Понятие об элементарных частицах

Элементарные частицы – мельчайшие известные частицы физической материи, которые в известной мере можно считать некими «кирпичиками» мироздания на современном уровне познания материи. В узком смысле слова элементарными можно назвать частицы, у которых внутренняя структура никогда не наблюдалась. К ним относятся, например, электрон и фотон. Подавляющее большин­ство элементарных частиц (мезоны, барионы) обладают внутрен­ней структурой.

История открытия элементарных частиц занимает одно столе­тие. В 20-е гг. XX в. теория элементарных частиц была предельно проста. Были известны две частицы – электрон и протон, а также два типа взаимодействий – гравитационное и электоромагнитное. На их основе объяснялись все явления природы.

Можно выделить два основных потока открытий новых эле­ментарных частиц. Первый приходится на 30 – 50-е гг. ХХ в., когда, преж­де всего, были найдены нейтрон и позитрон. Позитрон – античас­тица по отношению к электрону; он подобен электрону во всем, но обладает положительным, а не отрицательным зарядом. При соударении электрона с позитроном, как и при соударении любой частицы с соответствующей ей античастицей, может произойти их аннигиляция, т.е. взаимное уничтожение частиц, сопровождающееся рождением новых микрочастиц и выделением энергии. Так, электрон при взаимодействии с позитроном дают два фотона.

Далее было обнаружено нейтрино. Сейчас известно несколько разновидностей нейтрино. В 1937 г. был открыт первый мезон. Он имеет отношение к ядерным взаимодействиям. К 1960 г. теория охватывала 32 эле­ментарные частицы, причем каждая новая частица была связана с открытием принципиально нового круга физических явлений. Второй поток открытий элементарных частиц пришелся на 1960 – 1965 гг. К концу этого периода число частиц превысило 200. К концу 1990-х гг. число открытых частиц и античастиц приблизилось к 400.

Характеристиками субатомных частиц являются масса, электрический заряд, спин, время жизни, магнитный момент, пространственная четность и др. Само понятие элементарности потеряло смысл, поскольку не существует критерия элементарности. Стабильных (не самораспадающихся) элементарных частиц всего четыре*: электрон, протон, фотон и все виды нейтрино. На основе этих частиц невозможно построить все остальные, обладающие способностью самопроизвольно распадаться. Среди таких ча­стиц дольше всех живет свободный нейтрон (17 мин), меньше всех – нейтральный π-мезон (10^-16с). Однако принципа классификации, основанного на раз­личиях частиц во времени их жизни, установить не удалось.

Важным классифицирующим признаком объектов микромира является их способность участвовать в сильном взаимодействии. Частицы участвующие в сильном взаимодействии называются адронами, частиц, участвующие в слабом взаимодействии и не участвующие в сильном, называются лептонами. Кроме этого, существуют частицы – переносчики взаимодействий.

К лептонам относят электрон, мюон, тау-лептон, три вида нейтрино и соответствующие им античастицы. Таким образом, общее число лептонов равно двенадцати. Нейтрино, открытые в 60-х гг. ХХ в., являются наиболее распространенными частицами во Вселенной. Вселенную можно представить безбрежным нейтринным морем, в котором изредка встречаются острова в виде атомов. Не участвуя ни в сильном, ни в электромагнитном взаимодействиях, они проникают через вещество, как будто его нет вообще. Поэтому изучить их очень сложно. Мюон – одна из первых известных нестабильных субатомных частиц, открытая в 1936 г. Во всех отношениях напоминает электрон: имеет тот же заряд и спин, участвует в тех же взаимодействиях, но имеет большую массу и нестабилен (примерно за две миллионные доли секунды распадается на электрон и два нейтрино). Тау-лептон – также является заряженной частицей. Он был открыт в 70-х гг. ХХ в. и отличается очень большой массой – 3500 масс электрона.

Число адронов насчитывает несколько сотен, все они, за исключением нейтрона и протона, являются короткоживущими и быстро распадаются. Нестабильность адронов и их большое разнообразие указывают на то, что они не являются элементарными объектами, а построены из более мелких частиц – кварков. Большинство адронов открыто в 50 – 60-х гг. ХХ в. Адроны участвуют в сильном, слабом и электромагнитном взаимодействиях.

Если лептоны и адроны представляют собой строительный материал вещества, то существуют еще частицы, обеспечивающие четыре взаимодействия, которые являются своего рода «клеем», не позволяющим миру распадаться на части. Переносчиками электромагнитного взаимодействия является фотон, сильного взаимодействия – глюоны (связывающие кварки внутри протона), слабого взаимодейтсвия – W⁺, W^-, Z^º-бозоны (характеризуются большой массой покоя и короткой продолжительностью жизни – всего 10^-26 с). Высказывается мнение о существовании и переносчика гравитационного поля – гравитонов. По расчетам ученых они должны, подобно фотонам, иметь нулевую массу покоя и двигаться со скоростью света. Однако если у фотона спин равен 1 и при электромагнитном взаимодействии одноименно заряженные частицы отталкиваются, то спин гравитона равен 2. Это позволяет всем частицам притягиваться друг к другу. Поскольку гравитационное взаимодействие очень слабое, непосредственно зафиксировать гравитоны в эксперименте до сих пор не удалось.

В настоящее время обнаружены, так называемые, античастицы, имеющие заряд противоположный частицам (позитрон, антипротон и др.). Так, в 1932 г. позитроны были обнаружены в космических лучах*. Антипротоны, рожденные в столкновениях с ядрами медной мишени, были обнаружены в 1955 г. на новом ус­корителе в Беркли. В 1956 г. был открыт антинейтрон. Если элект­рон от позитрона и протон от антипротона отличаются, прежде всего, знаком зарядов, то чем различаются нейтрон и антинейт­рон? Нейтрон не имеет электрического заряда, но имеет связан­ное с ним магнитное поле. Причина этого не совсем ясна, хотя установлено, что магнитное поле нейтрона ориентировано в од­ном направлении, а магнитное поле антинейтрона – в противо­положном.

Кроме различий в заряде античастицы имеют и другие фундаментальные свойства по сравнению с частицами. Так, при переходе от мира к антимиру меняются местами «право» и «лево», время в антимире течет от будущего к прошло­му, а не от прошлого к будущему, как в мире. В отличие от частиц, являющихся кирпичиками нашего мира, античастицы – лишь гости, появляющиеся на мгновение в этом мире. При встрече античастиц с частицами происходит взрыв, в результате которого они взаимно уничтожаются, выделяя при этом огромное количество энергии. На основании многочисленных наблюдений за античастицами и изучения их поведения в нашем мире не­которые ученые пришли к мысли о существовании целого антимира, который подобен нашему миру и сосуществует с ним, но отличается противоположным по отношению к нему знаком.

Одним из ведущих разработчиков этой теории явился эстонский академик Г. Наан. Главным моментом ее является положение о том, что обе половинки Вселенной – мир и антимир – возникают, в конечном счете, из абсолютного вакуума. Он писал: «Утверждение о возможности возникнове­ния из ничего (пустоты, вакуума) при строгом соблюде­нии законов сохранения должно казаться предельно пара­доксальным. Ведь смысл законов сохранения в том-то и состоит, что из ничего ничего не возникает, ничто не мо­жет породить нечто. Развиваемая здесь гипотеза ни в коей мере не оспаривает этого положения. Ничто действитель­но не может породить (одно лишь) нечто, но оно порож­дает что-то большее – нечто и антинечто одновременно! В основе предлагаемой здесь гипотезы лежит, в конечном счете, тот элементарный факт, что равенство (-1)+(+1)=0 может быть прочитано и наоборот, справа налево: 0=(-1)+(+1). Последнее равенство выражает уже не только космологию, но и космогонию. Исходным «строительным материалом Вселенной» является пустота, вакуум. В среднем, суммар­но, симметричная Вселенная состоит из одной лишь пустоты. Поэтому она может возникать из пустоты при строгом соблюдении всех законов сохранения». «Тождест­венно равны нулю все пространственно-временные ин­тервалы и координаты. Симметричная Вселенная такова, что она в среднем ничего не содержит, даже пространства и времени». На примере теории Г. Наана хорошо прослеживается универсальность принципа симметрии, котором будет говориться в следующем параграфе.

Откуда же берутся в нашей Вселенной элементарные частицы и античастицы. Ученые предполагают, что из физического вакуума. Физический вакуум – это вовсе не «абсолютное ничто», а реальная физическая система, например, электромагнит­ное поле в одном из своих состояний. Более того, согласно кванто­вой теории поля, из вакуумного состояния можно получить все другие состояния поля и элементарные частицы. Физика имеет дело с определенными видами и состояниями материи, а не с материей как таковой. Аналогично и в физических исследованиях имеют дело не с «абсолютной пустотой» как пол­ным отсутствием материи и материального, а с «относительной пустотой», под которой следует понимать отсутствие некоторых классов материальных объектов и их характеристик.

Вакуум можно определить как поле с минимальной энергией. Но это не означает, что в нем вообще ничего нет. В физическом вакууме постоянно протекают слож­нейшие физические процессы, например, рождение и гибель виртуальных частиц, особого рода ваку­умные колебания электромагнитного поля, не вырывающиеся из него и не распространяющиеся. Однако, в определенные промежутки виртуальные частицы могут превращаться в реальные частицы.

Симметрия и принципы инвариантности в физике

Слово «симметрия» («symmetria») имеет греческое происхождение и означает «соразмерность». В повседневном языке под симметрией понимают чаще всего упорядоченность, гармонию, соразмерность. Гармоничная согласованность частей и целого является главным источником эстетической ценности симметрии. Кристаллы издавна восхищали нас своим совершенством, строгой симметричностью форм. Симметричные мозаики, фрески, архитектурные ансамбли будят в людях чувство прекрасного, музыкальные и поэтические произведения вызывают восхищение именно своей гармоничностью. Таким образом, можно говорить о принадлежности симметрии к категории прекрасного.

Научное определение симметрии принадлежит крупному немецкому математику Герману Вейлю (1885 – 1955), который в своей замечательной книге «Симметрия» проанализировал переход от простого чувственного восприятия симметрии к ее научному пониманию. Согласно Г. Вейлю, под симметрией следует понимать инвариантность (неизменность) свойств какого-либо объекта при определенного рода преобразованиях. Можно сказать, что симметрия есть совокупность инвариантных свойств объекта. Например, кристалл может совмещаться с самим собой при определенных поворотах, отражениях, смещениях. Многие животные обладают приближенной зеркальной симметрией при отражении левой половины тела в правую и наоборот. Однако подчиняться законам симметрии может не только материальный, но и, к примеру, математический объект. Можно говорить об инвариантности функции, уравнения при тех или иных преобразованиях системы координат. Это в свою очередь позволяет применять категорию симметрии к законам физики. Так симметрия входит в математику и физику, где она также служит источником красоты и изящества.

Постепенно физика открывает все новые виды симметрии законов природы: если вначале рассматривались лишь пространственно-временные (геометрические) виды симметрии, то в дальнейшем были открыты ее негеометрические виды (перестановочная, калибровочная, унитарная и др.). Последние относятся к законам взаимодействий, и их объединяют общим названием «динамическая симметрия».

Принципы инвариантности играют очень важную роль в современной физике: с их помощью обоснованы старые и предсказаны новые законы сохранения, облегчено решение многих фундаментальных и прикладных задач и, что особенно важно, удалось добиться первых успехов на пути объединения фундаментальных взаимодействий (теории электрослабого взаимодействия и Великого объединения). Эти принципы обладают большой общностью. Выдающийся американский физик-теоретик Ю. Вигнер отметил, что эти принципы относятся к законам природы так же, как законы природы относятся к явлениям, т.е. симметрия «управляет» законами, а законы «управляют» явлениями. Если бы не было, например, инвариантности законов природы относительно смещений в пространстве и времени, то вряд ли наука вообще смогла бы устанавливать эти законы.

Дата добавления: 2014-01-07