Subatominio pasaulio paradoksai
Apibendrinkime kai kuriuos rezultatus, aiškiai nubrėždami visus mums žinomus subatominio pasaulio paradoksus.
1. Atomo, branduolio ir elementariosios dalelės lygyje materija turi dvejopą aspektą, kuri vienoje situacijoje pasireiškia kaip dalelės, o kitoje – kaip bangos. Be to, dalelė turi daugiau ar mažiau apibrėžtą vietą, o banga erdvėje sklinda visomis kryptimis.
2. Dviguba materijos prigimtis lemia „kvantinį efektą“, kuris susideda iš to, kad dalelė, esanti ribotame erdvės tūryje, pradeda intensyviai judėti, ir kuo reikšmingesnis apribojimas, tuo didesnis greitis. Tipiško „kvantinio efekto“ rezultatas – medžiagos kietumas, vieno cheminio elemento atomų tapatumas ir didelis jų mechaninis stabilumas.
Kadangi atomo, o juo labiau branduolio, tūrio apribojimai yra labai reikšmingi, dalelių judėjimo greičiai yra itin dideli. Norint ištirti subatominį pasaulį, reikia naudoti reliatyvistinę fiziką.
3. Atomas visai nepanašus į mažą planetų sistemą. Aplink branduolį sukasi ne dalelės – elektronai, o tikimybinės bangos, o elektronas gali judėti iš orbitos į orbitą, sugerdamas arba išskirdamas energiją fotono pavidalu.
4. Subatominiame lygmenyje yra ne kietieji materialūs klasikinės fizikos objektai, o bangų tikimybiniai modeliai, kurie atspindi santykių egzistavimo tikimybę.
5. Elementariosios dalelės yra visai ne elementarios, bet nepaprastai sudėtingos.
6. Visos žinomos elementarios dalelės turi savo antidaleles. Dalelių ir antidalelių poros susidaro, kai yra pakankamai energijos ir atvirkštinio naikinimo proceso metu paverčiamos gryna energija.
7. Susidūrimų metu dalelės gali pereiti viena į kitą: pvz., susidūrus protonui ir neutronui, gimsta pi-mezonas ir kt.
8. Joks eksperimentas vienu metu negali lemti tikslaus dinaminių kintamųjų matavimo: pavyzdžiui, įvykio padėties laike neapibrėžtis yra susijusi su energijos kiekio neapibrėžtumu taip pat, kaip ir įvykio neapibrėžtis. dalelės erdvinė padėtis yra susijusi su jos impulso neapibrėžtumu.
9. Mišios yra energijos forma; kadangi energija yra dinaminis dydis, susijęs su procesu, dalelė suvokiama kaip dinaminis procesas naudojant energiją, kuri pasireiškia kaip dalelės masė.
10. Subatominės dalelės yra dalijamos ir nedalomos. Susidūrimo metu dviejų dalelių energija persiskirsto ir susidaro tos pačios dalelės. O jei energija pakankamai didelė, tai be tų pačių, kaip ir pirminės, gali susidaryti papildomai naujų dalelių.
11. Dalelių tarpusavio traukos ir atstūmimo jėgos geba transformuotis į tas pačias daleles.
12. Dalelių pasaulis negali būti suskaidytas į mažiausius vienas nuo kito nepriklausomus komponentus; dalelė negali būti izoliuota.
13. Atomo viduje materija tam tikrose vietose neegzistuoja, greičiau „gali egzistuoti“; atominiai reiškiniai tikrai nevyksta tam tikrose vietose ir tam tikru būdu, o veikiau „gali atsitikti“.
14. Eksperimento rezultatui įtakos turi paruošimo ir matavimo sistema, kurios galutinė grandis yra stebėtojas. Objekto savybės svarbios tik objekto sąveikos su stebėtoju kontekste, nes stebėtojas nusprendžia, kaip jis atliks matavimus, ir, priklausomai nuo jo sprendimo, gauna stebimo objekto savybės charakteristiką.
15. Subatominiame pasaulyje egzistuoja nelokalūs ryšiai.
Atrodytų, kad subatominiame pasaulyje, kuris yra makrokosmoso pagrindas, yra pakankamai sudėtingumo ir painiavos. Bet ne! Tai dar ne viskas.
Realybė, kuri buvo atrasta tyrinėjant subatominį pasaulį, atskleidė sąvokų vienovę, kuri iki šiol atrodė priešinga ir net nesuderinama. Dalelės ne tik dalijamos ir nedalomos vienu metu, materija yra ir nenutrūkstama, ir nenutrūkstama, energija virsta dalelėmis ir atvirkščiai ir pan., reliatyvistinė fizika netgi suvienijo erdvės ir laiko sąvokas. Būtent ši pamatinė vienybė, egzistuojanti aukštesnėje dimensijoje (keturmatėje erdvėlaikyje), yra visų priešingų sąvokų suvienijimo pagrindas.
Įvedus tikimybių bangų sąvoką, kuri tam tikru mastu išsprendė „dalelių bangos“ paradoksą, perkeldama jį į visiškai naują kontekstą, paskatino naujos, daug globalesnių opozicijų poros atsiradimą: buvimas ir nebūtis(vienas). Atominė tikrovė taip pat yra už šios priešpriešos.
Galbūt ši priešprieša yra sunkiausia suvokimui iš mūsų sąmonės. Fizikoje gali būti sukurti betoniniai modeliai, rodantys perėjimą iš dalelių būsenos į bangų būseną ir atvirkščiai. Tačiau joks modelis negali paaiškinti perėjimo iš egzistavimo į nebūtį. Joks fizinis procesas negali būti naudojamas paaiškinti perėjimą iš būsenos, vadinamos virtualia dalele, į ramybės būseną vakuume, kai šie objektai išnyksta.
Negalime sakyti, kad atominė dalelė egzistuoja viename ar kitame taške, ir negalime sakyti, kad jos nėra. Būdama tikimybinė schema, dalelė gali egzistuoti (vienu metu!) skirtinguose taškuose ir reprezentuoti keistą fizinės tikrovės rūšį, kažką tarp egzistavimo ir nebūties. Todėl negalime apibūdinti dalelės būsenos fiksuotomis priešingomis sąvokomis (juoda-balta, plius-minusas, šalta-šilta ir kt.). Dalelė nėra tam tikrame taške ir ten nėra. Ji nejuda ir ilsisi. Keičiasi tik tikėtinas modelis, tai yra dalelės tendencija būti tam tikruose taškuose.
Robertas Oppenheimeris šį paradoksą tiksliausiai išreiškė sakydamas: „Jei klausiame, pavyzdžiui, ar elektrono vieta yra pastovi, turime pasakyti „ne“, jei klausiame, ar elektrono vieta kinta laikui bėgant, turime pasakyti „ne“. , jei klausiame, ar elektronas nejuda, turime pasakyti „ne“, jei klausiame, ar jis juda, turime pasakyti „ne“. Geriau nesakyk!
Neatsitiktinai W. Heisenbergas prisipažino: „Prisimenu daugybę ginčų su Dievu iki vėlyvos nakties, pasibaigusių mūsų bejėgiškumo pripažinimu; kai po ginčo išėjau pasivaikščioti į gretimą parką, vėl ir vėl uždaviau sau tą patį klausimą: „Ar gamtoje gali būti tiek absurdo, kokį matome atominių eksperimentų rezultatuose?
Tokios priešingų sąvokų poros kaip jėga ir materija, dalelė ir banga, judėjimas ir ramybė, buvimas ir nebūtis, sujungtos į vienalaikę vienybę, šiandien yra sunkiausiai suprantama kvantinės teorijos padėtis. Sunku nuspėti, su kokiais dar paradoksais, apverčiančiais visas mūsų idėjas, susidurs mokslas.
siautėjantis pasaulis . Bet tai dar ne viskas. Dalelių gebėjimas reaguoti į suspaudimą didinant judėjimo greitį byloja apie esminį materijos mobilumą, kuris išryškėja gilinantis į subatominį pasaulį. Šiame pasaulyje dauguma dalelių yra pririštos prie molekulinių, atominių ir branduolinių struktūrų, ir visos jos nėra ramybės būsenoje, o yra chaotiško judėjimo būsenoje; jie yra mobiliojo pobūdžio. Kvantinė teorija rodo, kad materija nuolat juda, nė akimirkai nebūdama ramybėje.
Pavyzdžiui, paėmę geležies gabalą į rankas, šio judesio negirdime ir nejaučiame, jis, geležis, mums atrodo nejudrus ir pasyvus. Bet jei pažvelgsime į šį „negyvą“ geležies gabalą po labai galingu mikroskopu, kuris leis pamatyti viską, kas vyksta atome, pamatysime visai ką kita. Prisiminkime geležies atomo modelį, kuriame dvidešimt šeši elektronai sukasi aplink branduolį, susidedantį iš dvidešimt šešių protonų ir trisdešimties neutronų. Greitas dvidešimt šešių elektronų sūkurys aplink branduolį yra tarsi chaotiškas ir nuolat besikeičiantis vabzdžių spiečius. Nuostabu, kaip šie beprotiškai besisukantys elektronai nesusiduria vienas su kitu. Atrodo, kad kiekvienoje viduje yra įmontuotas mechanizmas, akylai užtikrinantis, kad jie nesusidurtų.
O jei pažvelgsime į branduolį, pamatysime protonus ir neutronus, šokančius pašėlusiu lambados ritmu, kai šokėjai keičiasi, o poros keičia partnerius. Žodžiu, „negyvame“ metale tiesiogine ir perkeltine prasme karaliauja toks įvairus protonų, neutronų ir elektronų judėjimas, kurio tiesiog neįmanoma įsivaizduoti.
Šis daugiasluoksnis, siautėjantis pasaulis susideda iš atomų ir subatominių dalelių, judančių įvairiomis orbitomis laukiniu greičiu, „šokančių“ nuostabų gyvenimo šokį pagal kažkieno sukurtą muziką. Bet juk visi materialūs objektai, kuriuos matome aplinkui, susideda iš atomų, tarpusavyje sujungtų įvairių tipų intramolekuliniais ryšiais ir taip suformuojant molekules. Tik molekulėje esantys elektronai juda ne aplink kiekvieną atomo branduolį, o aplink atomų grupę. O šios molekulės taip pat yra nuolatiniame chaotiškame svyravimo judesyje, kurio pobūdis priklauso nuo terminių sąlygų aplink atomus.
Žodžiu, subatominiame ir atominiame pasaulio ritmas, judėjimas ir nepaliaujama kaita karaliauja. Tačiau visi pakeitimai nėra atsitiktiniai ir ne savavališki. Jie seka labai aiškius ir skirtingus modelius: visos vienokios ar kitokios rūšies dalelės yra absoliučiai identiškos masės, elektros krūvio ir kitų būdingų rodiklių; visos įkrautos dalelės turi elektros krūvį, kuris yra arba lygus elektrono krūviui, arba priešingo ženklo ženklu arba viršija jį du kartus; ir kitos dalelių charakteristikos gali įgauti ne bet kokias savavališkas reikšmes, o tik ribotą jų skaičių, kas leidžia mokslininkams daleles suskirstyti į kelias grupes, kurias dar galima vadinti „šeimomis“ (24).
Nevalingai kyla klausimai: kas sukūrė muziką nuostabiam subatominių dalelių šokiui, kas nustatė informacinę programą ir išmokė šokti poras, nuo kurio momento šis šokis prasidėjo? Kitaip tariant: kaip formuojasi materija, kas ją sukūrė, kada tai įvyko? Tai klausimai, į kuriuos mokslas ieško atsakymų.
Deja, mūsų pasaulėžiūra ribota ir apytikslė. Mūsų ribotas gamtos supratimas lemia ribotų „gamtos dėsnių“, leidžiančių aprašyti daugybę reiškinių, vystymąsi, tačiau svarbiausi visatos dėsniai, turintys įtakos žmogaus pasaulėžiūrai, mums vis dar iš esmės nežinomi.
„Daugumos fizikų požiūris primena šizofreniko pasaulėžiūrą“, – sako kvantinis fizikas Fritzas Rohrlichas iš Sirakūzų universiteto. Viena vertus, jie priima standartinę kvantinės teorijos interpretaciją. Kita vertus, jie primygtinai reikalauja kvantinių sistemų tikrovės, net jei jos iš esmės yra nepastebimos.
Tikrai keista pozicija, kurią galima išreikšti taip: „Aš apie tai negalvosiu, net jei ir žinosiu, kad tai tiesa“. Ši pozicija neleidžia daugeliui fizikų svarstyti loginių nuostabiausių kvantinės fizikos atradimų pasekmių. Kaip pažymi Davidas Merminas iš Kornelio universiteto, fizikai skirstomi į tris kategorijas: pirma, mažuma, kurią persekioja akivaizdžios loginės pasekmės; antroji – tai grupė, kuri vengia problemos remdamasi daug svarstymų ir argumentų, dažniausiai nepatvirtintų; ir galiausiai trečioji kategorija – tie, kurie neturi jokių samprotavimų, bet jiems nerūpi. „Ši padėtis, žinoma, yra patogiausia“, – pažymi Merminas (1).
Nepaisant to, mokslininkai žino, kad visos jų teorijos, apibūdinančios gamtos reiškinius, įskaitant „dėsnių“ apibūdinimą, yra žmogaus sąmonės produktas, mūsų pasaulio paveikslo konceptualios struktūros pasekmės, o ne pačios tikrovės savybės. Visi moksliniai modeliai ir teorijos yra tik tikrosios padėties apytikslis vaizdas. Nė vienas iš jų negali pretenduoti į galutinę tiesą. Teorijų neapibrėžtumas pirmiausia pasireiškia naudojant vadinamąsias „pagrindines konstantas“, tai yra dydžius, kurių reikšmės nėra išvestos iš atitinkamų teorijų, o nustatomos empiriškai. Kvantinė teorija negali paaiškinti, kodėl elektronas turi tokią masę ir tokį elektros krūvį, o reliatyvumo teorija negali paaiškinti tik tokios šviesos greičio reikšmės.
Žinoma, mokslas niekada nesugebės sukurti idealios teorijos, kuri viską paaiškintų, tačiau jis turi nuolat to siekti, net jei tai yra nepasiekiamas etapas. Kuo aukštesnė kartelė, per kurią šuolininkas turi peršokti, tuo didesnį aukštį jis įgis, net jei ir nepasieks rekordo. O mokslininkai, kaip šuolininkas treniruotėse, nuolat kelia kartelę, nuosekliai kurdami atskiras dalines ir apytiksles teorijas, kurių kiekviena yra tikslesnė už ankstesnę.
Šiandien mokslas jau turi nemažai privačių teorijų ir modelių, kurie gana sėkmingai apibūdina kai kuriuos mus jaudinančios banginės kvantinės tikrovės aspektus. Daugelio mokslininkų nuomone, perspektyviausios teorijos – atramos taškas tolesniam teorinės fizikos, paremtos sąmone, vystymuisi, yra Jeffrey Chu „bootstrap“ hipotezė, Davido Bohmo teorija ir sukimo laukų teorija. Ir unikalus Rusijos mokslininkų eksperimentinis darbas, vadovaujamas akademiko V. P. Kaznačejevo, iš esmės patvirtina Visatos ir sąmonės tyrimo metodų, įterptų į šias hipotezes ir teorijas, teisingumą.
Iš knygos Hiperborėjos mokymas autorius Tatishchev B Yu2. 1. Šiuolaikinės Rusijos paradoksai. Laikai pasikeitė. Dabartinis „demokratas“, norėdamas tęsti Rusijos ir jos žmonių apiplėšimą, turi dėti tam tikras pastangas „stabilizuoti ekonomiką“. O „patriotai – suverenai“ jau seniai perėjo visas jiems skirtas sąlygas
Iš knygos Kitų pasaulių fenomenai autorius Kulskis Aleksandras11 skyrius. PARADOKSAI, KURIŲ NIEKADA neegzistavo Vienas iš kertinių akmenų, pagrindinių tradicinės fizikos ir filosofijos akmenų, yra priežastingumo principas. Tai yra „geležinis“ vienakryptiškumas priežasties ir pasekmės santykyje. Todėl pirmiausia
Iš knygos Dvasios fizikos pagrindai autorius Sklyarovas Andrejus Jurjevičius6 skyrius „Viskas gyva, bet sąlyginai mes laikome tik tai, kas jaučiasi pakankamai stipru, kad būtų gyva“. K. Ciolkovskis Materialiame makrokosmose, kaip žinoma, materija (kaip viena
Iš knygos Paskutinis Don Žuano testamentas: toltekų magija ir ezoterinis dvasingumas autorius Kaptenas (Omkarovas) Jurijus (Artūras) Leonardovičius6. SVEIKATOS PARADOKSAI IŠ MAGIJOS IR DVASINGUMO POZICIJOS Nors daugelis savigydos magijos aspektų jau buvo paminėti aukščiau ir man teko tai kartoti ne kartą, prasminga susisteminti ir sujungti dalykus, susijusius su įgyti ilgalaikę sveikatą per
Iš knygos NSO: Lankytojai iš amžinybės autorius Komissarovas Vitalijus SergejevičiusSenovės žinių paradoksai "... Mūsų įsišaknijusiuose požiūriuose į praeitį neolito protėvis visada buvo pateikiamas pūkuoto mamuto vaiko pavidalu. Tačiau netikėti atradimai krito vienas po kito..." Kas buvo mūsų protėviai? Šis klausimas atrodė jau seniai
Iš knygos „Laiko prigimtis: hipotezė apie laiko kilmę ir fizinę esmę“ autorius Paplūdimys Anatolijus Makarovičius3.3. Laiko mįslės ir paradoksai Abejonės, ar įtraukti šią dalį į šį kūrinį, neapleido manęs iki paskutinės minutės. Viena vertus, norėčiau pabandyti paaiškinti kai kurias laiko paslaptis ir parapsichologijos reiškinius, bet, kita vertus, tai
Iš knygos Gyvenimas be sienų. moralės dėsnis autorius3.3.1. Fiziniai laiko paradoksai „1912 metų vasarą... Didžiosios Britanijos laikraščiai aprašė paslaptingą istoriją, nutikusią greituoju traukiniu iš Londono į Glazgą. Įvykio liudininkais viename iš automobilių buvo du vienas kitam nepažįstami keleiviai -
Iš knygos Gyvenimo mokymas autorius Rerichas Elena Ivanovna Iš knygos Knyga 3. Būdai. Keliai. Susitikimai autorius Sidorovas Georgijus Aleksejevičius Iš knygos Gyvenimo mokymas autorius Rerichas Elena Ivanovna Iš knygos „Menas valdyti pasaulį“. autorius Vinogrodskis Bronislavas Bronislavovičius[Pasaulio Motinos simbolis, slepiantis savo veidą nuo pasaulio] Priminsiu, kad Pasaulio Motina savo veidą nuo žmonijos paslėpė ir dėl kosminių priežasčių. Nes kai Liuciferis nusprendė pažeminti moterį, kad perimtų valdžią žmonijai, kosminės sąlygos buvo palankios tokiai
Iš knygos Gyvenimas be sienų. Moralinis įstatymas autorius Žikarencevas Vladimiras VasiljevičiusBūsenų valdymas sąmonės paradoksai Kai tik atsiranda noras pagerinti savo būklę, tai reiškia, kad įvyko pablogėjimas. Kai tik ketini tobulėti, vadinasi atradai naujų netobulumų.. Ketinimas gimsta ten, kur yra
Iš knygos Kaip svajonės ir rašysena padės ištaisyti praeities klaidas pateikė Antis JackBūsenos valdymas Didžiųjų paradoksai Sąmonės raidos principus galima išreikšti stabiliais apibrėžimais: Vidinė tobulumo supratimo aiškumo būsena išoriškai gali pasireikšti kaip nesusipratimo tamsa Vidinė pažangos tobulėjimo keliu būsena.
Iš knygos „Nemirtingumo kodas“. Tiesos ir mitai apie amžinąjį gyvenimą autorius Prokopenko Igoris StanislavovičiusRusiško gyvenimo paradoksai Įstatymai ir logika Rusijoje neveikia, nes pagrindinis mūsų šalies įstatymas yra širdis, centras, kuriame susilieja visos priešybės. Širdis sprendžia pasaulį, žmones ir reiškinius, remdamasi pasaulio ir daiktų vienybe, todėl jai nėra įstatymų,
Iš autorės knygos14 skyrius Sapnai, kurie mus pažadina (Ar sapnai-paradoksai) PRANAŠINIAI, arba nuspėjami, sapnai, kuriuos dažniausiai skiriame ryškia spalva ir pojūčių aštrumu. Bet tas pats pasakytina ir apie siužeto ar vaizdo PARADOKSALUMĄ...Grįžkime prie mūsų Alisos.Iš konteksto ištrauksiu paradoksaliai susijusius vaizdus
Iš autorės knygos3 skyrius. Ilgaamžiškumo paradoksai 2013 m. vasarą mokslininkai išsakė sensacingą prognozę: tiesiogine prasme per 10 metų vidutinė žmogaus gyvenimo trukmė gali padvigubėti, o ilgesniu laikotarpiu galima nugalėti senėjimą, o vėliau ir mirtį. Vokiečių mokslininkai iš Kylio
Dalelės, sudarančios atomus, gali būti įsivaizduojamos įvairiai – pavyzdžiui, apvalių dulkių dalelių pavidalu. Jie yra tokie maži, kad kiekvienas toks dulkių grūdelis negali būti nagrinėjamas atskirai. Visa materija, esanti aplinkiniame pasaulyje, susideda iš tokių dalelių. Kokios yra dalelės, sudarančios atomus?
Apibrėžimas
Subatominė dalelė yra viena iš tų „plytų“, iš kurių pastatytas visas pasaulis. Šios dalelės apima protonus ir neutronus, kurie yra atomo branduolių dalis. Šiai kategorijai priklauso ir aplink branduolius besisukantys elektronai. Kitaip tariant, subatominės dalelės fizikoje yra protonai, neutronai ir elektronai. Žmogui pažįstamame pasaulyje, kaip taisyklė, kitos rūšies dalelių nerandama – jos gyvena neįprastai trumpai. Pasibaigus jų amžiui, jie suyra į įprastas daleles.
Tų subatominių dalelių, kurios gyvena palyginti trumpai, skaičius šiandien siekia šimtus. Jų skaičius toks didelis, kad mokslininkai jiems nebevartoja įprastų pavadinimų. Kaip ir žvaigždėms, joms dažnai priskiriami skaitiniai ir abėcėliniai pavadinimai.
Pagrindinės charakteristikos
Sukas, elektros krūvis ir masė yra vienos iš svarbiausių bet kurios subatominės dalelės savybių. Kadangi dalelės svoris dažnai siejamas su mase, kai kurios dalelės tradiciškai vadinamos „sunkiomis“. Einšteino lygtis (E = mc2) rodo, kad subatominės dalelės masė tiesiogiai priklauso nuo jos energijos ir greičio. Kalbant apie elektros krūvį, jis visada yra pagrindinio vieneto kartotinis. Pavyzdžiui, jei protono krūvis yra +1, tai elektrono krūvis yra -1. Tačiau kai kurios subatominės dalelės, tokios kaip fotonas ar neutrinas, visiškai neturi elektros krūvio.
Kita svarbi charakteristika yra dalelių tarnavimo laikas. Visai neseniai mokslininkai įsitikino, kad elektronai, fotonai, taip pat neutrinai ir protonai yra visiškai stabilūs, o jų gyvenimo trukmė yra beveik begalinė. Tačiau tai ne visai tiesa. Pavyzdžiui, neutronas išlieka stabilus tik tol, kol „išsilaisvina“ iš atomo branduolio. Po to jo tarnavimo laikas yra vidutiniškai 15 minučių. Visos nestabilios dalelės patiria kvantinį skilimo procesą, kuris niekada negali būti visiškai nuspėjamas.
Dalelių tyrimas
Atomas buvo laikomas nedalomu – kol nebuvo atrasta jo struktūra. Maždaug prieš šimtmetį Rutherfordas atliko savo garsiuosius eksperimentus, kurių metu bombardavo ploną lakštą.Paaiškėjo, kad materijos atomai praktiškai tušti. O atomo centre yra viskas, ką vadiname atomo branduoliu – jis maždaug tūkstantį kartų mažesnis už patį atomą. Tuo metu mokslininkai manė, kad atomas susideda iš dviejų tipų dalelių – branduolio ir elektronų.
Laikui bėgant mokslininkams kyla klausimas: kodėl protonas, elektronas ir pozitronas sulimpa ir nesuyra skirtingomis kryptimis veikiami Kulono jėgų? O ir to meto mokslininkams liko neaišku: jeigu šios dalelės yra elementarios, tai joms nieko negali atsitikti, jos turi gyventi amžinai.
Tobulėjant kvantinei fizikai, mokslininkai išsiaiškino, kad neutronas yra skilimo objektas ir tuo pačiu gana greitai. Jis skyla į protoną, elektroną ir dar ką nors, ko nepavyko sugauti. Pastarąjį pastebėjo energijos trūkumas. Tada mokslininkai manė, kad elementariųjų dalelių sąrašas yra išnaudotas, tačiau dabar žinoma, kad taip toli gražu. Buvo atrasta nauja dalelė, vadinama neutrinu. Jis neturi elektros krūvio ir turi labai mažą masę.
Neutronas
Neutronas yra subatominė dalelė, turinti neutralų elektros krūvį. Jo masė yra beveik 2000 kartų didesnė už elektrono masę. Kadangi neutronai priklauso neutralių dalelių klasei, jie tiesiogiai sąveikauja su atomų branduoliais, o ne su jų elektronų apvalkalu. Neutronai taip pat turi magnetinį momentą, leidžiantį mokslininkams ištirti mikroskopinę medžiagos magnetinę struktūrą. Neutronų spinduliuotė yra nekenksminga net biologiniams organizmams.
Subatominė dalelė – protonas
Mokslininkai nustatė, kad šios „medžiagos plytos“ susideda iš trijų kvarkų. Protonas yra teigiamai įkrauta dalelė. Protono masė viršija elektrono masę 1836 kartus. Vienas protonas ir vienas elektronas, susijungę, sudaro paprasčiausią cheminį elementą – vandenilio atomą. Dar visai neseniai buvo manoma, kad protonai negali pakeisti savo spindulio priklausomai nuo to, kurie elektronai skrieja virš jų. Protonas yra elektriškai įkrauta dalelė. Susijungęs su elektronu, jis virsta neutronu.
Elektronas
Pirmą kartą elektroną atrado anglų fizikas J. Thomsonas 1897. Ši dalelė, kaip dabar mano mokslininkai, yra elementarus arba taškinis objektas. Taip vadinama subatominė dalelė atome, kuri neturi savo struktūros – nesusideda iš jokių kitų, mažesnių komponentų. Susijungęs su protonu ir neutronu, elektronas sudaro atomą. Dabar mokslininkai dar neišsiaiškino, iš ko susideda ši dalelė. Elektronas yra dalelė, turinti be galo mažą elektros krūvį. Pats žodis „elektronas“ išvertus iš senovės graikų kalbos reiškia „gintaras“ – juk Helos mokslininkai gintarą naudojo tirdami elektros reiškinius. Šį terminą 1894 metais pasiūlė britų fizikas J. Stoney.
Kodėl verta studijuoti elementarias daleles?
Paprasčiausias atsakymas į klausimą, kodėl mokslininkai turi žinoti apie subatomines daleles, yra: turėti informacijos apie vidinę atomo sandarą. Tačiau šiame teiginyje yra tik dalelė tiesos. Tiesą sakant, mokslininkai tiria ne tik vidinę atomo sandarą – pagrindinė jų tyrimų sritis yra mažiausių materijos dalelių susidūrimas. Kai šios milžinišką energiją turinčios dalelės dideliu greičiu susiduria viena su kita, tiesiogine prasme gimsta naujas pasaulis, o po susidūrimų likę materijos fragmentai padeda atskleisti gamtos paslaptis, kurios mokslininkams visada liko paslaptimi.
Subatominiai elektronai, dalelių protonai ir neutronai
Pirmąją modernią atomizmo teoriją iškėlė Johnas Daltonas. Jis pasiūlė, kad kiekvienas cheminis elementas sudarytas iš vienodo dydžio ir masės atomų. Buvo manoma, kad šios dalelės cheminės reakcijos metu yra nedalomos ir nepakitusios. Daltonas tokių elementų kaip vandenilis, deguonis, azotas ir siera atomams priskyrė tam tikrus santykinius svorius (tiksliau, mases), taip pat kiekvienam elementui suteikė specifinį simbolį.
Tačiau XIX amžiaus pabaigoje buvo padaryta nemažai atradimų, kurie parodė, kad atomas visai nėra nedaloma dalelė, o susideda iš subatominių dalelių. Pirmasis iš šių atradimų buvo pagrįstas neigiamo krūvio elektrodo skleidžiamų spindulių tyrimu. Šių katodinių spindulių egzistavimas buvo įrodytas 1870-aisiais Crookeso ir Goldsteino atliktais eksperimentais. Pavyzdžiui, Crookeso eksperimente su turbina katodiniai spinduliai suko mažytį sparnuotės ratą ant stiklinės suspensijos. 1895 metais Vilhelmas Rentgenas atrado rentgeno spindulius, vėliau vadinamus rentgeno spinduliais. Kitais metais Antoine'as Henri Becquerel parodė, kad urano druska spontaniškai skleidžia nematomą spinduliuotę, panašią į rentgeno spindulius; reiškinys buvo vadinamas radioaktyvumu. Rentgenas ir Becquerel už savo tyrimus buvo apdovanoti Nobelio premija.
Elektronas.
Elektronas buvo pirmoji atrasta subatominė dalelė. 1874 metais J. J. Stoney pasiūlė, kad elektros srovė yra neigiamai įkrautų dalelių srautas, kurį jis 1891 metais pavadino elektronais. Tačiau elektrono atradimo prioritetas beveik visuotinai suteiktas J. J. Thomsonui, kuris nustatė specifinį elektrono krūvį ir santykinę masę.
Josephas Johnas Thomsonas, elektrono atradėjas 1897 m. Nobelio fizikos premijos laureatas 1906 m. Jo sūnus George'as Paget Thomson, atlikęs elektronų, einančių per aukso foliją difrakcijos tyrimus, patvirtino Louis de Broglie teoriją, pagal kurią laisvieji elektronai elgiasi ir kaip bangos, ir kaip dalelės. J. Pagetas Thomsonas kartu su K. Davissonu 1937 metais gavo Nobelio fizikos premiją už elektronų difrakcijos atradimą kristalais.
Ryžiai. 1.1. Thomson prietaisas, 1 - katodas (-); 2 - anodas (+) su skylute; 3 - antriniai elektrodai, skirti nukreipti katodinius spindulius; 4 - atmesta vieta; 5 - neatmesta vieta; 6 - liuminescencinis ekranas.
R. E. Millikenas.
R. S. Mullikenas.
Kartais dėl pavardžių panašumo Millikanas painiojamas su Mullikenu. Abu jie yra Nobelio premijos laureatai.
Robertas Andrusas Millikenas – amerikiečių fizikas, eksperimentuodamas su naftos lašeliais, nustatęs elektrono krūvį. Šiame eksperimente jis sukūrė elektros krūvius ant mažiausių aliejaus lašelių, veikiant juos rentgeno spinduliais. Lašeliai lėtai nusėdo erdvėje tarp dviejų horizontalių kondensatoriaus plokščių. Atskiro lašelio masę galima nustatyti išmatuojant jo kritimo greitį. Tada kondensatoriaus plokštės buvo įkraunamos, o tai lėmė įkrautų lašelių kritimo greičio pasikeitimą. Išmatavus lašelių greitį, Millikanas galėjo apskaičiuoti jų krūvius. Nors lašelių krūviai nebuvo vienodi, buvo nustatyta, kad jie visi buvo tam tikros vertės kartotiniai, tai yra elektrono krūvis. Millikanas gavo Nobelio fizikos premiją 1923 m.
Robertas Sandersonas Mullikenas – amerikiečių chemikas ir fizikas, 1966 m. apdovanotas Nobelio chemijos premija už cheminio ryšio prigimties ir molekulinės struktūros teorinius tyrimus. 1920-aisiais jis pritaikė kvantinę mechaniką teoriniam cheminės jungties aprašymui ir molekulinių spektrų aiškinimui. Visų pirma, jis pristatė molekulinių orbitalių idėją ir parodė, kad elektronai gali būti delokalizuoti ant jungčių, aprašytų molekulinėmis orbitalėmis (žr. 2 sk.).
Tomsonas elektroną atrado atlikęs tyrimus su katodiniais spinduliais. Išlydžio vamzdžio, kurį jis naudojo katodiniams spinduliams gaminti, schema parodyta fig. 1.1. Išlydžio vamzdyje sukūręs žemą slėgį ir aukštą įtampą (1500 V ir daugiau), Thomson gavo katodinius spindulius, kurie suformavo aiškiai matomą vietą liuminescenciniame ekrane. Šią vietą būtų galima nukreipti į šoną naudojant antrinių elektrodų sukurtą elektrinį lauką. Dėmė taip pat buvo nukreipta į šoną, veikiant magnetiniam laukui, nukreiptam statmenai elektriniam laukui (tai nepavaizduota paveikslėlyje). Šie stebėjimai paskatino Thomsoną padaryti išvadą, kad katodiniai spinduliai yra neigiamai įkrautų dalelių, vadinamų elektronais, srautas. Matuojant magnetinio ir elektrinio lauko stiprumą ir atitinkamą
Ryžiai. 1.2. Goldsteino atrasti kanalų spinduliai. 1 - anodas (+); 2 - katodas (-) su skylutėmis; 3 - antrinis elektrodas kanalo sijų nukreipimui.
dėmių nukrypimai. Thomson sugebėjo apskaičiuoti šių dalelių krūvio ir masės santykį. Jis nustatė, kad nesvarbu, kokios dujos buvo naudojamos užpildyti išleidimo vamzdį, vertė išliko ta pati. Remdamasis tuo, Thomsonas padarė išvadą, kad visų elementų atomuose yra elektronų.
1909 metais R.E. Millikanas, atlikdamas savo garsiuosius eksperimentus su naftos lašeliais, nustatė elektrono krūvį. Kartu su Thomsono nustatyta santykio reikšme tai leido apskaičiuoti elektrono masę. Šiuo metu priimtos šių kiekių vertės yra
Protonas.
Antrasis, norint atrasti subatomines daleles, buvo protonas. 1886 metais Goldsteinas pastebėjo perforuoto katodo skleidžiamus teigiamo krūvio spindulius. Jis juos pavadino kanalo spinduliais (1.2 pav.).
1899 m. Rutherfordas atrado radioaktyvųjį ir radiacinį poveikį. Maždaug tuo pačiu metu Thomsonas pasiūlė savo atomo struktūros modelį, kuris leidžia paaiškinti neigiamai ir teigiamai įkrautų dalių buvimą atome ("slyvų pudingo" modelis, žr. toliau).
Ernestas Rutherfordas.
Ernestas Rutherfordas gimė Naujojoje Zelandijoje 1871 m. rugpjūčio 30 d. Būdamas 27 metų jis tapo fizikos profesoriumi McGill universitete Monrealyje, Kanadoje ir netrukus tapo vienu iš pirmaujančių ekspertų sparčiai besivystančioje radioaktyvumo tyrimų srityje. Jis atrado keletą radioaktyvių elementų ir nustatė dviejų tipų radioaktyviosios spinduliuotės buvimą: ir -radiaciją. Kartu su Fredericku Soddy jis atrado, kad radioaktyvumas turi tam tikrą pusinės eliminacijos laiką. 1907 m. Rutherfordas persikėlė į Angliją, kur 1909 m. Mančesterio universitete kartu su Hansu Geigeriu dar kartą įrodė, kad -dalelės yra dvigubai įkrauti helio jonai. 1908 metais Rutherfordas gavo Nobelio premiją už radioaktyvumo tyrimus. 1910 m. kartu su Geigeriu ir Marsdenu jis atrado, kad dalelės, einančios per ploną metalinę foliją, nukrypsta nuo pradinės judėjimo krypties. Šis atradimas paskatino Rutherfordą 1911 m. sukurti naują planetinį atomo struktūros modelį. 1914 m. jis pasiūlė protono egzistavimą, o 1920 m. numatė neutrono egzistavimą. Už mokslinius nuopelnus 1914 metais Rutherfordas pagal anglų paprotį buvo pakeltas į riterių titulą, o 1921 metais apdovanotas ordinu „Už nuopelnus“. 1915–1930 m. buvo Londono karališkosios draugijos prezidentas, o 1931 m. Oi mirė 1937 m. spalio 19 d. Rutherfordas neabejotinai yra vienas iškiliausių XX amžiaus mokslininkų.
Ryžiai. 1.3. Geigerio ir Marsdeno eksperimentas. a - a-dalelių išsibarstymas perėjus per plonos aukso folijos lakštą. Dauguma dalelių prasiskverbia pro foliją be deformacijos, tačiau kai kurios dalelės rikošetu grįžta link šaltinio; b – pagal Rutherfordo prielaidą, rikošetuojančios dalelės patiria susidūrimą su atomo šerdimi jo branduoliu. Šis pastebėjimas paskatino Rutherfordą pateikti naują atomo struktūros modelį.
1909 m. Rutherfordas parodė, kad radiacija, kurią jis atrado anksčiau, atsirado dėl teigiamai įkrautų helio atomų. Tačiau tikroji šių teigiamų dalelių prigimtis buvo nustatyta tik 1914 m. po garsiojo Geigerio ir Marsdeno eksperimento.
Hansas Geigeris ir Ernestas Marsdenas buvo Rutherfordo mokiniai. 1910 metais jie atliko eksperimentus, kurių metu a-dalelių pluoštu bombardavo plonus aukso folijos lakštus (1.3 pav.). Kai kurios a-dalelės praėjo per foliją be deformacijos (A linija), o kitos nukrypo nuo pradinės krypties (B linija). Visų nuostabai, maždaug 1 iš 20 000 dalelių atsisuko atgal (C linija). „Tai buvo beveik taip pat neįtikėtina, – vėliau sakė Rutherfordas, – tarsi tu iššovė 15 colių sviedinį į minkštojo popieriaus gabalą, o sviedinys rikošetu atsitrenkė atgal ir pataikė į tave. Iš šio eksperimento paaiškėjo, kad atomo centre yra labai mažas teigiamai įkrautas branduolys, apsuptas santykinai tolimų šviesos neigiamo krūvio elektronų.
Tada Rutherfordas numatė protono egzistavimą ir parodė, kad jo masė turi būti daugiau nei 1800 kartų didesnė už elektrono masę.
Neutronas.
Neutrono egzistavimą 1920 m. numatė Rutherfordas, norėdamas paaiškinti skirtumą tarp atominės masės ir atominio skaičiaus (žr. toliau). Neutroną 1932 metais eksperimentiškai atrado J. Chadwickas, tyrinėdamas rezultatus
berilio bombardavimas a-dalelėmis. Tuo pačiu metu berilis išskirdavo daleles, turinčias didelę prasiskverbimo galią, kurios nenukrypdavo elektriniuose ir magnetiniuose laukuose. Kadangi šios dalelės buvo neutralios, jos buvo vadinamos neutronais.
6. Subatominių dalelių pasaulis
Atomo skilimas
Dažnai sakoma, kad yra dviejų rūšių mokslai – dideli mokslai ir mažieji. Atomo skaidymas yra didelis mokslas. Jis turi milžiniškas eksperimentines patalpas, milžiniškus biudžetus ir gauna liūto dalį Nobelio premijų.
Kodėl fizikai turėjo suskaidyti atomą? Paprastas atsakymas – suprasti, kaip veikia atomas – turi tik dalelę tiesos, tačiau yra ir bendresnė priežastis. Kalbėti pažodžiui apie atomo skilimą nėra visiškai teisinga. Iš tikrųjų mes kalbame apie didelės energijos dalelių susidūrimą. Dideliu greičiu judančių subatominių dalelių susidūrimo metu gimsta naujas sąveikų ir laukų pasaulis. Didžiulę energiją nešančios materijos fragmentai, išsibarstę po susidūrimų, slepia gamtos paslaptis, kurios nuo „pasaulio sukūrimo“ liko palaidotos atomo viduriuose.
Įrenginiai, kuriuose atliekami didelės energijos dalelių susidūrimai – dalelių greitintuvai – stebina savo dydžiu ir kaina. Jų skersmuo siekia kelis kilometrus ir, palyginti su jais, net laboratorijos, kuriose tiriami dalelių susidūrimai, atrodo mažytės. Kitose mokslinių tyrimų srityse įranga yra laboratorijoje, didelės energijos fizikoje laboratorijos yra prijungtos prie greitintuvo. Neseniai netoli Ženevos įsikūręs Europos branduolinių tyrimų centras (CERN) žiedinio greitintuvo statybai skyrė kelis šimtus milijonų dolerių. Tam statomo tunelio apimtis siekia 27 km. Greitintuvas, vadinamas LEP (LEP, Large Electron-Positron ring – didelis elektronų-pozitronų žiedas), skirtas pagreitinti elektronus ir jų antidaleles (pozitronus) iki greičio, kuris yra tik per plauką nuo šviesos greičio. Norėdami susidaryti supratimą apie energijos mastą, įsivaizduokite, kad vietoj elektronų iki tokio greičio pagreitinama cento moneta. Pagreičio ciklo pabaigoje jame užtektų energijos pagaminti 1000 milijonų dolerių vertės elektros energijos! Nenuostabu, kad tokie eksperimentai dažniausiai priskiriami „didelės energijos“ fizikai. Žiedo viduje judėdami vienas kito link, elektronų ir pozitronų pluoštai patiria tiesioginius susidūrimus, kurių metu elektronai ir pozitronai anihiliuojasi, išskirdami energiją, kurios pakanka, kad susidarytų dešimtys kitų dalelių.
Kas yra šios dalelės? Kai kurios iš jų yra pačios „plytos“, iš kurių esame pastatyti: protonai ir neutronai, sudarantys atomo branduolius, ir aplink branduolius cirkuliuojantys elektronai. Kitų dalelių mus supančioje materijoje dažniausiai nerandama: jų gyvavimo laikas itin trumpas, o jam pasibaigus suyra į įprastas daleles. Tokių nestabilių trumpaamžių dalelių veislių skaičius yra nuostabus: jau žinomi keli šimtai jų. Kaip ir žvaigždės, nestabilių dalelių yra per daug, kad jas būtų galima atskirti „pagal pavadinimą“. Daugelis jų žymimi tik graikiškomis raidėmis, o kai kurie yra tiesiog skaičiai.
Svarbu nepamiršti, kad visos šios daugybės ir įvairios nestabilios dalelės jokiu būdu nėra tiesiogine prasme sudedamosios dalys protonai, neutronai ar elektronai. Susidūrę didelės energijos elektronai ir pozitronai visiškai neišsisklaido į daugelį subatominių fragmentų. Net susidūrus didelės energijos protonams, kurie akivaizdžiai susideda iš kitų objektų (kvarkų), jie, kaip taisyklė, neskyla į sudedamąsias dalis įprasta prasme. Tai, kas vyksta tokiuose susidūrimuose, geriau suvokiama kaip tiesioginė naujų dalelių gamyba iš susidūrimo energijos.
Maždaug prieš dvidešimt metų fizikus visiškai suglumino naujų subatominių dalelių gausa ir įvairovė, kurioms, atrodė, nėra pabaigos. To buvo neįmanoma suprasti kam tiek daug dalelių. Galbūt elementarios dalelės yra tarsi zoologijos sodo gyventojai su numanoma priklausomybe šeimoms, bet be jokios aiškios taksonomijos. O galbūt, kaip tikėjo kai kurie optimistai, elementariosios dalelės turi raktą į visatą? Kokios yra fizikų pastebėtos dalelės: nereikšmingi ir atsitiktiniai materijos fragmentai ar neaiškiai suvokiamos tvarkos kontūrai, iškylantys prieš mūsų akis, rodantys turtingos ir sudėtingos subbranduolinio pasaulio struktūros egzistavimą? Šiandien nekyla abejonių dėl tokios struktūros egzistavimo. Mikrokosmosas turi gilią ir racionalią tvarką, ir mes pradedame suprasti, kokia yra visų šių dalelių prasmė.
Pirmasis žingsnis mikrokosmoso supratimo link buvo žengtas susisteminus visas žinomas daleles, kaip ir XVIII a. biologai sudarė išsamius augalų ir gyvūnų rūšių katalogus. Svarbiausios subatominių dalelių charakteristikos yra masė, elektros krūvis ir sukimasis.
Kadangi masė ir svoris yra susiję, didelės masės dalelės dažnai vadinamos „sunkiosiomis“. Einšteino santykis E \u003d mc ^ 2 rodo, kad dalelės masė priklauso nuo jos energijos, taigi ir nuo greičio. Judanti dalelė yra sunkesnė už ramybės būseną. Kai žmonės kalba apie dalelės masę, jie tai turi omenyje. poilsio masė, kadangi ši masė nepriklauso nuo judėjimo būsenos. Dalelė, kurios ramybės masė nulinė, juda šviesos greičiu. Ryškiausias dalelės su nuline ramybės masės pavyzdys yra fotonas. Manoma, kad elektronas yra lengviausia iš dalelių, kurių ramybės masė yra nulinė. Protonas ir neutronas yra beveik 2000 kartų sunkesni, o sunkiausios laboratorijoje sukurtos dalelės (Z dalelių) masė yra apie 200 000 kartų didesnė už elektrono masę.
Dalelių elektrinis krūvis kinta gana siaurame diapazone, tačiau, kaip pažymėjome, jis visada yra pagrindinio krūvio vieneto kartotinis. Kai kurios dalelės, tokios kaip fotonai ir neutrinai, neturi elektros krūvio. Jei teigiamai įkrauto protono krūvis laikomas +1, tai elektrono krūvis yra -1.
Sk. 2 pristatėme dar vieną dalelių charakteristiką – sukimąsi. Taip pat visada reikia reikšmių, kurios yra tam tikro pagrindinio vieneto kartotiniai, kurie dėl istorinių priežasčių pasirenkami kaip 1 /2. Taigi protonas, neutronas ir elektronas turi sukimąsi 1/2, o fotono sukinys yra 1. Taip pat žinomos dalelės, kurių sukiniai yra 0, 3/2 ir 2. Fundamentalios dalelės, kurių sukiniai yra didesni nei 2, nerasta, o teoretikai mano, kad dalelės su tokiais sukiniais neegzistuoja.
Dalelės sukimasis yra svarbi charakteristika ir, priklausomai nuo jo vertės, visos dalelės skirstomos į dvi klases. Dalelės, kurių sukimai yra 0, 1 ir 2, vadinami „bozonais“ – indų fiziko Chatyendranath Bose garbei, o dalelės, kurių sukimasis yra pusiau sveikasis skaičius (t.y. su sukimu 1/2 arba 3/2 - „fermionai“ Enrico Fermi garbei. Priklausymas vienai iš šių dviejų klasių yra bene svarbiausias dalelių charakteristikų sąraše.
Kita svarbi dalelės savybė yra jos gyvavimo laikas. Dar visai neseniai buvo manoma, kad elektronai, protonai, fotonai ir neutrinai yra absoliučiai stabilūs, t.y. turėti begalinį gyvenimą. Neutronas išlieka stabilus tol, kol yra „užrakintas“ branduolyje, tačiau laisvasis neutronas suyra maždaug per 15 minučių. Visos kitos žinomos dalelės yra labai nestabilios, jų gyvenimo trukmė svyruoja nuo kelių mikrosekundžių iki 10-23 s. Tokie laiko intervalai atrodo nesuvokiamai maži, tačiau nereikia pamiršti, kad artimu šviesos greičiui skrendanti dalelė (o didžioji dalis greitintuvuose susidarančių dalelių juda būtent tokiais greičiais) sugeba nuskristi 300 m atstumą. mikrosekundę.
Nestabilios dalelės skyla, o tai yra kvantinis procesas, todėl skilimo metu visada yra nenuspėjamumo elementas. Konkrečios dalelės gyvenimo trukmė negali būti iš anksto nuspėjama. Remiantis statistiniais sumetimais, galima numatyti tik vidutinę gyvenimo trukmę. Paprastai kalbama apie dalelės pusėjimo trukmę, laiką, per kurį identiškų dalelių populiacija sumažėja per pusę. Eksperimentas rodo, kad populiacijos mažėjimas vyksta eksponentiškai (žr. 6 pav.), o pusinės eliminacijos laikas yra 0,693 vidutinės gyvenimo trukmės.
Fizikams neužtenka žinoti, kad ta ar kita dalelė egzistuoja – jie stengiasi suprasti, koks jos vaidmuo. Atsakymas į šį klausimą priklauso nuo aukščiau išvardintų dalelių savybių, taip pat nuo jėgų, veikiančių dalelę iš išorės ir jos viduje, pobūdžio. Visų pirma, dalelės savybes lemia jos gebėjimas (arba nesugebėjimas) dalyvauti stiprioje sąveikoje. Stiprioje sąveikoje dalyvaujančios dalelės sudaro specialią klasę ir yra vadinamos andronai. Vadinamos dalelės, kurios dalyvauja silpnoje sąveikoje ir nedalyvauja stiprioje sąveikoje leptonai, o tai reiškia „plaučiai“. Trumpai apžvelkime kiekvieną iš šių šeimų.
Leptonai
Garsiausias iš leptonų yra elektronas. Kaip ir visi leptonai, atrodo, kad tai elementarus taškinis objektas. Kiek žinoma, elektronas neturi vidinės struktūros; nesudaro jokių kitų dalelių. Nors leptonai gali turėti arba neturėti elektros krūvio, jie visi turi tą patį sukimąsi 1/2, vadinasi, jie yra fermionai.
Kitas gerai žinomas leptonas, bet be krūvio, yra neutrinas. Kaip jau minėta sk. 2, neutrinai yra sunkiai pasiekiami, kaip vaiduokliai. Kadangi neutrinai nedalyvauja nei stiprioje, nei elektromagnetinėje sąveikoje, jie beveik visiškai nekreipia dėmesio į materiją, prasiskverbia pro ją taip, lyg jos iš viso nebūtų. Dėl didelės neutrinų prasiskverbimo galios ilgą laiką buvo labai sunku eksperimentiškai patvirtinti jų egzistavimą. Tik praėjus beveik trims dešimtmečiams po to, kai buvo prognozuotas neutrinas, jie pagaliau buvo atrasti laboratorijoje. Fizikai turėjo palaukti, kol bus sukurti branduoliniai reaktoriai, kurių metu išmetamas didžiulis kiekis neutrinų, ir tik tada buvo galima užregistruoti vienos dalelės susidūrimą su branduoliu ir taip įrodyti, kad jis tikrai egzistuoja. Šiandien galima atlikti kur kas daugiau eksperimentų su neutrinų pluoštais, kurie atsiranda irstant dalelėms greitintuve ir turi reikiamas charakteristikas. Didžioji dauguma neutrinų „ignoruoja“ taikinį, tačiau karts nuo karto neutrinai vis tiek sąveikauja su taikiniu, o tai leidžia gauti naudingos informacijos apie kitų dalelių struktūrą ir silpnos sąveikos pobūdį. Žinoma, eksperimentams su neutrinais, skirtingai nei eksperimentams su kitomis subatominėmis dalelėmis, specialios apsaugos naudoti nereikia. Neutrinų prasiskverbimo galia yra tokia didelė, kad jie yra visiškai nekenksmingi ir prasiskverbia pro žmogaus kūną, nesukeldami jam nė menkiausios žalos.
Nepaisant jų neapčiuopiamumo, neutrinai užima ypatingą vietą tarp kitų žinomų dalelių, nes jie yra gausiausios dalelės visatoje, milijardą kartų viršijančios elektronų ir protonų skaičių. Visata iš esmės yra neutrinų jūra, kurioje retkarčiais randami inkliuzai atomų pavidalu. Netgi gali būti, kad bendra neutrinų masė viršija bendrą žvaigždžių masę, todėl būtent neutrinai daugiausia prisideda prie kosminės gravitacijos. Anot grupės sovietų tyrinėtojų, neutrinas turi mažytę, bet ne nulinę ramybės masę (mažiau nei viena dešimtoji tūkstantoji elektrono masės dalis); jei tai tiesa, visatoje dominuoja gravitaciniai neutrinai, kurie ateityje gali sukelti jos žlugimą. Taigi, neutrinai, iš pirmo žvilgsnio „nekenksmingiausios“ ir nekūniškiausios dalelės, gali sukelti visos visatos žlugimą.
Kiti leptonai apima miuoną, aptiktą 1936 m. kosminių spindulių sąveikos produktuose; pasirodė, kad tai viena pirmųjų žinomų nestabilių subatominių dalelių. Visais atžvilgiais, išskyrus stabilumą, miuonas primena elektroną: turi vienodą krūvį ir sukimąsi, dalyvauja tose pačiose sąveikose, bet turi didesnę masę. Maždaug per dvi milijonines sekundės dalis miuonas suyra į elektroną ir du neutrinus. Miuonai yra plačiai paplitę gamtoje, jie sudaro nemažą foninės kosminės spinduliuotės dalį, kurią Žemės paviršiuje fiksuoja Geigerio skaitiklis.
Daugelį metų elektronas ir miuonas buvo vieninteliai žinomi įkrauti leptonai. Tada aštuntojo dešimtmečio pabaigoje buvo aptiktas trečiasis įkrautas leptonas, vadinamas „tau leptonu“. Maždaug 3500 elektronų masių masės tau leptonas akivaizdžiai yra įkrautų leptonų trejeto „sunkusis svoris“, tačiau visais kitais atžvilgiais jis elgiasi kaip elektronas ir miuonas.
Šis žinomų leptonų sąrašas jokiu būdu nėra baigtas. 1960-aisiais buvo nustatyta, kad yra keletas neutrinų tipų. Vieno tipo neutrinas gimsta kartu su elektronu neutronui irstant, o kito tipo neutrinas – gimstant miuonui. Kiekvienas neutrino tipas yra suporuotas su savo įkrautu leptonu; vadinasi, yra „elektroninis neutrinas“ ir „miuoninis neutrinas“. Greičiausiai turėtų būti ir trečiojo tipo neutrinas, lydintis tau leptono gimimą. Šiuo atveju bendras neutrinų atmainų skaičius yra trys, o bendras leptonų skaičius – šeši (1 lentelė). Žinoma, kiekvienas leptonas turi savo antidalelę; taigi bendras skirtingų leptonų skaičius yra dvylika.
1 lentelė
Šeši leptonai atitinka įkrautas ir neutralias modifikacijas (antidalelės į lentelę neįtrauktos). Masė ir krūvis išreiškiami atitinkamai elektrono masės ir krūvio vienetais. Yra įrodymų, kad neutrinai gali turėti mažą masę
hadronai
Skirtingai nuo kelių žinomų hadronų leptonų, jų yra šimtai. Jau vien tai rodo, kad hadronai nėra elementarios dalelės, o yra sukurti iš mažesnių komponentų. Visi hadronai dalyvauja stiprioje, silpnoje ir gravitacinėje sąveikoje, tačiau jie būna dviejų atmainų – elektriškai įkrauti ir neutralūs. Tarp hadronų neutronas ir protonas yra labiausiai žinomi ir labiausiai paplitę. Likę hadronai yra trumpalaikiai ir suyra per mažiau nei vieną milijoninę sekundės dalį dėl silpnos sąveikos arba daug greičiau (10–23 s) dėl stiprios sąveikos.
1950-aisiais fizikai buvo nepaprastai suglumę dėl hadronų gausos ir įvairovės. Tačiau po truputį dalelės buvo klasifikuojamos pagal tris svarbias charakteristikas: masę, krūvį ir sukimąsi. Pamažu ėmė ryškėti tvarkos ženklai ir ryškėti aiškus vaizdas. Buvo užuominų, kad už akivaizdaus duomenų chaoso slypi simetrijos. Lemiamas žingsnis išaiškinant hadronų paslaptį buvo žengtas 1963 m., kai Murray Gell-Mann ir George'as Zweigas iš Kalifornijos technologijos instituto pasiūlė kvarkų teoriją.
10 pav Hadronai yra sukurti iš kvarkų. Protonas (viršuje) sudarytas iš dviejų u-kvarkų ir vieno d-kvarko. Šviesesnis pionas (apačioje) yra mezonas, susidedantis iš vieno u-kvarko ir vieno d-antikvarko. Kiti hadronai yra visokie kvarkų deriniai.
Pagrindinė šios teorijos idėja yra labai paprasta. Visi hadronai yra sukurti iš mažesnių dalelių, vadinamų kvarkais. Kvarkai gali derėti vienas su kitu vienu iš dviejų galimų būdų: arba trynukais, arba kvarkų ir antikvarkų poromis. Palyginti sunkios dalelės susideda iš trijų kvarkų - barionai, o tai reiškia „sunkiosios dalelės“. Žinomiausi barionai yra neutronas ir protonas. Lengvesnės kvarko ir antikvarko poros sudaro daleles, vadinamas mezonai -„tarpinės dalelės“. Tokio pavadinimo pasirinkimas paaiškinamas tuo, kad pirmieji atrasti mezonai užėmė tarpinę masės padėtį tarp elektronų ir protonų. Siekdami paaiškinti visus tuo metu žinomus hadronus, Gell-Mann ir Zweig pristatė tris skirtingus kvarkų tipus ("skonius"), kurie gavo gana keistus pavadinimus: ir(nuo aukštyn- viršutinė), d(nuo žemyn-žemesnė) ir s (nuo keista- keista). Darant prielaidą, kad galimi įvairūs skonių deriniai, galima paaiškinti daugybės hadronų egzistavimą. Pavyzdžiui, protonas susideda iš dviejų ir- ir vienas d-kvarkas (10 pav.), o neutroną sudaro du d-kvarkai ir vienas u-kvarkas.
Kad Gell-Mann ir Zweig pasiūlyta teorija būtų teisinga, reikia manyti, kad kvarkai turi dalinį elektros krūvį. Kitaip tariant, jie turi krūvį, kurio reikšmė yra arba 1/3, arba 2/3 pagrindinio vieneto – elektronų krūvio. Dviejų ir trijų kvarkų derinio bendras krūvis gali būti lygus nuliui arba vienam. Visi kvarkai turi 1/2 sukimosi. taigi jie yra fermionai. Kvarkų masės nenustatytos taip tiksliai kaip kitų dalelių masės, nes jų surišimo energija hadrone yra panaši į pačių kvarkų masę. Tačiau žinoma, kad skvarkas yra sunkesnis ir- ir d kvarkai.
Hadronų viduje kvarkai gali būti sužadintos būsenos, daugeliu atžvilgių panašios į sužadintos atomo būsenas, tačiau jų energija yra daug didesnė. Energijos perteklius, esantis sužadintame hadrone, taip padidina jo masę, kad prieš kurdami kvarkų teoriją fizikai klaidingai laikė sužadintus hadronus visiškai skirtingoms dalelėms. Dabar nustatyta, kad daugelis iš pažiūros skirtingų hadronų iš tikrųjų yra tik sužadintos to paties pagrindinio kvarkų rinkinio būsenos.
Kaip jau minėta sk. 5, kvarkus laiko kartu stipri sąveika. Tačiau jie taip pat dalyvauja silpnoje sąveikoje. Silpna jėga gali pakeisti kvarko skonį. Taip vyksta neutronų skilimas. Vienas iš d-kvarkų neutrone virsta u-kvarku, o perteklinis krūvis nuneša tuo pat metu gimusį elektroną. Panašiai, keičiant skonį, silpna sąveika sukelia kitų hadronų irimą.
S-kvarkų egzistavimas yra būtinas vadinamųjų „keistųjų“ dalelių – sunkiųjų hadronų, aptiktų šeštojo dešimtmečio pradžioje, statybai. Neįprastas šių dalelių elgesys, paskatinęs jų pavadinimą, buvo tas, kad jos negalėjo suirti dėl stiprios sąveikos, nors ir jos pačios, ir jų skilimo produktai buvo hadronai. Fizikai nesupranta, kodėl, jei ir motininės, ir dukterinės dalelės priklauso hadronų šeimai, stipri jėga nesukelia jų irimo. Kažkodėl šie hadronai pirmenybę teikė daug ne tokiai intensyviai silpnai sąveikai. Kodėl? Kvarkų teorija natūraliai įminė šią mįslę. Stipri jėga negali pakeisti kvarkų skonio – gali tik silpna jėga. Ir be skonio pasikeitimo, lydimas s-kvarko transformacijos į ir- arba d-kvarkas, skilimas neįmanomas.
Lentelėje. 2 paveiksle pavaizduoti įvairūs galimi trijų skonių kvarkų deriniai ir jų pavadinimai (dažniausiai tai tik graikiška raidė). Daugybė sužadintų būsenų nerodoma. Tai, kad visus žinomus hadronus galima gauti iš įvairių trijų pagrindinių dalelių derinių, simbolizavo pagrindinį kvarkų teorijos triumfą. Tačiau nepaisant šios sėkmės, tik po kelerių metų buvo gauti tiesioginiai fiziniai kvarkų egzistavimo įrodymai.
Šie įrodymai buvo gauti 1969 metais atliekant istorinius eksperimentus su dideliu tiesiniu greitintuvu Stanforde (Kalifornija, JAV) – SLAC. Stanfordo eksperimentuotojai samprotavo paprastai. Jei protone tikrai yra kvarkų, tada protono viduje galima stebėti susidūrimus su šiomis dalelėmis. Tereikia subbranduolinio „sviedinio“, kuris galėtų būti nukreiptas tiesiai į protono žarnas. Nenaudinga šiam tikslui naudoti kitą hadroną, nes jo matmenys tokie patys kaip protono. Idealus sviedinys galėtų būti leptonas, pavyzdžiui, elektronas. Kadangi elektronas nedalyvauja stiprioje sąveikoje, jis „neįstrigs“ terpėje, kurioje susidaro kvarkai. Tuo pačiu metu elektronas gali jausti kvarkų buvimą dėl juose esančio elektros krūvio.
2 lentelė 
Trys kvarkų skoniai u, d ir s atitinka krūvius +2/3, -1/3 ir -1/3; jie susijungia po tris ir sudaro aštuonis lentelėje parodytus barionus. Kvarkų ir antikvarkų poros sudaro mezonus. (Kai kurie deriniai, pvz., sss, yra praleisti.)
Stanfordo eksperimento metu trijų kilometrų greitintuvas iš esmės tarnavo kaip milžiniškas elektronų „mikroskopas“, leidžiantis atvaizduoti protono vidų. Įprastas elektroninis mikroskopas leidžia atskirti smulkesnes nei viena milijoninė centimetro dalis. Kita vertus, protonas yra keliasdešimt milijonų kartų mažesnis ir jį gali „pajusti“ tik elektronai, pagreitinti iki 2,1010 eV energijos. Stanfordo eksperimentų metu nedaug fizikų laikėsi supaprastintos kvarkų teorijos. Dauguma mokslininkų tikėjosi, kad elektronus nukreips protonų elektros krūviai, tačiau buvo manoma, kad krūvis protono viduje pasiskirsto tolygiai. Jei tai būtų tiesa, tai daugiausiai vyktų silpna elektronų sklaida, t.y. eidami pro protonus, elektronai nepatirtų stiprių deformacijų. Eksperimentas parodė, kad sklaidos modelis smarkiai skyrėsi nuo tikėtino. Viskas vyko taip, tarsi elektronai atsitrenktų į mažyčius kietus inkliuzus ir atsimuštų į juos pačiais neįtikėtiniausiais kampais. Dabar žinome, kad kvarkai yra tokie kieti protonų viduje esantys intarpai.
1974 metais jautrų smūgį sulaukė supaprastinta kvarkų teorijos versija, kuri iki tol buvo pripažinta teoretikų tarpe. Per kelias dienas dvi amerikiečių fizikų grupės – viena Stenforde, vadovaujama Burtono Richterio, kita – Brukhaveno nacionalinėje laboratorijoje, vadovaujama Samuelio Tingo, – nepriklausomai paskelbė atradusios naują hadroną, vadinamą psi dalele. Vargu ar naujo hadrono atradimas būtų buvęs ypač vertas dėmesio, jei ne viena aplinkybė: faktas yra tas, kad kvarkų teorijos pasiūlytoje schemoje nebuvo vietos nė vienai naujai dalelei. Jau „išnaudoti“ visi įmanomi u, d, s kvarkų ir jų antikvarkų deriniai. Iš ko sudaryta psi dalelė?
Problema buvo išspręsta atsigręžus į jau kurį laiką ore sklandžią idėją: turi būti ketvirtas kvapas, kurio dar niekas nematė. Naujasis aromatas jau turėjo savo pavadinimą – žavesys (charm), arba c. Buvo pasiūlyta, kad psi dalelė yra mezonas, susidedantis iš c-kvarko ir c-antikvarko (c), t.y. cc. Kadangi antikvarkai yra antiaromato nešiotojai, psi dalelės žavesys yra neutralizuojamas, todėl eksperimentinis naujo skonio (žavesio) egzistavimo patvirtinimas turėjo palaukti, kol bus galima aptikti mezonus, kuriuose buvo suporuoti žavūs kvarkai. su kitų skonių antikvarkampais. Dabar žinoma visa eilė žavių dalelių. Jie visi yra labai sunkūs, todėl žavesio kvarkas yra sunkesnis už keistą kvarką.
Aukščiau aprašyta situacija pasikartojo 1977 m., kai į sceną pateko vadinamasis upsilon mezonas (UPSILON). Šį kartą be didelių dvejonių buvo pristatytas penktasis skonis, vadinamas b-kvarku (iš apačios – apačia, o dažniau grožis – grožis, arba žavesys). Upsilon mezonas yra kvarkų ir antikvarkų pora, sudaryta iš b kvarkų, todėl turi paslėptą grožį; tačiau, kaip ir ankstesniu atveju, kitoks kvarkų derinys pagaliau leido atrasti „grožį“.
Apie santykines kvarkų mases galima spręsti bent jau iš to, kad lengviausias iš mezonų – pionas – susideda iš porų. ir- o d-kvarkai su antikvarkais. Psi mezonas yra apie 27 kartus, o upsiloninis mezonas yra mažiausiai 75 kartus sunkesnis už pioną.
Laipsniškas žinomų skonių sąrašo plėtimas vyko lygiagrečiai su leptonų skaičiaus didėjimu; todėl iškilo akivaizdus klausimas, ar kada nors bus pabaiga. Kvarkai buvo pristatyti siekiant supaprastinti visos hadronų įvairovės aprašymą, tačiau net ir dabar kyla jausmas, kad dalelių sąrašas vėl auga per greitai.
Nuo Demokrito laikų pagrindinė atomizmo idėja buvo pripažinimas, kad pakankamai mažu mastu turi egzistuoti tikrai elementarios dalelės, kurių deriniai sudaro mus supančią materiją. Atomistika yra patraukli, nes nedalomų (pagal apibrėžimą) pagrindinių dalelių turi egzistuoti labai ribotas skaičius. Gamtos įvairovę lemia daugybė ne sudedamųjų dalių, o jų derinių. Kai buvo nustatyta, kad yra daug skirtingų atomų branduolių, dingo viltis, kad tai, ką šiandien vadiname atomais, atitiko senovės graikų idėją apie elementarias materijos daleles. Ir nors pagal tradiciją mes ir toliau kalbame apie įvairius cheminius „elementus“, žinoma, kad atomai yra visai ne elementarūs, o susideda iš protonų, neutronų ir elektronų. Ir kai tik kvarkų skaičius pasirodo per didelis, kyla pagunda manyti, kad jie taip pat yra sudėtingos sistemos, susidedančios iš mažesnių dalelių.
Nors dėl šios priežasties kyla tam tikras nepasitenkinimas kvarkų schema, dauguma fizikų mano, kad kvarkai yra tikrai elementarios dalelės – taškinės, nedalomos ir neturinčios vidinės struktūros. Šiuo atžvilgiu jie primena peptonus, ir jau seniai buvo teigiama, kad tarp šių dviejų skirtingų, bet struktūriškai panašių šeimų turi būti gilus ryšys. Tokio požiūrio pagrindas kyla palyginus leptonų ir kvarkų savybes (3 lentelė). Leptonus galima sugrupuoti poromis, susiejant kiekvieną įkrautą leptoną su atitinkamu neutrinu. Kvarkus taip pat galima grupuoti poromis. Skirtukas. 3 yra suprojektuotas taip, kad kiekviena ląstelė kartotų struktūrą, esančią tiesiai priešais ją. Pavyzdžiui, antroje ląstelėje miuonas vaizduojamas kaip „sunkusis elektronas“, o žavesys ir keisti kvarkai – kaip sunkūs variantai. ir- ir d kvarkai. Iš kitos ląstelės matote, kad tau leptonas yra dar sunkesnis „elektronas“, o b kvarkas yra sunkioji d kvarko versija. Dėl visiškos analogijos – dar vienas (tau-leptoninis) neutrinas ir šeštasis kvarkų skonis, jau gavęs tikrojo vardą. (tiesa, t). Rašant šią knygą eksperimentiniai t kvarkų egzistavimo įrodymai dar nebuvo pakankamai įtikinami, o kai kurie fizikai abejojo, ar t kvarkai išvis egzistuoja.
3 lentelė
Leptonai ir kvarkai natūraliai susiporuoja. kaip parodyta lentelėje. Mus supantis pasaulis susideda iš pirmųjų keturių dalelių. Tačiau kitos grupės, matyt, kartoja viršutinę ir neutrino karūnoje susideda iš itin nestabilių dalelių.
Ar gali būti ketvirtas, penktas ir pan. garai, kuriuose yra dar sunkesnių dalelių? Jei taip, tada naujos kartos greitintuvai greičiausiai suteiks fizikams galimybę aptikti tokias daleles. Tačiau išsakomas kurioziškas samprotavimas, iš kurio išplaukia, kad kitų porų, išskyrus tris įvardintas, nėra. Šis svarstymas pagrįstas neutrinų tipų skaičiumi. Netrukus sužinosime, kad Didžiojo sprogimo momentu, kuris pažymėjo Visatos atsiradimą, intensyviai kūrėsi neutrinai. Tam tikra demokratija kiekvienai dalelių rūšiai garantuoja tokią pat energijos dalį kaip ir likusioms dalelėms; Todėl kuo daugiau skirtingų neutrinų tipų, tuo daugiau energijos yra neutrinų jūroje, užpildančioje kosminę erdvę. Skaičiavimai rodo, kad jei yra daugiau nei trys neutrinų atmainos, tai visų jų sukurta gravitacija stipriai trikdytų branduolinius procesus, vykusius per pirmąsias Visatos gyvavimo minutes. Todėl iš šių netiesioginių svarstymų daroma labai tikėtina išvada, kad trys poros, parodytos lentelėje. 3, visi gamtoje esantys kvarkai ir leptonai yra išnaudoti.
Įdomu pastebėti, kad visą įprastą materiją Visatoje sudaro tik du lengviausi leptonai (elektronas ir elektroninis neutrinas) ir du lengviausi kvarkai ( ir ir d). Jei visi kiti leptonai ir kvarkai staiga nustotų egzistuoti, tai, matyt, mus supančiame pasaulyje mažai kas pasikeistų.
Gali būti, kad sunkesni kvarkai ir leptonai atlieka savotiško lengviausių kvarkų ir leptonų atramos vaidmenį. Visi jie yra nestabilūs ir greitai suyra į daleles, esančias viršutinėje ląstelėje. Pavyzdžiui, tau leptonas ir miuonas skyla į elektronus, o keistos, žavios ir gražios dalelės gana greitai skyla į neutronus arba protonus (barionų atveju) arba leptonus (mezonų atveju). Kyla klausimas: kam ar visos šios antros ir trečios kartos dalelės egzistuoja? Kam jų prireikė gamtai?
Dalelės – sąveikų nešėjai
Šešios poros leptonų ir kvarkų, kurie sudaro materijos statybinę medžiagą, jokiu būdu neišsemia žinomų dalelių sąrašo. Kai kurie iš jų, pavyzdžiui, fotonas, neįtraukti į kvarkų schemą. „Už borto paliktos“ dalelės nėra „visatos plytos“, o sudaro savotiškus „klijus“, neleidžiančius pasauliui subyrėti, t.y. jie siejami su keturiomis pagrindinėmis sąveikomis.
Prisimenu, vaikystėje man buvo pasakyta, kad dėl Mėnulio vandenynai kyla ir leidžiasi per kasdienius potvynius. Man visada buvo paslaptis, kaip vandenynas žino, kur yra mėnulis, ir seka jo judėjimą danguje. Kai jau mokykloje sužinojau apie gravitaciją, mano sumišimas tik stiprėjo. Kaip mėnulis, įveikęs ketvirtį milijono kilometrų tuščios erdvės, sugeba „ištiesti ranką“ į vandenyną? Standartinis atsakymas – Mėnulis šioje tuščioje erdvėje sukuria gravitacinį lauką, kurio veikimas pasiekia vandenyną, paleisdamas jį – tikrai turėjo tam tikrą prasmę, bet vis tiek manęs visiškai netenkino. Juk nematome Mėnulio gravitacinio lauko. Gal tik taip parašyta? Ar tai tikrai ką nors paaiškina? Man visada atrodė, kad mėnulis turi kažkaip pasakyti vandenynui, kur jis yra. Tarp mėnulio ir vandenyno turi vykti kažkoks signalų apsikeitimas, kad vanduo žinotų, kur eiti.
Laikui bėgant paaiškėjo, kad jėgos, perduodamos per erdvę signalo forma, idėja nėra taip toli nuo šiuolaikinio požiūrio į šią problemą. Norint suprasti, kaip atsiranda toks vaizdas, reikia išsamiau apsvarstyti jėgos lauko prigimtį. Kaip pavyzdį paimkime ne vandenyno potvynius, o paprastesnį reiškinį: du elektronai priartėja vienas prie kito, o tada, veikiami elektrostatinės atstūmimo, išskrenda skirtingomis kryptimis. Fizikai šį procesą vadina sklaidos problema. Žinoma, elektronai tiesiogine prasme nestumia vienas kito. Jie sąveikauja per atstumą, per kiekvieno elektrono sukuriamą elektromagnetinį lauką.
11 pav. Dviejų įkrautų dalelių sklaida. Dalelių trajektorijos yra išlenktos, kai artėja viena prie kitos dėl elektrinės atstūmimo jėgos veikimo.
Nesunku įsivaizduoti elektrono sklaidos elektronu paveikslą. Iš pradžių elektronai yra atskirti dideliu atstumu ir silpnai veikia vienas kitą. Kiekvienas elektronas juda beveik tiesia linija (11 pav.). Tada, kai pradeda veikti atstumiančios jėgos, elektronų trajektorijos pradeda lenktis tol, kol dalelės yra kuo arčiau; po to trajektorijos išsiskiria, o elektronai išsisklaido, vėl pradėdami judėti tiesiomis, bet jau besiskiriančiomis trajektorijomis. Tokį modelį nesunku pademonstruoti laboratorijoje, naudojant elektra įkrautus rutulius, o ne elektronus. Ir vėl kyla klausimas: kaip dalelė „žino“, kur yra kita dalelė, ir atitinkamai keičia savo judėjimą.
Nors kreivų elektronų trajektorijų vaizdas yra gana iliustratyvus, daugeliu atžvilgių jis visiškai netinkamas. Faktas yra tas, kad elektronai yra kvantinės dalelės ir jų elgesys paklūsta specifiniams kvantinės fizikos dėsniams. Visų pirma, elektronai nejuda erdvėje tiksliai apibrėžtomis trajektorijomis. Dar galime vienaip ar kitaip nustatyti kelio pradžios ir pabaigos taškus – prieš ir po sklaidos, tačiau pats kelias intervale tarp judėjimo pradžios ir pabaigos lieka nežinomas ir neapibrėžtas. Be to, intuityvi idėja apie nuolatinį energijos ir impulso keitimąsi tarp elektrono ir lauko, tarsi pagreitinant elektroną, prieštarauja fotonų egzistavimui. Galima perduoti energiją ir impulsą lauke tik porcijomis arba kiekiais. Tikslesnį vaizdą apie lauko sukeltą elektrono judėjimo trikdymą galima gauti darant prielaidą, kad elektronas, sugerdamas lauko fotoną, patiria tarsi staigų postūmį. Todėl kvantiniame lygmenyje elektrono sklaidos veiksmas elektronu gali būti pavaizduotas taip, kaip parodyta Fig. 12. Dviejų elektronų trajektorijas jungianti banguota linija atitinka vieno elektrono skleidžiamą ir kito sugertą fotoną. Dabar sklaidos veiksmas atrodo kaip staigus kiekvieno elektrono judėjimo krypties pokytis
12 pav. Įkrautų dalelių sklaidos kvantinis aprašymas. Dalelių sąveika vyksta dėl sąveikos nešiklio arba virtualaus fotono (banguotos linijos) mainų.
Tokio pobūdžio diagramas pirmą kartą panaudojo Richardas Feynmanas, kad vizualiai pavaizduotų įvairius lygties terminus, ir iš pradžių jos turėjo grynai simbolinę reikšmę. Bet tada Feynmano diagramos pradėtos naudoti schematiškai pavaizduoti dalelių sąveiką. Tokios nuotraukos tarsi papildo fiziko intuiciją, tačiau jas reikėtų interpretuoti su tam tikru atsargumu. Pavyzdžiui, elektrono trajektorijoje niekada nebūna staigus lūžis. Kadangi žinome tik pradinę ir galutinę elektronų padėtis, tiksliai nežinome momento, kada apsikeičia fotonas ir kuri iš dalelių skleidžia, o kuri sugeria fotoną. Visas šias detales slepia kvantinio neapibrėžtumo šydas.
Nepaisant šio įspėjimo, Feynmano diagramos pasirodė esąs veiksminga priemonė kvantinei sąveikai apibūdinti. Fotonas, pasikeičiantis tarp elektronų, gali būti vertinamas kaip savotiškas vieno elektrono pasiuntinys, pranešantis kitam: „Aš čia, tad judėk!“. Žinoma, visi kvantiniai procesai yra tikimybinio pobūdžio, todėl toks apsikeitimas įvyksta tik su tam tikra tikimybe. Gali atsitikti taip, kad elektronai apsikeičia dviem ar daugiau fotonų (13 pav.), nors tai mažiau tikėtina.
Svarbu žinoti, kad iš tikrųjų nematome fotonų, besisukančių nuo vieno elektrono prie kito. Sąveikos nešikliai yra dviejų elektronų „vidinis reikalas“. Jie egzistuoja tik tam, kad nurodytų elektronams, kaip judėti, ir nors jie neša energiją ir impulsą, atitinkami klasikinės fizikos išsaugojimo dėsniai jiems netaikomi. Fotonus šiuo atveju galima palyginti su kamuoliu, kurį aikštėje keičia tenisininkai. Kaip teniso kamuoliukas lemia tenisininkų elgesį žaidimų aikštelėje, fotonas įtakoja elektronų elgesį.
Sėkmingas sąveikos aprašymas naudojant dalelę nešiklio lydėjo fotono sąvokos išplėtimas: pasirodo, kad fotonas yra ne tik šviesos dalelė, kurią matome, bet ir vaiduokliška dalelė, kurią „mato“ tik įkrautomis dalelėmis, kurios sklaidosi. Kartais fotonai, kuriuos stebime, vadinami tikras, o fotonai, kurie atlieka sąveiką, yra virtualus, kuri primena jų trumpalaikį, beveik vaiduoklišką egzistavimą. Realių ir virtualių fotonų skirtumas yra šiek tiek savavališkas, tačiau vis dėlto šios sąvokos tapo plačiai paplitusios.
Elektromagnetinės sąveikos aprašymas, naudojant virtualių fotonų – jo nešėjų – sąvoką, prasmę neapsiriboja vien kvantinės prigimties iliustracijomis. Tiesą sakant, mes kalbame apie teoriją, apgalvotą iki smulkiausių detalių ir aprūpintą tobulu matematiniu aparatu, žinomu kaip kvantinė elektrodinamika, sutrumpintai QED. Kai pirmą kartą buvo suformuluotas QED (tai atsitiko netrukus po Antrojo pasaulinio karo), fizikai turėjo teoriją, kuri atitinka pagrindinius kvantinės teorijos ir reliatyvumo principus. Tai puiki proga pamatyti dviejų svarbių naujosios fizikos aspektų bendrus apraiškas ir. išbandyti juos eksperimentiškai.
Teoriškai QED sukūrimas buvo puikus pasiekimas. Ankstesni fotonų ir elektronų sąveikos tyrimai buvo labai riboti dėl matematinių sunkumų. Tačiau kai tik teoretikai išmoko teisingai skaičiuoti, visa kita stojo į savo vietas. QED pasiūlė procedūrą, kaip gauti bet kokio savavališkai sudėtingo proceso, kuriame dalyvauja fotonai ir elektronai, rezultatus.
13 pav. Elektronų sklaida atsiranda dėl dviejų virtualių fotonų apsikeitimo. Tokie procesai yra nedidelė pagrindinio proceso, pavaizduoto Fig., pataisa. vienuolika
Norėdami patikrinti, kaip teorija atitinka tikrovę, fizikai sutelkė dėmesį į du ypač dominančius efektus. Pirmasis buvo susijęs su vandenilio atomo, paprasčiausio atomo, energijos lygiais. QED prognozavo, kad lygiai turėtų būti šiek tiek pakeisti iš padėties, kurią jie užimtų, jei nebūtų virtualių fotonų. Teorija buvo labai tiksli numatant šio poslinkio mastą. Eksperimentą, skirtą itin tiksliai aptikti ir išmatuoti poslinkį, atliko Willisas Lambas iš PC universiteto. Arizona. Visų džiaugsmui, skaičiavimų rezultatai puikiai atitiko eksperimentinius duomenis.
Antrasis lemiamas QED testas buvo susijęs su labai maža paties elektrono magnetinio momento korekcija. Ir vėl teorinių skaičiavimų ir eksperimento rezultatai visiškai sutapo. Teoretikai ėmė tikslinti skaičiavimus, eksperimentuotojai – tobulinti instrumentus. Tačiau, nors tiek teorinių prognozių, tiek eksperimentinių rezultatų tikslumas buvo nuolat gerinamas, QED ir eksperimento susitarimas išliko nepriekaištingas. Šiuo metu teoriniai ir eksperimentiniai rezultatai vis dar atitinka pasiektą tikslumą, o tai reiškia daugiau nei devynių skaičių po kablelio atitiktį. Toks ryškus atitikimas suteikia teisę QED laikyti tobuliausia iš egzistuojančių gamtos mokslų teorijų.
Nereikia nė sakyti, kad po panašaus triumfo QED buvo priimtas kaip kitų trijų pagrindinių sąveikų kvantinio aprašymo modelis. Žinoma, su kitomis sąveikomis susiję laukai turi atitikti kitas nešiklio daleles. Gravitacijai apibūdinti buvo įvesta gravitonas, atlieka tą patį vaidmenį kaip ir fotonas. Dviejų dalelių gravitacinės sąveikos metu tarp jų vyksta gravitonų mainai. Šią sąveiką galima vizualizuoti naudojant diagramas, panašias į parodytas Fig. 12 ir 13. Būtent gravitonai neša signalus iš Mėnulio į vandenynus, po kurių jie pakyla potvynio metu ir krenta atoslūgio metu. Tarp Žemės ir Saulės besisukantys gravitonai išlaiko mūsų planetą orbitoje. Gravitonai tvirtai susieja mus su Žeme.
Kaip ir fotonai, gravitonai juda šviesos greičiu, todėl gravitonai yra dalelės, turinčios „nulinę ramybės masę“. Tačiau čia baigiasi gravitonų ir fotonų panašumai. Nors fotono sukimasis yra 1, gravitono sukimasis yra 2.
4 lentelė 
Keturių pagrindinių sąveikų dalelės-nešėjai. Masė išreiškiama protonų masės vienetais.
Tai svarbus skirtumas, nes tai lemia jėgos kryptį: elektromagnetinėje sąveikoje panašiai įkrautos dalelės, pavyzdžiui, elektronai, atstumia viena kitą, o gravitacinėje sąveikoje visos dalelės traukia viena kitą.
Gravitonai gali būti realūs ir virtualūs. Tikrasis gravitonas yra ne kas kita, kaip gravitacinės bangos kvantas, kaip ir tikras fotonas yra elektromagnetinės bangos kvantas. Iš esmės tikrus gravitonus galima „stebėti“. Tačiau kadangi gravitacinė sąveika yra neįtikėtinai silpna, gravitonų negalima aptikti tiesiogiai. Gravitonų sąveika su kitomis kvantinėmis dalelėmis yra tokia silpna, kad tikimybė, kad gravitonas išsisklaidys arba sugers, pavyzdžiui, protonu, yra be galo maža.
Pagrindinė nešiklio dalelių mainų idėja apima ir kitas sąveikas (4 lentelė) - silpną ir stiprią. Tačiau detalėse yra svarbių skirtumų. Prisiminkite, kad stipri sąveika užtikrina ryšį tarp kvarkų. Tokį ryšį gali sukurti jėgos laukas, panašus į elektromagnetinį, bet sudėtingesnis. Dėl elektrinių jėgų susidaro dviejų dalelių su priešingų ženklų krūviais susieta būsena. Kvarkų atveju susidaro trijų dalelių surištos būsenos, o tai rodo sudėtingesnį jėgos lauko pobūdį, atitinkantį tris „krūvio“ tipus. Vadinamos dalelės – kvarkų sąveikos nešėjai, jungiantys juos poromis arba trynukais gliuonai.
Silpnos sąveikos atveju situacija kiek kitokia. Šios sąveikos spindulys yra labai mažas. Todėl silpnosios sąveikos nešėjai turi būti dalelės, turinčios didelę ramybės masę. Tokioje masėje esanti energija turi būti „pasiskolinta“ pagal Heisenbergo neapibrėžtumo principą, apie kurį jau buvo kalbama p. 50. Bet kadangi „pasiskolinta“ masė (taigi ir energija) yra tokia didelė, neapibrėžtumo principas reikalauja, kad tokios paskolos terminas būtų itin trumpas – tik apie 10^-28s. Tokios trumpaamžės dalelės nespėja labai toli judėti, o jų nešamas sąveikos spindulys yra labai mažas.
Iš tikrųjų yra dviejų tipų silpnos sąveikos nešėjai. Vienas iš jų yra kaip fotonas visame kame, išskyrus likusią masę. Šios dalelės vadinamos Z dalelėmis. Iš esmės Z dalelės yra naujos rūšies šviesa. Kitas silpnos sąveikos nešiklių tipas, W dalelės, skiriasi nuo Z dalelių elektros krūvio buvimu. Sk. 7 plačiau aptariame Z ir W dalelių savybes, kurios buvo atrastos tik 1983 m.
Dalelių klasifikavimas į kvarkus, leptonus ir jėgos nešiklius užbaigia žinomų subatominių dalelių sąrašą. Kiekviena iš šių dalelių vaidina savo, bet lemiamą vaidmenį formuojantis Visatai. Jei nebūtų dalelių nešėjų, nebūtų ir sąveikos, o kiekviena dalelė liktų nepažinusi savo partnerių. Sudėtingos sistemos negalėtų atsirasti, bet kokia veikla būtų neįmanoma. Be kvarkų nebūtų nei atominių branduolių, nei saulės šviesos. Be leptonų negalėtų egzistuoti atomai, nebūtų kilusios cheminės struktūros ir pati gyvybė.
Kokie yra elementariųjų dalelių fizikos uždaviniai?
Įtakingas britų laikraštis „The Guardian“ kartą paskelbė redakcinį straipsnį, kuriame abejojama dalelių fizikos kūrimo išmintimi – brangiai kainuojančia veikla, kuri sunaudoja ne tik nemažą nacionalinio mokslo biudžeto dalį, bet ir liūto dalį geriausių protų. „Ar fizikai žino, ką jie daro?“ – klausė „The Guardian“. „Jei žino, kokia iš to nauda? Kam, be fizikų, reikalingos visos šios dalelės?
Praėjus keliems mėnesiams po šios publikacijos, turėjau galimybę Baltimorėje dalyvauti JAV prezidento patarėjo mokslo klausimais George'o Kewortho paskaitoje. Keyworthas taip pat pasuko į dalelių fiziką, tačiau jo paskaita buvo perskaityta visiškai kitu tonu. Amerikiečių fizikus sužavėjo naujausias CERN, pirmaujančios Europos elementariųjų dalelių fizikos laboratorijos, pranešimas apie pagrindinių W ir Z dalelių atradimą, kurios galiausiai buvo gautos naudojant didelį protonų ir antiprotonų susidūrimo pluošto greitintuvą (greitintuvą). Amerikiečiai yra įpratę, kad visi sensacingi atradimai daromi jų didelės energijos fizikos laboratorijose. Ar tai, kad jie užleido vietą delnui, nėra mokslo ir net nacionalinio nuosmukio ženklas?
Keworthas neabejojo, kad siekiant JAV apskritai ir ypač Amerikos ekonomikos klestėjimo, būtina, kad šalis užimtų pirmaujančią vietą mokslinių tyrimų srityje. Keywortho teigimu, pagrindiniai fundamentinių tyrimų projektai yra pažangos priešakyje. Jungtinės Valstijos turi atgauti savo dominavimą dalelių fizikoje,
Tą pačią savaitę informacijos kanalai pasklido apie amerikiečių milžiniško greitintuvo projektą, skirtą atlikti naujos kartos elementariųjų dalelių fizikos eksperimentus. Pagrindinė kaina buvo 2 milijardai dolerių, todėl šis greitintuvas tapo brangiausia mašina, kurią kada nors sukūrė žmogus. Šis dėdės Samo milžinas, prieš kurį net naujasis CERN elektros linijos greitintuvas atrodys kaip nykštukas, yra toks didelis, kad jo žiede tilptų visa Liuksemburgo valstija! Milžiniški superlaidūs magnetai yra skirti sukurti intensyvius magnetinius laukus, kurie apvynios dalelių spindulį išilgai žiedinės kameros; tai tokia didžiulė konstrukcija, kad naujasis greitintuvas turėtų būti pastatytas dykumoje. Norėčiau sužinoti, ką apie tai mano „The Guardian“ redaktorius.
Žinomas kaip superlaidus super greitintuvas (SSC), bet dažniau vadinamas „dezertronu“ (iš anglų kalbos. dykuma - dykuma. - Red.),ši siaubinga mašina galės pagreitinti protonus iki energijos, maždaug 20 tūkstančių kartų didesnės už likusią energiją (masę). Šiuos skaičius galima interpretuoti įvairiai. Esant didžiausiam pagreičiui, dalelės judės tik 1 km/h greičiu, mažesniu už šviesos greitį – ribinį greitį visatoje. Reliatyvistiniai efektai yra tokie stiprūs, kad kiekvienos dalelės masė yra 20 tūkstančių kartų didesnė nei ramybės būsenoje. Kadre, susijusiame su tokia dalele, laikas ištemptas tiek, kad 1 s mūsų atskaitos sistemoje atitinka 5,5 valandos. Kiekvienas kameros kilometras, per kurį praeina dalelė, „atrodo“ suspaustas tik iki 5,0 cm.
Koks didžiulis poreikis verčia valstybes išleisti tokius didžiulius išteklius vis destruktyvesniam atomo dalijimuisi? Ar tokie tyrimai turi praktinės naudos?
Žinoma, bet kokiam didingam mokslui nesvetima kovos už nacionalinį prioritetą dvasia. Čia, kaip ir mene ar sporte, malonu laimėti prizus ir pasaulinį pripažinimą. Dalelių fizika tapo savotišku valstybės valdžios simboliu. Jei ji vystosi sėkmingai ir duoda apčiuopiamų rezultatų, tai rodo, kad mokslas, technologijos ir visa šalies ekonomika iš esmės yra tinkamo lygio. Taip išlaikomas pasitikėjimas aukšta produktų iš kitų bendresnių technologijų pramonės šakų kokybe. Norint sukurti akceleratorių ir visą susijusią įrangą, reikia labai aukšto profesionalumo. Vertinga patirtis, įgyta kuriant naujas technologijas, gali netikėtai ir teigiamai paveikti kitas mokslinių tyrimų sritis. Pavyzdžiui, superlaidžių magnetų, reikalingų Desertronui, tyrimai ir plėtra JAV vykdomi dvidešimt metų. Tačiau jie neduoda tiesioginės naudos, todėl yra sunkiai įvertinami. Ar yra kokių nors apčiuopiamų rezultatų?
Kartais girdimas ir kitas argumentas, palaikantis fundamentinius tyrimus. Fizika paprastai lenkia technologijas maždaug penkiasdešimt metų. Praktinis vieno ar kito mokslinio atradimo pritaikymas iš pradžių jokiu būdu nėra akivaizdus, tačiau tik keli reikšmingi fundamentinės fizikos pasiekimai laikui bėgant nerado praktinio pritaikymo. Prisiminkite Maksvelo elektromagnetizmo teoriją: ar jos kūrėjas galėjo numatyti šiuolaikinių telekomunikacijų ir elektronikos sukūrimą ir sėkmę? O kaip dėl Rutherfordo žodžių, kad branduolinė energija vargu ar kada nors ras praktinio pritaikymo? Ar įmanoma nuspėti, prie ko gali lemti elementariųjų dalelių fizikos raida, kokios naujos jėgos ir nauji principai bus atrasti, kurie praplės mūsų supratimą apie mus supantį pasaulį ir suteiks galios platesniam fizikinių reiškinių spektrui. O tai gali paskatinti ne mažiau revoliucingų technologijų vystymąsi nei radijo ar branduolinė energija.
Dauguma mokslo šakų galiausiai rado karinį pritaikymą. Šiuo atžvilgiu elementariųjų dalelių fizika (skirtingai nuo branduolinės fizikos) iki šiol liko nepaliesta. Atsitiktinai Keywortho paskaita sutapo su ažiotažu, susijusiu su prezidento Reigano prieštaringai vertinamu priešraketiniu projektu, vadinamuoju spinduliu, ginklais (šis projektas yra programos, vadinamos Strategic Defense Initiative, SDI, dalis). Šio projekto esmė – panaudoti didelės energijos dalelių pluoštus prieš priešo raketas. Šis dalelių fizikos pritaikymas yra tikrai grėsmingas.
Vyrauja nuomonė, kad tokių įrenginių sukurti neįmanoma. Dauguma mokslininkų, dirbančių elementariųjų dalelių fizikos srityje, šias idėjas laiko absurdiškomis ir nenatūraliomis ir griežtai priešinasi prezidentės siūlymui. Pasmerkęs mokslininkus, Keyworthas paragino juos „pagalvoti, kokį vaidmenį jie gali atlikti“ spindulių ginklų projekte. Šis Keywortho kreipimasis į fizikus (žinoma, grynai atsitiktinis) pakartojo jo žodžius apie didelės energijos fizikos finansavimą.
Esu tvirtai įsitikinęs, kad didelės energijos fizikams nereikia pateisinti fundamentinių tyrimų poreikio, remdamasis taikymais (ypač kariniais), istorinėmis analogijomis ar neaiškiais pažadais apie galimus techninius stebuklus. Fizikai šiuos tyrimus atlieka pirmiausia vardan savo nesunaikinamo noro išsiaiškinti, kaip veikia mūsų pasaulis, noro išsamiau suprasti gamtą. Dalelių fizika yra neprilygstama tarp kitų žmogaus veiklos rūšių. Du su puse tūkstantmečio žmonija siekė surasti originalias visatos „plytas“, o dabar esame arti galutinio tikslo. Milžiniškos instaliacijos padės mums įsiskverbti į pačią materijos šerdį ir išplėšti iš gamtos giliausias jos paslaptis. Žmonija gali tikėtis netikėtų naujų atradimų pritaikymo, anksčiau nežinomų technologijų, tačiau gali pasirodyti, kad didelės energijos fizika praktikai nieko neduos. Bet juk iš didingos katedros ar koncertų salės praktiškai mažai naudos. Šiuo atžvilgiu negalima prisiminti Faradėjaus žodžių, kuris kartą pastebėjo: „Kokia nauda iš naujagimio? Toli nuo praktikos žmogaus veiklos rūšys, apimančios elementariąją dalelių fiziką, yra žmogaus dvasios pasireiškimo įrodymas, be kurio būtume pasmerkti mūsų pernelyg materialiame ir pragmatiškame pasaulyje.
…Dievas pirmiausia suteikė materijai tvirtą, masyvią formą,
tokių dydžių ir formų nepralaidžios, judrios dalelės
ir su tokiomis savybėmis bei proporcijomis
erdvė, kuri geriausiai atitinka paskirtį
dėl kurių jis juos sukūrė.
I. Niutonas
Filosofijos ir mokslo istorijoje yra 3 požiūriai į gamtos sandaros supratimą mikro lygmeniu:
yra nedalomi kūneliai ar atomai, pasaulis redukuojamas į fundamentalias „plytas“ (Demokritas, Niutonas);
materija nenutrūkstamai ir be galo dalijama į vis mažesnes dalis, niekada nepasiekdama nedaloma atomo (Aristotelis);
XX amžiuje atsirado koncepcija, kuri pasaulį aiškina visų dalykų tarpusavio ryšiu: dalelė yra ne materijos „plyta“, o procesas, grandis ar modelis integralioje Visatoje (W. Heisenberg, J. Chu, F. Capra).
Pirmąją „elementariąją“ dalelę 1897 m. atrado J.J. Thomsonas, tyrinėdamas katodinius spindulius, įrodė egzistavimą elektronų . Veikiant įtakai, iš medžiagos lengvai išsiskiria neigiama elektra, kuri fiksuojama kaip šviesos blyksniai ekrane. Neigiamos elektros dalelės buvo vadinamos elektronais. Mažiausias elektros kiekis, lygus vieno elektrono krūviui, buvo pastebėtas elektros iškrovos metu retintose dujose. Iki 70-ųjų. 20 amžiaus elektrono vidinės sandaros problema neišspręsta, vis dar nėra užuominos apie jo vidinę sandarą (Anderson 1968; Weisskopf 1977).
Metais anksčiau A. Becquerelis atrado radioaktyvų urano druskos skilimą – alfa dalelių (He branduolių) emisiją, šias daleles panaudojo Rutherfordas, eksperimentiškai įrodęs atomo branduolio egzistavimą. 1919 metais E. Rutherfordas atliko ir pirmąją dirbtinę branduolinę reakciją: apšvitindamas N alfa dalelėmis, gavo O izotopą, ir įrodė, kad N atomo branduolyje yra protonas 27 (laikoma ribine dalele).
1932 metais J. Chadwickas atrado dar vieną branduolinę dalelę – neįkrautą neutronas 28. Neutrono atradimas, kuris pažymėjo naujo mokslo pradžią neutronų fizika , pagrindinės neutrono savybės, neutronų taikymas yra S.F. knygos tema. Šebalina Neutronai . Debesų kameroje buvo pastebėti neutronų pėdsakai. Protono masė yra 1836,1 elektrono masės, neutrono masė yra 1838,6. W. Heisenbergas ir nepriklausomai nuo jo D.D. Ivanenko, I.E. Tammas, iškėlė hipotezę apie atomo branduolio struktūrą iš protonų ir neutronų: pavyzdžiui, branduolį C sudaro 6 protonai ir 6 neutronai. Pradžioje. 30s tikėjo, kad materiją sudaro atomai, o atomai iš 3 „elementariųjų“ dalelių, „statybinių blokų“: protonų, neutronų ir elektronų (Shebalin 1969; Folta, Novy 1987; Capra 1994: 66-67).
Tais pačiais metais E.O. Lawrence'as Kalifornijoje sukonstravo pirmąjį ciklotroną („elementariųjų“ dalelių greitintuvą). Dalelių greitintuvai yra įrenginiai, kuriuose susiduria didelės energijos dalelės. Dideliu greičiu judančių subatominių dalelių susidūrimo metu pasiekiamas aukštas energijos lygis ir gimsta sąveikų, laukų ir dalelių pasaulis, nes nuo energijos lygio priklauso elementarumo lygis. Jei moneta pagreitinama iki tokio greičio, tada jos energija bus lygi energijos gamybai už tūkstantį milijonų dolerių. Netoli Ženevos buvo pastatytas žiedinis greitintuvas, kurio tunelio apimtis siekia iki 27 km. Šiandien, norint patikrinti kai kurias teorijas, pavyzdžiui, didžiojo visų dalelių susijungimo teoriją, reikalingas Saulės sistemos dydžio greitintuvas (Folta, Nowy 1987: 270-271; Davis 1989: 90-91).
Taip pat natūraliuose greitintuvuose aptinkamos dalelės, kosminiai spinduliai susiduria su eksperimentinio įrenginio atomais, tiriami smūgio rezultatai (taip buvo atrastas prognozuojamas pozitronas, miuonas ir mezonas). Greitintuvų ir kosminės spinduliuotės tyrimų pagalba atsivėrė gausus ir įvairus subatominių dalelių pasaulis. 1932 metais buvo aptiktos 3 dalelės, 1947 metais - 14, 1955 metais - 30, 1969 metais - daugiau nei 200. Kartu su eksperimentais buvo atliekami ir teoriniai tyrimai. Dalelės dažnai juda šviesos greičiu, , būtina atsižvelgti į reliatyvumo teoriją. Bendrosios dalelių teorijos sukūrimas tebėra dar neišspręsta fizikos problema (Capra 1994: 67).
1967 metais pasirodė hipotezė apie egzistavimą tachionai - dalelės, kurių judėjimo greitis didesnis už šviesos greitį. Buvo atrasti nauji materijos „statybiniai blokai“, daug nestabilių, trumpaamžių („rezonansai“ gyvena 10 -27 s.) dalelių, kurios skyla į įprastas daleles. Vėliau paaiškėjo, kad naujos dalelės: rezonansai ir hiperonai, mezonai – sužadintos kitų dalelių būsenos: protonų ir leptonai. Kaip ir įvairiose būsenose sužadintas H atomas, kuris pasirodo kaip 3 spektrinės linijos, nėra kitas atomas (Born 1967: 127-129).
Paaiškėjo, kad dalelės nesuyra, o virsta viena į kitą arba į lauko kvantų energiją, pereina į „savo kitą“, bet kuri dalelė gali būti neatsiejama bet kurios kitos dalis. Dalelės gali „dingti“ į spinduliuotę ir pasižymėti banginėmis savybėmis. Įgyvendinus pirmąją dirbtinę transformaciją, Li branduolius pavertus He branduoliais, atominis, branduolinė fizika (Gimęs 1967 m.; Weiskopf 1977: 50).
1963 m. M. Gell-Mann, J. Zweigas pasiūlė hipotezę kvarkai . Visi hadronai pastatytas iš smulkesnių dalelių – 3 rūšių kvarkų ir jų antikvarkų. Protoną ir neutroną sudaro 3 kvarkai (jie taip pat vadinami barionai - sunkiosios arba nukleonai - branduolinės dalelės). Protonas stabilus, teigiamai įkrautas, neutronas nestabilus, virsta protonu. Kvarko ir antikvarko poros (kiekviena dalelė turi antidalelę) sudaro mezonus (tarpinius masinius tarp elektrono ir protono). Norėdami paaiškinti hadroninių modelių įvairovę, fizikai turėjo postuluoti papildomų kvarkų egzistavimą. Yra 12 kvarkų: 4 atmainos arba skoniai (viršutinis, apatinis, keistas ir žavus), kurių kiekvienas gali egzistuoti 3 spalvų. Dauguma fizikų mano, kad kvarkai yra tikrai elementarūs, neturintys struktūros. Nors visi hadronai turi kvarkų simetriją, hadronai dažnai elgiasi taip, lyg jie iš tikrųjų būtų sudaryti iš taškinių komponentų, tačiau kvarkų paslaptis vis dar egzistuoja (Davis 1989: 100; Hawking 1990: 69; Capra 1994: 228, 229).
Pagal bootstrap hipotezė Gamta negali būti redukuojama į materijos „plytas“, pvz., kvarkus, bet turi būti suprantama remiantis ryšiu. Įkrovos dalelių, kaip dinamiškų modelių tarpusavyje susijusiame įvykių tinkle, paveikslui pritarė Heisenbergas, kuris netikėjo kvarko modeliu (Capra 1996: 43-49).
Visas žinomas Visatos daleles galima suskirstyti į dvi grupes: „kietosios“ medžiagos dalelės ir virtualios dalelės, sąveikų nešėjai , neturintis „poilsio“ masės. Medžiagos dalelės taip pat skirstomos į dvi grupes: hadronai 29 , nukleonai 30 , barionai arba sunkiųjų dalelių ir leptonai 31 .
Leptonai yra elektronai, miuonas , tau leptonas ir 3 tipai neutrino . Šiandien įprasta elektroną laikyti elementariu, taškiniu objektu. Elektronas yra neigiamai įkrautas, 1836 kartus lengvesnis už protoną (Weiskopf 1997: 79; Davis 1989: 93-102; Hawking 1990: 63; Feynman, Weinberg 2000).
1931 metais W. Pauli numatė neutralios dalelės egzistavimą neutrino , 1955 m., branduoliniame reaktoriuje iš protono, susidarius elektronui ir neutronui, gimė neutrinas.
Tai pati nuostabiausia dalelė: esant BV, neutrinas beveik nesąveikauja su medžiaga, nes yra lengviausias iš leptonų. Jo masė yra mažesnė nei viena dešimtoji tūkstantoji elektrono masės, tačiau ji tikriausiai yra gausiausia dalelė visatoje ir gali sukelti jos žlugimą. Neutrinas beveik nesąveikauja su materija, prasiskverbia pro ją, tarsi jos iš viso nebūtų (nevienamatių formų egzistavimo pavyzdys). Gama kvantas švinu nukeliauja 3 m ir sąveikauja su švino atomo branduoliu, o neutrinas turi nukeliauti 4·10 13 km, kad sąveikautų. Neutrinas dalyvauja tik silpnoje sąveikoje. Vis dar nėra tiksliai nustatyta, ar neutrinai tikrai turi „ramybės“ masę. Yra 3 neutrinų tipai: elektroninis, miuonas ir tau.
Kosminių spindulių sąveikos produktuose 1936 m. miuonas , nestabili dalelė, kuri suyra į elektroną ir 2 neutrinus. 70-ųjų pabaigoje buvo aptikta „sunkiausia“ dalelė – leptonas. tau leptonas (Davis 1989: 93-95).
1928 metais P. Diracas numatė, o 1932 metais atrado teigiamai įkrautą elektroną ( pozitronas - elektronų antidalelė.): iš vieno γ kvanto gimsta elektronas ir pozitronas – teigiamai įkrauto elektrono. Kai elektronas susiduria su pozitronu, gimsta du gama kvantai, nes norint išsaugoti nulį susinaikinimas 32 reikia dviejų fotonų, skriejančių skirtingomis kryptimis.
Vėliau paaiškėjo, kad visos dalelės turi antidalelių , sąveikaudamos, dalelės ir antidalelės anihiliuojasi susidarant energijos kvantams. Kiekviena materijos dalelė turi antidalelę. Dalelei ir antidalelei susidūrus jos anihiliuojasi, dėl to išsiskiria energija ir gimsta kitos dalelės. Ankstyvojoje Visatoje dalelių buvo daugiau nei antidalelių, antraip naikinimas būtų pripildęs Visatą spinduliuotės, o materijos nebūtų buvę (Silk 1982: 123-125; Hawking 1990: 64, 71-72).
Elektronų būsena atome nustatoma pagal skaičių seką, vadinamą kvantiniai skaičiai , ir nurodykite orbitų vietą ir formą:
numeris (n) - tai orbitos skaičius, nurodantis energijos kiekį, kurį turi turėti elektronas, kad galėtų būti orbitoje, spindulį;
numeris (ℓ) nustato tikslią elektronų bangos formą orbitoje;
skaičius (m) vadinamas magnetiniu ir nustato elektroną supančio lauko krūvį;
numeris (-iai) , vadinamasis suktis (sukimas) nustato elektrono sukimosi greitį ir kryptį, kurią lemia elektronų bangos forma, atsižvelgiant į tikimybę, kad dalelė egzistuoja tam tikruose orbitos taškuose.
Kadangi šios charakteristikos išreiškiamos sveikaisiais skaičiais, tai reiškia, kad elektrono sukimosi kiekis nedidėja palaipsniui, o šokinėja – nuo vienos fiksuotos reikšmės prie kitos. Dalelėms būdingas masės, elektros krūvio, sukimosi buvimas ar nebuvimas (sukimosi charakteristika, medžiagos dalelių sukimasis +1/2, –1/2, dalelių-nešėjų sąveika 0, 1 ir 2) ir Vp gyvybė (Erdei). -Gruzas 1976; Davisas 1989: 38-41, 92; Hawkingas 1990: 62-63; Capra 1994: 63).
1925 metais W. Pauli uždavė sau klausimą: kodėl elektronai atome užima griežtai apibrėžtą padėtį (2 pirmoje orbitoje, 8 antroje, 32 ketvirtoje)? Analizuodamas spektrus, jis sugalvojo paprastą principą: dvi identiškos dalelės negali būti toje pačioje būsenoje , ty jie negali turėti tų pačių koordinačių, greičių, kvantinių skaičių. Visos medžiagos dalelės yra pavaldžios W. Pauli draudimo principas .
Šis principas pabrėžia tikslų struktūrų organizavimą, be kurio dalelės virstų vienalyte ir tankia želė. Išskyrimo principas leido paaiškinti chemines elementų savybes, nulemtas išorinių neužpildytų apvalkalų elektronų, o tai ir davė pagrindimą periodinei elementų lentelei. Pauli principas paskatino naujus atradimus, supratimą apie metalų ir puslaidininkių šilumos ir elektros laidumą. Išskyrimo principo pagalba buvo pastatyti atomų elektroniniai apvalkalai, paaiškėjo Mendelejevo elementų sistema (Dubnishcheva 1997: 450-452).
Bet yra dalelių, kurios nepaklūsta W. Pauli išskyrimo principui (keičiamų dalelių skaičius neribojamas, sąveikos jėga gali būti bet kokia), nešiklio dalelės arba virtualios dalelės, kurios neturi „ramybės“ masės ir sukuria jėgas. tarp materijos dalelių (Hawking 1990: 64-65).