Физическая картина мира. Фундаментальное строение материи

Естественнонаучная и гуманитарная культуры как два различных направления мышления. Научное познание материального мира и роль модели в данном процессе. Атомно-молекулярное строение вещества. Анализ и оценка основных характеристик элементарных частиц.

Рубрика Биология и естествознание
Вид методичка
Язык русский
Дата добавления 17.06.2018
Размер файла 92,2 K

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

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

Лептоны

Семейство лептонов состоит из частиц трех поколений: к первому поколению относятся электрон (e-) и электронного нейтрино (e); второе поколение - мюон () и мюонное нейтрино () и, наконец, третье поколение - таон (-) и таонное нейтрино ():

Электрон, мюон и таон появляются в паре только со своими нейтрино. У каждого лептона есть своя античастица: (e+, +, + и все виды антинейтрино). Лептонные числа: Le=1, L =0, L=0 (для электрона и электронного нейтрино); Le= -1, L =0, L=0 (для позитрона и электронного антинейтрино) и т.д.

Наиболее известен из лептонов электрон. Подобно всем лептонам, он, по-видимому, является элементарным, точечным объектом. Мюон, открытый одним из первых нестабильных частиц, тяжелее электрона более чем в 200 раз и примерно за две миллионные доли секунды распадается на электрон и два нейтрино. «Тяжеловесом» в трио заряженных лептонов является таон. Его масса более чем в 3500 раз превышает массу электрона, а время жизни примерно = 3·10-12с.

С заряженными лептонами ассоциированы три, пожалуй, самые таинственные частицы микромира нейтрино. Огромная проникающая способность, отсутствие заряда и чрезвычайно малая, возможно, нулевая масса долгие годы делали их неуловимыми. Сам Паули, который ввел эту частицу, спасая законы сохранения, говорил, что он сделал что-то ужасное, предложив нечто, что никогда не будет проверено экспериментально. Действительно, только пройдя сквозь слой свинца такое же расстояние, как от Солнца до центра нашей Галактики, пучок нейтрино наверняка прореагирует целиком. И тем не менее спустя три десятилетия электронное нейтрино было обнаружено, а несколько позже зарегистрировали и мюонное нейтрино. Самой неуловимой из всех элементарных частиц оказалось тау-нейтрино, открытое лишь летом 2000 года.

Нейтринная физика, зародившаяся в пятидесятых годах, сейчас переживает свой расцвет, - созданы мощные нейтринные обсерватории, в международных программах по изучению нейтрино участвуют сотни ученых из разных стран мира, результаты этих экспериментов представляют большой интерес для таких различных областей нашего знания, как космология, ядерная физика, геофизика, теория элементарных частиц.

Кварки

Второе семейство фундаментальных элементарных частиц, из которых построены адроны (барионы и мезоны), получило название кварков. Существует шесть разновидностей кварков, (физики называют их «ароматами» - flavours) которые, подобно лептонам, группируются в пары и образуют три поколения. Первое поколение - u и d кварки (up - верхний и down - нижний); второе поколение - s и c кварки (strange - странный и charm - очарованный) и, наконец, третье поколение - b и t кварки (beauty - красивый и true - истинный; иногда их называют bottom и top). Последний шестой t-кварк был обнаружен сравнительно недавно (в 1995 году).

Кварки являются фермионами (их спин равен Ѕ, как и у лептонов). Барионное число для кварков равно одной трети B=1/3, для антикварков B= -1/3. У каждого кварка есть еще одна характеристика, которую физики назвали ароматом (странность, очарование и т.д.).

Самым удивительным является то, что кварки обладают дробным электрическим зарядом, величина которого составляет либо 2/3 от элементарного заряда (при этом заряд кварка положительный), либо 1/3 от заряда электрона (знак заряда при этом отрицателен).

Массы кварков возрастают при переходе от верхнего кварка к нижнему кварку и по мере перехода к последующим поколениям:

mu md ms mc mb mt

При этом mu md mc ms mt mb

Все барионы являются комбинациями трех кварков. Нуклоны - фундаментальная основа атомных ядер, являются самыми легкими барионами и состоят из кварков первого поколения. Протон состоит из двух u-кварков и одного d-кварка, нейтрон из двух d-кварков и одного u-кварка:

p = (u u d) n = (d d u)

Легко проверить, что заряд протона при этом оказывается равным единице (2/3+2/3-1/3 = +1), а заряд нейтрона нулю (2/3 - 1/3 - 1/3 = 0).

Нейтрон тяжелее протона, потому что d-кварк тяжелее u-кварка. Получает новое объяснение процессы + - и - - распадов как взаимопревращения кварков (u  d).

Мезоны получаются из сочетания пары кварк-антикварк. Ясно, что барионное число мезонов равно нулю, а спин равен нулю или единице. Cочетания из трех антикварков образуют антибарионы (антипротоны, антинейтроны и т.д.).

Все многообразие адронов возникает за счет различных сочетаний кварков шести ароматов. Обычным адронам соответствуют связанные состояния, построенные только из u- и d-кварков. Если же в связанном состоянии, наряду с u- и d-кварками, имеется, например, s- или c-кварк, то соответсвующий адрон называют странный или очарованный.

В таблице 1 представлены все фундаментальные фермионы - структурные единицы строения вещества.

Таблица 1. Фундаментальные фермионы

Поколения

Семейства

1-вое

2-ое

3-е

q, в ед. е

B

L

КВАРКИ

верхние

нижние

u

d

c

s

t

b

+2/3

1/3

+1/3

+1/3

0

0

ЛЕПТОНЫ

нейтральные

заряженные

e

e-

-

-

0

1

0

0

+1

+1

Интересно отметить, что все обычное вещество во Вселенной построено из частиц первого поколения. Если бы все остальные лептоны и кварки внезапно прекратили свое существование, то в окружающем нас мире, по-видимому, очень мало что изменилось бы. По существу, вся Вселенная покоится на плечах частиц первого поколения. Возможно, более тяжелые кварки и лептоны играют роль своего рода дублеров легчайших кварков и лептонов. Все они нестабильны и быстро распадаются на более легкие частицы. Например, таон и мюон распадаются на электроны, а странные, очарованные и пр. частицы довольно быстро распадаются на нейтроны и протоны (в случае барионов), либо на лептоны (в случае мезонов). Возникает вопрос: для чего понадобились природе все эти частицы второго и третьего поколений?

В описанной стройной схеме обнаруживается принципиальный дефект. Кварки, будучи фермионами, не могут составлять друг другу компанию, если их состояния одинаковы. Присутствие вместе кварков одного аромата нарушает принцип запрета Паули. Для устранения выявившегося несоответствия ввели еще одно квантовое число, которое было названо цветом. Конечно, никакого «цвета» в общепринятом смысле у кварков нет, так же как «аромат» кварков не имеет никакого отношения к запаху. Важно, что за цветом стоит реальное свойство кварков. Таким образом, кварки любого аромата могут находиться в трех различных цветовых состояниях, в результате адрон должен быть «бесцветным».

То обстоятельство, что из различных комбинаций кварков можно получить все известные барионы и мезоны, символизировало главный триумф теории кварков. Однако все усилия обнаружить одиночные кварки оказались тщетными. Сложилась парадоксальная ситуация. Внутри адронов кварки, несомненно, существуют. Об этом свидетельствует не только рассмотренная кварковая систематика адронов, но и прямое «просвечивание» нуклонов быстрыми электронами. В этом эксперименте (по сути, полностью аналогичном опыту Резерфорда) было обнаружено, что внутри адронов электроны рассеиваются на точечных частицах с зарядами, равными -1/3 и +2/3 и спином, равным Ѕ, то есть, получены прямые физические доказательства существования кварков внутри адронов. А вот вырвать кварки из адронов невозможно. Это явление получило название «конфаймент» (confinement-пленение, англ.).

Невылетание кварков из адронов обусловлено спецификой их сил взаимодействия (см. ниже). Оказывается, силы притяжения, действующие между кварками, не убывают с расстоянием, что делает невозможным отделение кварков друг от друга. Когда кварки находятся на малых расстояниях (внутри адронов), взаимодействие между ними мало (кварки практически свободны). При попытке отделить кварки сообщаемая им энергия, в конце концов, пойдет на образование дополнительных адронов. Невозможность наблюдать кварки в свободном состоянии делает их совершенно новым типом структурных единиц вещества.

Теперь можно обратиться к проблеме взаимодействия между частицами. Все процессы, которые происходят во Вселенной, есть результат этих взаимодействий.

2.12 Фундаментальные взаимодействия

Следующий принципиальный вопрос, на который должна ответить наука для объяснения строения вещества, связан с природой и характером взаимодействия между частицами, что при определенных условиях приводит к образованию связанных состояний. Что же заставляет кварки объединяться в нуклоны, нуклоны в ядра, ядра и электроны в атомы, атомы в молекулы? Почему во Вселенной существуют скопления вещества в виде планет, звезд, галактик? Какова природа сил, вызывающих все те изменения, которые происходят в нашем материальном мире?

Оказывается, все происходящее в природе можно свести всего к четырем фундаментальным взаимодействиям

сильное (strong) S

электромагнитное E

слабое (weak) W

гравитационное G.

Роль фундаментальных взаимодействий в природе

Рассмотрим сначала гравитационное взаимодействие. Исторически гравитация (тяготение) первым из четырех фундаментальных взаимодействий стала предметом научного исследования. Из школы нам известен закон тяготения Ньютона, определяющий силу гравитационного притяжения, действующую между двумя телами с массами m1 и m2, находящимися на расстоянии r друг от друга (размеры тел малы по сравнению с r):

Fгр.= Gm1·m2 /r2,

где G=6.67·10-11м3/(кгс2) - гравитационная постоянная.

Важнейшая особенность гравитации - ее универсальность. Ничто во Вселенной не избавлено от нее. Гравитационное взаимодействие действует между любыми объектами, обладающими массой или энергией. Именно гравитация не позволяет Вселенной развалиться на части, собирая вещество в планеты и звезды, удерживая планеты на орбитах, «связывая» звезды в галактики. Вообще, в астрономических масштабах, гравитационное взаимодействие играет определяющую роль. Что касается микромира, то на фоне куда более могучих сил, гравитацией можно пренебречь.

Электромагнитное взаимодействие присуще всем частицам, обладающим электрическим зарядом. Как и гравитационное, электромагнитное взаимодействие является дальнодействующим, а закон, определяющий силу, действующую между точечными покоящимися зарядами, аналогичен закону тяготения - это известный из школы закон Кулона: (FКул.  q1·q2 /r2).

Однако, в отличие от гравитации, которая всегда является притяжением, электрическое притяжение существует только между зарядами разного знака, в то время как одноименные заряды отталкиваются. Благодаря электромагнитному взаимодействию отрицательных электронов и положительно заряженных ядер становится возможным образование атомов и молекул. Межмолекулярные силы, которые определяют свойства различных агрегатных состояний вещества, также имеют электрическую природу.

В силу дальнодействия электромагнитное взаимодействие может заметно проявляться и на макроскопическом уровне. К нему фактически сводится большинство наблюдаемых физических сил (упругости, трения и др.). Электромагнитное взаимодействие лежит в основе химических превращений веществ и всех наблюдаемых электрических, магнитных и оптических явлений.

Сильное и слабое взаимодействия проявляются только в микромире, на субъядерном уровне. Сильное взаимодействие присуще кваркам и образованиям из кварков - адронам. Основная функция сильного взаимодействия - соединять кварки (и антикварки) в адроны. Ядерные силы, которые объединяет нуклоны в ядра, являются специфическими отголосками сильного взаимодействия (его часто называют остаточным сильным взаимодействием).

Слабое взаимодействие присуще всем фундаментальным фермионам. Для нейтрино - это единственное взаимодействие, в котором они участвуют. В отличие от сильного взаимодействия, функция слабого взаимодействия заключается в изменении природы (аромата) частиц, то есть в превращении одного кварка в другой (то же относится и к лептонам).

В отсутствие слабого взаимодействия стабильными были бы не только протон и электрон, но и мюоны, мезоны, странные и очарованные частицы, которые распадаются в результате слабого взаимодействия. Если бы удалось «выключить» слабое взаимодействие, то погасло бы Солнце, поскольку был бы невозможен процесс превращения протона в нейтрон (-распад), в результате которого четыре протона превращаются в 2Не4, два позитрона и два нейтрино (так называемый водородный цикл, который служит основным источником энергии Солнца и большинства звезд.).

Характеристики фундаментальных взаимодействий

Об интенсивности взаимодействий можно судить по скорости процессов, которые они вызывают. Обычно сравнивают между собой скорости процессов при энергии 1 ГэВ, характерных для физики элементарных частиц. При таких энергиях процесс, обусловленный сильным взаимодействием, происходит за время 10-24с, электромагнитный процесс за время 10-21с, характерное же время процессов, происходящих за счет слабого взаимодействия, гораздо больше: 10-10с.

Можно ввести некоторую постоянную, характеризующую интенсивность взаимодействий (), которую обычно называют константой связи. Если принять за единицу интенсивность сильного взаимодействия, то для кварков при указанной энергии (1 ГэВ) интенсивности различных взаимодействий равны:

S=1 E10-2 W10-6 G10-39

В отличие от электромагнитного и гравитационного взаимодействий, сильное и слабое взаимодействия являются короткодействующими. Их радиусы действия равны соответственно:

RS10-15м RW10-18м.

Основные характеристики фундаментальных взаимодействий приведены в Таблице №2.

Таблица 2. Фундаментальные взаимодействия

Характеристики

Вид

взаимодействия

Участники

взаимодействий

Интенсивность

взаимодействий

(для кварков при энергии 1 ГэВ)

Радиус

действия

R (м)

Роль

взаимодействий в природе

Сильное

S

Кварки и все частицы, составленные из кварков

1

10-15

Образование связанных состояний из кварков (барионов и мезонов). Остаточное сильное взаимодействие связывает нуклоны в ядрах.

Электромагнитное E

Все частицы, обладающие электрическим зарядом

10-2

Образование атомов (из ядер и электронов) и молекул из атомов. Обуславливает меж - молекулярные взаимодействия и образование агрегатных состояний вещества.

Слабое

W

Кварки, лептоны

10-6

10-18

Ответственно за превращения элементарных частиц.

Гравитационное

G

Частицы, имеющие массу или энергию

10-39

Существенно в космических масштабах, обуславливает образование и движение планет, звезд, галактик.

Стандартная модель взаимодействий*

Для описания свойств и взаимодействий элементарных частиц в современной теории существенное значение имеет понятие физического поля (специфическая форма распределенной в пространстве материи), которое ставится в соответствие каждой частице и благодаря которому осуществляется взаимодействие.

По современным представлениям, источниками этих полей являются специфические заряды: для электромагнитного взаимодействия - знакомые нам электрические заряды, для слабого взаимодействия - слабые заряды, источники сильного взаимодействия получили название цветового заряда (или цвета).

Взаимодействие любого вида должно иметь своего физического агента, обычно называемого переносчиком взаимодействия, который является квантом соответствующего поля. В отличие от фундаментальных фермионов (кварков и лептонов), частицы-переносчики имеют целочисленный спин и обычно называются фундаментальными векторными бозонами. Бозоны не подчиняются принципу запрета Паули, а это означает отсутствие ограничений для числа обменивающихся частиц, так что возникающая сила взаимодействия может быть большой.

При этом если масса частиц-переносчиков велика, то на больших расстояниях их рождение и обмен будут затруднены и переносимые ими силы будут короткодействующими. Если же частицы-переносчики не будут обладать собственной массой, возникнут дальнодействующие силы.

Очень важно подчеркнуть, что частицы-переносчики являются виртуальными. Это означает, что их время жизни столь мало, что, в отличие от «реальных» частиц, их нельзя непосредственно зарегистрировать. Однако, сообщая виртуальным частицам достаточную энергию, можно перевести их из «призраков» в реальные частицы, которые можно наблюдать.

Модель процесса взаимодействия можно (правда, очень приближенно) представить следующим образом: частица вещества, например электрон или кварк, испускает частицу, которая является переносчиком взаимодействия. В результате отдачи скорость электрона меняется. Затем частица-переносчик налетает на другую частицу вещества и поглощается ею. Это соударение изменяет скорость второй частицы, как будто между этими двумя частицами вещества действует сила.

Переносчиками электромагнитного взаимодействия являются виртуальные фотоны - безмассовые частицы со спином, равным 1. Их источник - электрический заряд. Электромагнитное взаимодействие между заряженными телами есть результат обмена виртуальными фотонами.

Переносчик гравитационного взаимодействия - виртуальный гравитон, масса которого равна нулю, а спин - 2. Реальные гравитоны, в принципе, могут проявляться в виде гравитационных волн, подобно тому, как реальные фотоны проявляются в виде электромагнитных волн.

Переносчики сильного взаимодействия получили название глюонов (от англ. glue - клей). Их источник - цветовой заряд. Как уже отмечалось ранее, эти заряды не имеют никакого отношения к реальному цвету. Каждый из шести типов кварков (кварки шести ароматов: u, d, c, s, t, b) существует в трех цветовых формах. Важно подчеркнуть, что цветовые заряды и ароматы кварков абсолютно независимы друг от друга.

Всего имеется 8 различных глюонов, каждый из которых несет пару зарядов: цветовой и «антицветовой». Испуская и поглощая глюоны, т.е. меняя свой цвет, кварки осуществляют сильное взаимодействие между собой.

В отличие от фотонов, которые электрически нейтральны, глюоны в квантовой хромодинамике являются носителями цвета и, следовательно, сами испускают и поглощают глюоны. Сильное взаимодействие цветовых зарядов на расстояниях порядка 10-15 м становится настолько интенсивным, что на большие расстояния изолированные цветовые заряды вырваться не могут. В результате, глюоны и кварки не могут существовать в свободном виде: они «пленены» внутри бесцветных адронов. Это явление получило название «конфайнмент» (confinement-пленение, англ.).

Для слабого взаимодействия существуют три переносчика тяжелые векторные бозоны (их часто называют промежуточными бозонами) W+, W- и Z0, массы которых порядка 100 ГэВ.

В таблице №3 приведены характеристики фундаментальных векторных бозонов, которые служат переносчиками различных взаимодействий.

Таблица 3. Частицы-переносчики взаимодействий (виртуальные векторные бозоны)

Взаимодействия

Частицы-переносчики

Спин

Заряд

Масса

Сильное S

Глюон (g)

1

0

0

Электромагнитное E

Фотон ()

1

0

0

Слабое W

+

Z0

1

1

1

+1

1

0

80.4 ГэВ

80.4 ГэВ

91.2 ГэВ

Гравитационное G

Гравитон (gr)

2

0

0

Эти частицы очень трудно наблюдать в лабораторных условиях, т.к. для их перевода из виртуального состояния в реальное (когда их можно зарегистрировать) требуется огромная энергия. Поэтому наблюдать рождение и идентифицировать W- и Z - частицы стало возможным только с созданием очень больших ускорителей новейшего типа. Экспериментальные установки, в которых наблюдались промежуточные бозоны, уникальны. Они сочетают гигантские размеры с ювелирной точностью. Из миллиарда зафиксированных в течение первого 30-дневного сеанса событий было отобрано менее десятка, в которых достаточно надежно установлено рождение W - бозонов.

Диаграммы Фейнмана * 14

В современной теоретической физике очень распространен наглядный и эффективный способ описания взаимодействий с помощью т.н. диаграмм Фейнмана. Составными элементами фейнмановских диаграмм являются вершины, внутренние и внешние линии. Согласно правилам Фейнмана, каждому элементу сопоставляются определенные математические величины и операции, в результате становится возможным получить математическое описание происходящих процессов. Вместе с тем, диаграммы Фейнмана позволяют дать этим процессам наглядную классическую интерпретацию в виде ряда последовательных локальных превращений частиц. Каждому отдельному превращению соответствуют вершины, внутренним волнистым линиям - распространение промежуточной частицы от одного акта превращения до другого, внешние сплошные линии изображают начальные и конечные частицы, участвующие в процессе.

На рис. №№3 6 с помощью фейнмановских диаграмм изображены некоторые процессы и превращения элементарных частиц, обусловленные различными видами взаимодействий.

Рис. 3 иллюстрируют процессы, обусловленные электромагнитным взаимодействием: рассеяние электрона на протоне (3 а) и аннигиляция электрона и позитрона в пару мюонов (3 б).

Волнистая линия на рис. 3 а изображает виртуальный фотон - , который испускается электроном и затем поглощается протоном, в результате чего и происходит процесс упругого рассеяния электрона на протоне.

На рис. 3 б с помощью диаграммы Фейнмана изображен более сложный процесс аннигиляции электрона и позитрона (e e+) в мюонную пару (+ ). Перенос энергии, необходимой для рождения мюонной пары осуществляется виртуальным фотоном, который рождается при аннигиляции электрон-позитронной пары. (Ясно, что электрон и позитрон должны обладать достаточной кинетической энергией).

2.13 Вакуум

Пустое пространство кажется не очень перспективным объектом для исследования, однако, именно в нем скрыт ключ к полному пониманию существующих в природе взаимодействий. Вакуум можно определить как область пространства, из которой удалено решительно все - частицы, поля, волны. И хотя достичь абсолютного вакуума практически невозможно (даже в космическом пространстве всегда существует остаток газа или плазмы, а также реликтовое фоновое излучение, оставшееся от Большого взрыва), однако ничто не мешает нам рассматривать идеализированный вакуум.

Когда физики приступили к разработке квантовой теории поля, оказалось, что вакуум совсем не такой, каким его долгое время представляли, это вовсе не пустое безжизненное пространство, лишенное вещества.

Вакуум, в действительности, «кишит» виртуальными частицами, причем их скоротечную «деятельность» принципиально нельзя предотвратить. Эти частицы - призраки представляют собой разновидность виртуальных частиц, аналогичных переносчикам взаимодействий, но не предназначенных для получения или передачи сигналов. И хотя эти частицы нельзя наблюдать, они могут оставить следы своего кратковременного существования.

Вакуум - это не безжизненное и безликое «ничто», а сложнейшее состояние «кипящих» виртуальных частиц и античастиц всевозможных сортов, которые непрерывно рождаются и исчезают. По современным представлениям, вакуум наиболее фундаментальное состояние материи, своего рода скрытое бытие, в котором заключен «океан возможностей». При сообщении энергии из него можно извлечь любые частицы. Любопытно отметить, что свойства вакуума зависят от того, как он был получен (от его предыстории).

Любую «реальную» частицу, например, электрон, всегда необходимо рассматривать на фоне непрерывной активности вакуума. Перемещаясь в пространстве, электрон в действительности оказывается в окружении частиц - призраков: виртуальных лептонов, кварков и переносчиков взаимодействий. Одним своим присутствием реальная частица вносит возмущение в вакуум, который в свою очередь оказывает воздействие на частицу. Так, электрон, притягивая виртуальные позитроны и отталкивая виртуальные электроны, оказывается как бы окутанным облаком виртуальных положительно заряженных частиц (в основном, позитронов). В результате в распределении заряда возникнет смещение, называемое поляризацией.

Поляризация вакуума - вполне реальный эффект, который можно измерить экспериментально. В рассматриваемом нами случае, другие удаленные реальные частицы чувствуют заряд не «голого» электрона, а частично заэкранированного, как бы одетого в «шубу» из противоположных по знаку зарядов. В результате эффективный заряд электрона издали кажется меньше реального. Этот «ослабленный» заряд электрона и измеряется в обычных опытах. Чтобы приблизиться к «голому» электрону, необходимо проникнуть вглубь экранирующей «шубы», где эффективный заряд электрона будет увеличиваться. При этом простой закон обратных квадратов (закон Кулона) перестает быть справедливым. Этот эффект действительно обнаруживается на расстояниях порядка и меньших 10 18 м.

Экранировка возникает и в глюонном поле, где она приводит к изменению цветового заряда кварков. Виртуальные антикварки стремятся облепить кварк «противоположного» цвета, что должно было бы приводить, как и в случае электромагнитного взаимодействия, к частичной нейтрализации цветового заряда.

Однако на этот раз более существенный вклад в поляризацию вакуума вносят глюоны, которые также обладают цветом и поэтому могут порождать новые виртуальные глюоны. Этот процесс ведет к «размазыванию» цветового заряда, т.е. явлению, прямо противоположному экранированию.

Теперь частица с цветовым зарядом, подходя все ближе к кварку, проникая все глубже в облако размытого цветового заряда, встречает все меньший и меньший заряд, и поэтому интенсивность взаимодействия ослабевает. На достаточно малых расстояниях частицы практически не взаимодействуют - они свободны (так называемая асимптотическая свобода частиц на малых расстояниях). С увеличением расстояния все более далекие части размазанного цветового заряда включаются во взаимодействие и его эффективность возрастает.

Согласно современным представлениям, с увеличением расстояния цветная сила не уменьшается, а остается постоянной. Соответственно энергия, затрачиваемая на увеличение расстояния между кварками, линейно возрастает. Именно это необычное свойство цветной силы обуславливает невозможность вырвать изолированный кварк из адрона. Ситуация похожа на такую, когда взаимодействующие частицы как бы связаны резиновым шнуром (или струной). Если даже сообщить кварку очень большую энергию, то «резиновый шнур» разорвется и на месте разрыва за счет сообщенной энергии возникнет пара - кварк и антикварк. Улетающий кварк утащит за собой возникающий на месте разрыва антикварк, и вместе они составят мезон, который и вылетит из адрона вместо одиночного кварка. Внутри же адрона улетевший кварк будет замещен кварком из только что родившейся пары кварк-антикварк.

Таким образом, кварки «заперты» внутри адрона, образуя системы, которые в целом нейтральны по цвету. Так как глюоны тоже цветозаряжены, то они также заперты внутри адронов. Вот почему, несмотря на то, что переносчики сильного взаимодействия - глюоны обладают нулевой массой, как и фотоны, сильное взаимодействие, в отличие от электромагнитного, не простираются на большие расстояния, а ограничено объемом адронов (радиус которых около 10 -15 м.)

естественнонаучный молекулярный материя

2.14 Объединение взаимодействий

Существующие в нашем мире четыре фундаментальные взаимодействия, как по силе, так и по своим особенностям кардинально отличаются друг от друга. Однако стоит задуматься: всегда ли было такое различие между этими взаимодействиями? Нет ли между ними внутренней связи, которая указывала бы на их происхождение от единого, более универсального взаимодействия в результате спонтанного нарушения симметрии?

Сейчас на этот вопрос с большой степенью вероятности можно дать утвердительный ответ. В первую очередь, это касается электромагнитного E и слабого W взаимодействий, которые являются «потомками» одного, так называемого электрослабого взаимодействия EW. Их объединение происходит при энергиях, порядка или больших EWE  100 ГэВ (EWE2 mW,Z).

Теория электрослабого взаимодействия получила блестящее экспериментальное подтверждение. Особенно впечатляют прецизионные измерения параметров Z-бозона (ЦЕРН, 1998), где достигнутая точность составляет десятые доли процента.

Согласно теории электрослабого взаимодействия, при энергиях EWE  100 ГэВ (Т 1015 К) W+, W-, Z0-бозоны и фотон должны вести себя одинаково (как безмассовые частицы). При более низких энергиях частиц, т.е. в большинстве обычных ситуаций, эта «симметрия» нарушается, и происходит разделение слабого и электромагнитного взаимодействий. Теория предсказывает, что при этом не только промежуточные бозоны, но и фермионы (кварки и лептоны) приобретают массу. Характерным предсказанием теории является существование электрически нейтральной скалярной частицы бозона Хиггса. Экспериментальное обнаружение этой частицы стало бы прямым подтверждением хиггсовского механизма нарушения электрослабой симметрии.

Следующий шаг на пути объединения - это создание общей теории, объединяющей электрослабое EW и сильное S взаимодействия (соответствующая теория получила название «великое объединение»). Основная идея великого объединения состоит в следующем. Эффективные константы связи, характеризующие интенсивность взаимодействий (S, W, E) зависят от энергии взаимодействующих частиц: при высоких энергиях сильное взаимодействие становится слабее, в то время как электрослабое взаимодействие усиливается. Слияние всех трех взаимодействий в единое SEW должно произойти при ультравысоких энергиях порядка ESWE  1015 ГэВ (что эквивалентно ничтожно малым расстояниям, меньшим, чем 10-30м, и немыслимо высоким температурам порядка Т  1028 К). Кварки и лептоны при этом становятся неразличимыми.

К сожалению, непосредственная экспериментальная проверка теорий великого объединения невозможна, однако предсказанная теорией нестабильность протона, в принципе, может быть обнаружена.,

Еще более грандиозны масштабы энергий, при которых возможно полное объединение всех четырех взаимодействий, включая гравитационное (суперобъединение):

Величину этой энергии можно оценить следующим образом: из трех фундаментальных констант: скорости света с, постоянной Планка h и гравитационной постоянной G нужно скомбинировать величину размерности энергии (так называемая планковская энергия):

ГэВ.

Это и есть энергия суперобъединения. При планковских энергиях происходит объединение бозонов и фермионов (восстановление симметрии между частицами вещества и переносчиками взаимодействий).

Соответствующие теории носят названия суперсимметричных. В этих теориях каждая из фундаментальных частиц имеет суперсимметричного партнера со спином, отличающимся на Ѕ. Так, каждому кварку (со спином Ѕ) соответствует скварк (со спином 0), суперпартнер гравитона - гравитино (s=3/2), фотона - фотино (s=Ѕ) и т.д. Интересно отметить, что, согласно теории, самая легкая из суперчастиц может быть стабильной. Выдвигается предположение, что именно эти частицы могут вносить существенный вклад в так называемую «темную материю», которая составляет от 90% до 99% от общей массы Вселенной.

Описание гравитации на языке суперсимметрии получило название супергравитации. Супергравитация создает основу для полного объединения, в рамках которого весь мир управляется единственной суперсилой, которая предстает перед нами в разных обличиях: то, как электромагнитное взаимодействие, переносимое фотонами, то, как сильное взаимодействие, переносимое глюонами, и т.д. При этом все взаимодействия, которые фактически являются различными ипостасями единой сущности, связаны между собой суперсимметрией. Но супергравитация выходит и за эти рамки: объединяя бозоны и фермионы, она дает единое описание взаимодействия и вещества, а не только различных видов взаимодействий.

Само существование всех известных взаимодействий оказывается следствием некоторых имеющихся в Природе симметрий, наличие которых указывает на проявление скрытой геометрии. Чрезвычайно плодотворной оказалась идея описания взаимодействий с привлечением дополнительных, или, как их еще называют, внутренних пространств. Взаимодействия вводятся путем присоединения к нашему четырехмерному пространству-времени дополнительных пространственных измерений. Причиной того, почему эти дополнительные пространственные измерения ускользают от нашего наблюдения, является их компактифакция - дополнительные пространства свернуты в очень малых масштабах (порядка планковских).

Таким образом, все силы природы рассматриваются как проявление структуры пространства-времени, т.е. скрытой геометрии. Современная физика вплотную подошла к реализации идеи геометризации природы.

До сих пор все рассматриваемые модели исходили из предположения, что основа фундаментального строения материи - это частицы (истинно элементарные частицы как не обладающие внутренней структурой считаются точечными объектами). При этом даже поля, описывающие силы природы, получают интерпретацию с помощью частиц - переносчиков взаимодействий. Так, Стандартная модель элементарных частиц и взаимодействий рассматривает в качестве основных элементарных частиц: фундаментальные фермионы (кварки и лептоны) и фундаментальные векторные бозоны (фотон, W+-, W -, Z0-бозоны и глюоны). Обнаружение фундаментальных частиц и их экспериментальное исследование является главной целью физики высоких энергий.

Теперь этому фундаментальному предположению брошен вызов: возникли и успешно развиваются теории, в основе которых лежит идея о том, что мир состоит не из частиц, а струн. Фундаментальная структура Вселенной связывается теперь с протяженными объектами - суперсимметричными струнами, которые обладают бозон-фермионной симметрией. Концы струн могут быть либо свободны (открытые струны), либо соединены друг с другом (замкнутые струны). Характерные размеры струн порядка 10-35 м (планковская длина) или на несколько порядков больше. Во всяком случае, минимальные расстояния, доступные современным ускорителям, не превышают 10-18 м, что объясняет, почему в экспериментах не проявляется «струнная» природа фундаментальных объектов и соответственно, почему приближение точечных частиц обычной квантовой теории оказываются столь успешным.

В настоящее время разработаны пять различных непротиворечивых теорий суперструн. Все эти теории требуют, чтобы пространство-время было десятимерным (девять пространственных измерений и одно временное). Переход к нашему четырехмерному пространству-времени означает, что шесть лишних пространственных измерений каким-то образом скручиваются (компактифицируются) до размеров, сравнимых с масштабом, характерным для струн.

Понимание того, как «скрытые» измерения влияют на четырехмерный мир, одно из важнейших достижений современной теоретической физики. «Струнные» описания существенны при высоких энергиях (область квантовой гравитации). При доступных нам малых энергиях теории суперструн можно «перевести на язык» четырехмерного пространства-времени и «живущих» в нем элементарных частиц.

Самым последним достижением в этой области является идея о существовании всеобъемлющей «М-теории», которая не просто включает, а особым образом «порождает» все прочие супертеории, тем самым полностью оправдывая свое происхождение от слова «mystery».

Заключение

Физика элементарных частиц не имеет себе равных среди других видов человеческой деятельности. На протяжении двух с половиной тысячелетий ученые стремилось найти изначальные «кирпичики» мироздания. История современных «претендентов» на эту роль, начавшаяся открытием электрона (Дж. Томсон, 1897 г.), получила бурное продолжение уже во второй половине двадцатого столетия, благодаря развитию физики высоких энергий. Достаточно напомнить, что восемь из шестнадцати фундаментальных элементарных частиц (c-, b-, t-кварки, -лептон и его нейтрино, W+, W-, Z0 промежуточные бозоны и глюон) были открыты после 1970 г.

На фундаментальные исследования в области физики элементарных частиц ежегодно тратятся сотни и сотни миллионов долларов. Строительство ускорителей нового поколения, позволяющих получать энергии (порядка и более 10 ТэВ), становятся под силу только объединенным усилиям многих стран. Затраты на физику высоких энергий часто сравнивают с затратами на детей: без детей немыслимо будущее человечества, без физики элементарных частиц немыслимо будущее науки.

Физика, как правило, опережает технологию примерно на пятьдесят лет. История физики учит, что каждый новый успешный шаг на пути познания фундаментальных закономерностей природы всегда приводил к огромным (и почти всегда неожиданным) изменениям в технике и радикальным образом сказывается на жизни всего человечества. Создатель теории электромагнетизма Максвелл, безусловно, не мог предвидеть успехи современных телекоммуникаций и электроники, а родоначальник ядерной физики Резерфорд прямо заявлял, что ядерная энергия вряд ли когда-нибудь найдет практическое применение. Можно ли предсказать, к чему способно привести развитие физики элементарных частиц, какие новые открытия и неведомые ранее технологии ожидают человечество?

Но не прикладные аспекты определяют главную ценность физики элементарных частиц. Даже, если окажется, что физика высоких энергий ничего не даст для практики, ее значение по-прежнему останется определяющим. Исключительная роль этой науки связана с тем, что она является фундаментом всего естествознания. Без физики элементарных частиц невозможно понять основные процессы, идущие в Природе, невозможно понять прошлое и прогнозировать будущее нашей Вселенной. По словам П. Девиса, достижения современной физики служат свидетельством проявления человеческого духа, без которого мы были бы обречены в нашем излишне материальном и прагматичном мире. Уровень этой науки определяет уровень понимания всего окружающего нас мира и степень интеллектуальной зрелости человечества.

Литература

Л.Б Окунь. Современное состояние физики элементарных частиц. УФН 41 (6), 553 (1998)

В.А. Рубаков. Физика частиц и космология: состояние и надежды. УФН 169, 1299 (1999)

Л.Б Окунь. Лептоны и кварки. М.: Наука, 1990

С. Хокинг. Краткая история времени. СПб: Амфора, 2001

П. Девис. Суперсила. М.: Мир, 1989

M. Gaillard, P. Grannis, F. Sciulli. The standart model of particle physics. Rev. Mod. Phys. 71 (2). 96 (1999)

Frank Wilczek. Quantum field theory. Rev. Mod. Phys. 71 (2), 90 (1999)

A. Pais. Theoretical particle physics. Rev. Mod. Phys. 71 (2), 16 (1999)

J. Schwarz, N. Seiberg. String theory, supersymmetry, unification, and all that. Rev. Mod. Phys. 71 (2), 112 (1999)

Физическая энциклопедия / Под ред. А.М. Прохорова, т. 1-5. М.: Сов. энциклопедия, 1988-1998

Размещено на Allbest.ru


Подобные документы

  • Всестороннее изучение и анализ микро-, макро- и мегамиров. Изучение материального мира. Представление об иерархичности физических явлений в настоящее время. Становление теории атомно-молекулярного строения мира. Научное познание мира "вглубь" и "вширь".

    реферат [53,3 K], добавлен 26.07.2010

  • Научные картины мира и научные революции в истории естествознания. Изучение физической картины мира в ее развитии. Явления электричества и магнетизма. Квантово-релятивистская физическая картина мира, законы электродинамики. Общая теория относительности.

    реферат [30,1 K], добавлен 11.02.2011

  • Объект и предмет изучения естествознания как научного направления. Три основных уровня организации материи, подходы в познании. Естественнонаучная и гуманитарная культуры, их соотношение. Роль субъективного фактора в социально-гуманитарном познании.

    контрольная работа [35,4 K], добавлен 09.04.2015

  • Естественнонаучная картина мира как целостная система представлений об общих принципах и законах устройства мироздания. Эволюция естественнонаучной картины мира в истории человечества. Предпосылки, влияющие на развитие новых научных представлений.

    реферат [21,5 K], добавлен 17.04.2011

  • Цель и предмет курса "Концепции современного естествознания", основные термины и понятия. Специфические черты науки, виды культуры. История становления научных знаний. Естественнонаучная картина мира. Внутреннее строение Земли. Законы химии и биологии.

    шпаргалка [136,9 K], добавлен 12.02.2011

  • Современная научная картина мира. Фундаментальные воздействия и фундаментальные законы в материальном мире. Геофизическое строение и эволюция Земли. Уникальность планеты Земля в ряду других планет Солнечной системы. Концепция устойчивого развития.

    контрольная работа [23,4 K], добавлен 10.06.2015

  • Естествознание в Европе и в России. Механическая картина мира (классическая и универсальная). Электромагнитная картина мира. Развитие теории электромагнитного поля Д. Максвелла. Квантово-полевая картина мира. Дифференцированное изучение природы.

    контрольная работа [23,8 K], добавлен 16.06.2012

  • Социальные функции естественных наук. Естественнонаучная, гуманитарная культуры. Роль естествознания в научно-техническом прогрессе, классификация его методов, их роль в познании. Формы естественнонаучного познания: факт, проблема, идея, гипотеза, теория.

    курс лекций [279,5 K], добавлен 15.11.2014

  • Понятие "научная картина мира". Физика как ведущая дисциплина в классической научной картине мира. Историческая смена физических картин мира. Современная картина мира. Главный предмет синергетики. Исторические формы проблемы происхождения жизни.

    контрольная работа [24,6 K], добавлен 04.02.2010

  • Наука — это способ познания мира, основанный на эмпирической проверке или математическом доказательстве. Характерные черты науки. Общие и частные методы и формы научного познания. Антинаучные тенденции в развитии науки и современные картины мира.

    реферат [27,3 K], добавлен 12.07.2008

Работы в архивах красиво оформлены согласно требованиям ВУЗов и содержат рисунки, диаграммы, формулы и т.д.
PPT, PPTX и PDF-файлы представлены только в архивах.
Рекомендуем скачать работу.