъчи (колайдер). Американците са свикнали с факта, че всички сензационни открития се правят в техните лаборатории по физика на високите енергии. Не е ли фактът, че те отстъпиха място на дланта, знак за научен и дори национален упадък?

Кеуърт не се съмняваше, че за просперитета на Съединените щати като цяло и на американската икономика в частност е необходимо страната да заеме челните позиции в научните изследвания. Ключови фундаментални изследователски проекти, каза Киуърт, са в челните редици на напредъка. Съединените щати трябва да възвърнат господството си във физиката на елементарните частици,

През същата седмица информационните канали циркулираха за американския проект за гигантски ускорител, предназначен за провеждане на ново поколение експерименти по физика на елементарните частици. Основната цена беше 2 милиарда долара, което направи този ускорител най-скъпата машина, създавана някога от човека. Този гигант на чичо Сам, в сравнение с който дори новият ускорител на електропровода на ЦЕРН ще изглежда като джудже, е толкова голям, че целият щат Люксембург може да се побере в неговия пръстен! Гигантски свръхпроводящи магнити са проектирани да създават интензивни магнитни полета, които ще обвиват лъча от частици по протежение на пръстеновидната камера; това е толкова огромна структура, че новият ускорител трябва да бъде поставен в пустинята. Бих искал да знам какво мисли редакторът на The Guardian за това.

Известен като свръхпроводящ супер колайдер (SSC), но по-често наричан "дезертрон" (от англ. пустинен-пустинен. - Ед.),тази чудовищна машина ще може да ускори протоните до енергии, приблизително 20 хиляди пъти по-големи от енергията на покой (масата). Тези цифри могат да се тълкуват по различни начини. При максимално ускорение частиците ще се движат със скорост само с 1 км/ч по-малка от скоростта на светлината - пределната скорост във Вселената. Релативистичните ефекти са толкова силни, че масата на всяка частица е 20 хиляди пъти по-голяма от тази в покой. В рамката, свързана с такава частица, времето се разтяга толкова много, че 1 s съответства на 5,5 часа в нашата референтна система. Всеки километър от камерата, през която преминава частицата, ще "изглежда" компресиран само до 5,0 cm.

Каква е ужасната нужда, която кара държавите да изразходват толкова огромни ресурси за все по-разрушително делене на атома? Има ли практическа полза от подобно изследване?

На всяка велика наука, разбира се, не е чужд духът на борба за национален приоритет. Тук, както в изкуството или спорта, е приятно да печелите награди и световно признание. Физиката на елементарните частици се превърна в един вид символ на държавната власт. Ако се развива успешно и дава осезаеми резултати, това показва, че науката, технологиите, както и икономиката на страната като цяло, са основно на правилното ниво. Това поддържа доверието във високото качество на продуктите от други по-общи технологични индустрии. Създаването на ускорител и цялото свързано оборудване изисква много високо ниво на професионализъм. Ценният опит, натрупан в разработването на нови технологии, може да има неочакван и благоприятен ефект върху други области на научните изследвания. Например, изследванията и разработките на свръхпроводящите магнити, необходими за Desertron, се провеждат в САЩ от двадесет години. Те обаче не осигуряват преки ползи и поради това са трудни за оценка. Има ли по-осезаеми резултати?

Понякога се чува и друг аргумент в подкрепа на фундаментални изследвания. Като цяло физиката изпреварва технологиите с около петдесет години. Практическото приложение на това или онова научно откритие съвсем не е очевидно в началото, но само някои от значимите постижения на фундаменталната физика не са намерили практическо приложение с течение на времето. Припомнете си теорията на Максуел за електромагнетизма: може ли нейният създател да предвиди създаването и успеха на съвременните телекомуникации и електроника? А какво ще кажете за думите на Ръдърфорд, че ядрената енергия едва ли някога ще намери практическо приложение? Възможно ли е да се предвиди до какво може да доведе развитието на физиката на елементарните частици, какви нови сили и нови принципи ще бъдат открити, които ще разширят разбиранията ни за света около нас и ще ни дадат власт над по-широк кръг от физически явления. И това може да доведе до развитието на технологии, не по-малко революционни по природа от радиото или ядрената енергия.

Повечето клонове на науката в крайна сметка намериха някакво военно приложение. В това отношение физиката на елементарните частици (за разлика от ядрената физика) досега остава недокосната. По съвпадение, лекцията на Кейуърт съвпадна с шума около противоречивия проект за противоракета на президента Рейгън, т. нар. лъч, оръжия (този проект е част от програма, наречена Стратегическа отбранителна инициатива, SDI). Същността на този проект е да се използват високоенергийни лъчи от частици срещу вражески ракети. Това приложение на физиката на елементарните частици е наистина зловещо.

Преобладаващото мнение е, че създаването на подобни устройства е неосъществимо. По-голямата част от учените, работещи в областта на физиката на елементарните частици, смятат тези идеи за абсурдни и неестествени и категорично се противопоставят на предложението на президента. След като осъди учените, Киуърт ги призова да "помислят каква роля могат да играят" в проекта за лъчево оръжие. Този призив от Keyworth към физиците (разбира се чисто случайно) последва думите му относно финансирането на физиката на високите енергии.

Твърдото ми убеждение е, че физиците с високи енергии не трябва да оправдават необходимостта от фундаментални изследвания, като се позовават на приложения (особено военни), исторически аналогии или неясни обещания за възможни технически чудеса. Физиците провеждат тези изследвания предимно в името на своето неунищожимо желание да разберат как работи нашият свят, желанието да разберат природата по-подробно. Физиката на елементарните частици е без аналог сред другите човешки дейности. В продължение на две и половина хилядолетия човечеството се стреми да намери оригиналните „тухли“ на Вселената и сега сме близо до крайната цел. Гигантски инсталации ще ни помогнат да проникнем в самото сърце на материята и да изтръгнем от природата нейните най-съкровени тайни. Човечеството може да очаква неочаквани приложения на нови открития, непознати досега технологии, но може да се окаже, че физиката на високите енергии няма да даде нищо за практика. Но в края на краищата има малка практическа полза от величествена катедрала или концертна зала. В това отношение не може да не се припомнят думите на Фарадей, който веднъж отбеляза: „Каква полза от новороденото?“ Отдалечените от практиката видове човешка дейност, които включват физика на елементарните частици, служат като доказателство за проявлението на човешкия дух, без който бихме били обречени в нашия прекалено материален и прагматичен свят.

…Бог първо даде на материята формата на твърда, масивна,

непроницаеми, подвижни частици с такива размери и форми

и с такива свойства и пропорции спрямо

пространство, което най-добре отговаря на целта

за които ги е създал.

I. Нютон

В историята на философията и науката има 3 подхода за разбиране на структурата на природата на микро ниво:

има неделими частици или атоми, светът е сведен до фундаментални „тухли“ (Демокрит, Нютон);

материята непрекъснато и безкрайно се разделя на все по-малки и по-малки парчета, като никога не достига до неделимия атом (Аристотел);

през ХХ век възникна концепция, която обяснява света въз основа на взаимовръзката на всички неща: частица не е „тухла“ от материя, а процес, връзка или модел в интегралната Вселена (W. Heisenberg, J. Chu, Ф. Капра).

Първата „елементарна” частица е открита през 1897 г. от J.J. Томсън, при изследването на катодните лъчи, той доказа съществуването електрони . При въздействие от веществото лесно се отделя отрицателно електричество, което се фиксира като проблясъци на светлина върху екрана. Частиците с отрицателно електричество се наричали електрони. Минималното количество електричество, равно на заряда на един електрон, се наблюдава по време на електрически разряд в разреден газ. До 70-те години. 20-ти век проблемът за вътрешната структура на електрона не е решен, все още няма намек за неговата вътрешна структура (Anderson 1968; Weisskopf 1977).

Година по-рано А. Бекерел открива радиоактивния разпад на уранова сол – излъчването на алфа частици (He ядрата), тези частици са използвани от Ръдърфорд, който експериментално доказва съществуването на атомното ядро. През 1919 г. Е. Ръдърфорд провежда и първата изкуствена ядрена реакция: чрез облъчване на N с алфа частици той получава изотоп О и доказва, че ядрото на N атома съдържа протон 27 (счита се за ограничаваща частица).

През 1932 г. Дж. Чадуик открива друга ядрена частица – незаредена неутрон 28. Откриването на неутрона, което постави началото на една нова наука - неутронна физика , основните свойства на неутрона, приложението на неутроните е предмет на книгата на С.Ф. Шебалина Неутрони . Неутронни следи са наблюдавани в облачна камера. Масата на протон е 1836,1 маси на електрон, масата на неутрон е 1838,6. В. Хайзенберг, а независимо от него Д.Д. Иваненко, И.Е. Там изложи хипотеза за структурата на атомното ядро ​​от протони и неутрони: ядрото С, например, се състои от 6 протона и 6 неутрона. В началото. 30-те години вярвал, че материята се състои от атоми и атоми от 3 „елементарни” частици, „градивни елементи”: протони, неутрони и електрони (Шебалин 1969; Фолта, Нови 1987; Капра 1994: 66-67).

През същата година Е.О. Лорънс в Калифорния построява първия циклотрон (ускорител на "елементарни" частици). Ускорителите на частици са съоръжения, където се сблъскват частици с висока енергия. При сблъсък на субатомни частици, движещи се с висока скорост, се постига високо ниво на енергия и се ражда светът на взаимодействията, полета и частици, тъй като нивото на елементарност зависи от нивото на енергия. Ако една монета се ускори до такива скорости, тогава нейната енергия ще бъде равна на производството на енергия за хиляда милиона долара. Край Женева е построен пръстеновиден ускорител с обиколка на тунела до 27 км. Днес, за да се тестват някои теории, като теорията за великото обединение на всички частици, е необходим ускорител с размерите на Слънчевата система (Folta, Nowy 1987: 270-271; Davis 1989: 90-91).

Откриват се и частици в естествени ускорители, космическите лъчи се сблъскват с атоми на експериментално устройство и се изследват резултатите от удара (така са открити прогнозираните позитрон, мюон и мезон). С помощта на ускорители и изследвания на космическата радиация се отвори много и разнообразен свят на субатомни частици. През 1932 г. са открити 3 частици, през 1947 г. - 14, през 1955 г. - 30, през 1969 г. - повече от 200. Едновременно с опитите се провеждат и теоретични изследвания. Частиците често се движат със скоростта на светлината,  , е необходимо да се вземе предвид теорията на относителността. Създаването на обща теория на частиците остава все още нерешен проблем във физиката (Capra 1994: 67).

През 1967 г. се появява хипотеза за съществуването тахиони - частици, чиято скорост на движение е по-висока от скоростта на светлината. Бяха открити нови „градивни елементи“ на материята, много нестабилни, краткотрайни („резонанси“ живеят 10 -27 s.) частици, които се разпадат на обикновени частици. По-късно стана ясно, че новите частици: резонанси и хиперони, мезони – възбудени състояния на други частици: протон и лептони. Подобно на възбуден Н атом в различни състояния, който изглежда като 3 спектрални линии, не е друг атом (Born 1967: 127-129).

Оказа се, че частиците не се разпадат, а се превръщат една в друга или в енергията на квантите на полето, преминават в „своето друго“, всяка частица може да бъде неразделна част от всяка друга. Частиците могат да "изчезнат" в радиация и да проявят вълнови свойства. След осъществяването на първата изкуствена трансформация, когато ядрата Li бяха превърнати в ядра He, атомен, ядрена физика (Роден през 1967 г.; Weiskopf 1977: 50).

През 1963 г. M. Gell-Mann, J. Zweig предлагат хипотезата кварки . всичко адрони изградени от по-малки частици – кварки от 3 вида и техните антикварки. Протонът и неутронът са съставени от 3 кварка (наричани са още бариони - тежки или нуклони - ядрени частици). Протонът е стабилен, положително зареден, неутронът е нестабилен, превръща се в протон. Двойките кварк-антикварк (всяка частица има античастица) образуват мезони (междинни по маса между електрон и протон). За да обяснят разнообразието от адронни модели, физиците трябваше да постулират съществуването на допълнителни кварки. Има 12 кварка: 4 разновидности или вкусове (горен, долен, странен и очарователен), всеки от които може да съществува в 3 цвята. Повечето физици смятат кварките за наистина елементарни, без структура. Въпреки че всички адрони имат кваркови симетрии, адроните често се държат така, сякаш наистина са съставени от точкови компоненти, но мистерията на кварките все още съществува (Дейвис 1989: 100; Хокинг 1990: 69; Капра 1994: 228, 229).

В съответствие със bootstrap хипотеза природата не може да бъде сведена до "тухличките" от материя като кварките, а трябва да бъде разбрана въз основа на свързаността. Първоначалната картина на частиците като динамични модели във взаимосвързана мрежа от събития е съгласна от Хайзенберг, който не вярва в кварковия модел (Capra 1996: 43-49).

Всички известни частици на Вселената могат да бъдат разделени на две групи: частици от „твърда” материя и виртуални частици, носители на взаимодействия , без маса на „покой“. Частиците на материята също са разделени на две групи: адрони 29 , нуклони 30 , бариони или тежки частици и лептони 31 .

Лептоните са електроните, мюон , тау лептон и 3 вида неутрино . Днес е прието да се разглежда електронът като елементарен, точков обект. Електронът е отрицателно зареден, 1836 пъти по-лек от протон (Weiskopf 1997: 79; Davis 1989: 93-102; Hawking 1990: 63; Feynman, Weinberg 2000).

През 1931 г. У. Паули предсказва съществуването на неутрална частица неутрино , през 1955 г. в ядрен реактор се ражда неутрино от протон с образуването на електрон и неутрон.

Това е най-удивителната частица: при BV неутриното почти не взаимодейства с материята, тъй като е най-лекият от лептоните. Масата му е по-малка от една десет хилядна от тази на електрона, но това е вероятно най-разпространената частица във Вселената и може да причини колапса й. Неутрино почти не взаимодейства с материята, прониквайки през нея, сякаш изобщо не съществува (пример за съществуването на неедномерни форми). Гама-квант изминава 3 m в олово и взаимодейства с ядрото на оловния атом, докато неутрино трябва да измине 4·10 13 km, за да взаимодейства. Неутриното участва само в слаби взаимодействия. Все още не е точно установено дали неутрино наистина имат маса на "покой". Има 3 вида неутрино: електрон, мюон и тау.

През 1936 г. в продуктите на взаимодействието на космическите лъчи, мюон , нестабилна частица, която се разпада на електрон и 2 неутрино. В края на 70-те години е открита „най-тежката“ частица, лептонът, тау лептон (Дейвис 1989: 93-95).

През 1928 г. П. Дирак предсказва, а през 1932 г. открива положително зареден електрон ( позитрон - електронна античастица.): от един γ-квант се раждат електрон и позитрон - положително зареден електрон. Когато един електрон се сблъска с позитрон, се раждат два гама кванта, тъй като за да се запази нула при анихилация 32 изисква два фотона, летящи в различни посоки.

По-късно се оказа, че всички частици имат античастици , взаимодействайки, частиците и античастиците се анихилират с образуването на енергийни кванти. Всяка частица материя има античастица. При сблъсък на частица и античастица те се анихилират, в резултат на което се освобождава енергия и се раждат други частици. В ранната Вселена е имало повече частици, отколкото античастици, в противен случай анихилацията би изпълнила Вселената с радиация и нямаше да има материя (Silk 1982: 123-125; Hawking 1990: 64, 71-72).

Състоянието на електроните в атома се определя от поредица от числа, наречени квантови числа , и посочете местоположението и формата на орбитите:

номер(n) - това е номерът на орбитата, който определя количеството енергия, което електронът трябва да притежава, за да бъде в орбита, радиуса;

число (ℓ) определя точната форма на електронната вълна в орбита;

брой (m) се нарича магнитен и определя заряда на полето, което заобикаля електрона;

номер(а) , т.нар въртене (въртене) определя скоростта и посоката на въртене на електрона, която се определя от формата на електронната вълна по отношение на вероятността частицата да съществува в определени точки от орбитата.

Тъй като тези характеристики се изразяват като цели числа, това означава, че количеството на въртене на електрона не нараства постепенно, а скача - от една фиксирана стойност към друга. Частиците се характеризират с наличието или отсъствието на маса, електрически заряд, спин (ротационна характеристика, частиците на материята имат спин +1/2, –1/2, частици-носители на взаимодействия 0, 1 и 2) и Vp живот (Erdei -Gruz 1976; Davis 1989: 38-41, 92; Hawking 1990: 62-63; Capra 1994: 63).

През 1925 г. В. Паули си задава въпроса: защо електроните в атома заемат строго определена позиция (2 в първата орбита, 8 във втората, 32 в четвъртата)? Анализирайки спектрите, той излезе с прост принцип: две еднакви частици не могат да бъдат в едно и също състояние , т.е. не могат да имат еднакви координати, скорости, квантови числа. Всички частици на материята са обект на Принцип на забрана на W. Pauli .

Този принцип набляга на прецизната организация на структурите, без която частиците биха се превърнали в хомогенно и плътно желе. Принципът на изключване дава възможност да се обяснят химичните свойства на елементите, определени от електроните на външните незапълнени обвивки, което даде обосновката за периодичната таблица на елементите. Принципът на Паули доведе до нови открития, разбиране на топлинната и електрическата проводимост на металите и полупроводниците. С помощта на принципа на изключване се изграждат електронните обвивки на атомите и става ясна системата от елементи на Менделеев (Дубнищева 1997: 450-452).

Но има частици, които не се подчиняват на принципа на изключване на W. Pauli (няма ограничение за броя на обменените частици, силата на взаимодействие може да бъде всякаква), частици носители или виртуални частици, които нямат маса на „покой“ и създават сили между частиците на материята (Hawking 1990: 64 -65).