Элементарные частицы и силы в природе

Аристотель считал вещество непрерывным, - т.е. любой кусок вещества можно бесконечно дробить на все меньшие и меньшие кусочки, так и не дойдя до такой крошечной крупинки, которая дальше бы не делилась. Однако, другие древнегреческие философы, например, Демокрит, придерживались мнения, что материя имеет зернистую структуру и что все в мире состоит из большого числа разных атомов. Проходили века, но продолжался бездоказательный спор как с той, так и с другой стороны. Спор этот длился до начала нашего века, пока английский физик Джозефер Томсон (1856-1940) не открыл в 1897г. простейшую элементарную частицу материи - электрон. Вскоре стало ясно, что электроны должны вылетать из атомов. В 1911г. английский физик Эрнст Резерфорд, доказал, что атомы вещества действительно обладают внутренней структурой: они состоят из положительно заряженного ядра и отрицательно заряженных электронов.

Сначала предполагали, что ядро атома состоит из электронов и положительно заряженных частиц, которые назвали протонами. Однако, в 1932 г. Джеймс Чэдвик обнаружил, что в ядре есть еще и другие частицы - нейтроны, масса которых почти равна массе протона, но которые не заряжены.

Как говорилось выше, частицы могут себя вести подобно волне (корпускулярно-волновой дуализм). Открытие волновой природы электрона раскрыло новый, своеобразный мир явлений. Изящная теория электрона была предложена выдающимся физиком-теоретиком П.Дираком в 1928 г. Эта теория дает нам возможность определить, когда электрон сходен с частицей, а когда - с волной. Одна из посылок теории Дирака об электроне заключалась в том, что должна существовать элементарная частица, обладающая такими же свойствами, как и электрон, но с положительным зарядом. Такая частица (или античастица) была обнаружена и названа позитроном. Из теории Дирака также следовало, что позитрон и электрон, взаимодействуя между собой (реакция аннигиляции), образуют пару фотонов, т.е. квантов электромагнитного излучения. Возможен и обратный процесс {процесс рождения), когда фотон, взаимодействуя с ядром, превращается в пару электрон-позитрон. Кроме того, электрон и позитрон могут возникать и исчезать не только совместно, но и по отдельности - при взаимных превращениях нейтронов и протонов или их античастиц, т.е. антинейтронов и антипротонов.

Характерное для волновой механики (механика, которая рассматривает частицу как волну) вероятностное распределение рассматриваемых частиц (каждой частице сопоставляется волновая функция, квадрат амплитуды которой равен вероятности обнаружить частицу в определенном объеме) относится не только к электрону. В случае атомных ядер оно позволяет составляющим эти ядра нуклонам (т.е. протонам и нейтронам) " просачиваться" через непреодолимый для них потенциальный барьер наружу - этотак называемый квантово-механический туннельный эффект.

Еще лет двадцать пять тому назад протоны и нейтроны считались элементарными частицами, но эксперименты по взаимодействию движущихся с большими скоростями протонов (нейтронов) и электронов показали, что на самом деле протоны и нейтроны состоят каждый из трех еще более мелких частиц. Впервые исследовал эти частицы американский физик-теоретик М. Гелл-Манн. Он назвал их кварками.

Известно несколько разновидностей кварков: предполагают, что существует по крайней мере шесть ароматов, которым отвечают u- кварк, d - кварк, s-кварк, c-кварк, b-кварк и t-кварк. Кварк каждого аромата может иметь еще и один из трех цветов - красный, зеленый, синий.. Это просто обозначения и цвета в обычном смысле слова у них нет. Итак, мы узнали, что ни атомы, ни находящиеся внутри атома протоны с нейтронами не являются неделимыми, а потому возникает вопрос: " Что же такое настоящие элементарные частицы? ”

Поскольку длины световых волн значительно больше размеров атома, у нас нет надежды " увидеть" составные части атома обычным способом. Для этой цели необходимы значительно меньшие длины волн.

Согласно квантовой механике, все частицы являются еще и волнами и чем выше энергия частицы, тем меньше соответствующая длина волны. Следовательно, ответ на поставленный вопрос зависит от того, насколько высока энергия частиц, имеющихся в нашем распоряжении, потому что этой энергией и определится, насколько малы масштабы тех длин, которые мы сможем наблюдать.

Таким образом, разгоняя частицы в ускорителях (например, в
синхрофазотроне) мы получим значительные энергии. Взаимодействуя с
другими частицами, эти высокоэнергетические частицы позволяют " заглянуть
вглубь" тех частиц, которые считаются элементарными. Так физики узнали,
что частицы, которые лет двадцать назад считались элементарными, на самом
деле состоят из меньших частиц. А что если при переходе к еще более высоким
энергиям окажется, что и эти меньшие частицы, в свою очередь, состоят из
еще меньших? Когда эта цепочка оборвется? Правда ученые, работающие в
области физики элементарных частиц, считают, что наука уже владеет или
почти владеет сведениями об исходных " кирпичиках", из которых построено
все в природе: это кварки и электроны.

Теперь поговорим о некоторых характеристиках элементарных
частиц. Они имеют вращательную характеристику - спин. Понятие о спине можно получить из такого простого представления: возьмем детскую игрушку – волчок (юлу), поставим его вертикально и отпустим, волчок падает. Но если волчок предварительно раскрутить, то он будет располагаться вертикально. Это говорит о том, что у вращающегося тела появляется новое свойство, новое качество – способность сохранять в пространстве направление оси вращения. Вот это новое свойство и характеризуют понятием спин.

Все известные частицы во Вселенной в зависимости от спина частицы можно разделить на две группы: фермионы - частицы со спином 1/2, из которых состоит любое вещество во Вселенной (нейтроны, протоны, кварки, легкие частицы - лептоны и тяжелые частицы - гипероны) и бозоны - частицы со спином 0, 1 и 2, которые создают силы, действующие между частицами вещества (фотоны и частицы под общим названием - мезоны). Частицы вещества (фермионы) подчиняются принципу запрета Паули, открытому в 1925 г. австрийским физиком Вольфгангом Паули. Принцип Паули гласит, что две одинаковые частицы не могут существовать в одном и том же состоянии, т.е. не могут иметь координаты и скорости, одинаковые с той точностью, которая задается принципом неопределенности. Если частицы вещества имеют очень близкие значения координат, то их скорости должны быть разными и, следовательно, они не смогут долго находиться в точках с этими координатами. Если бы при возникновении Вселенной не учитывался принцип Паули, кварки не могли бы объединиться в единые, четко определенные частицы - нейтроны и протоны, а те, в свою очередь, не смогли бы вместе с электронами образовать отдельные, четко определенные атомы. Без принципа Паули все эти частицы сколлапсировали бы и превратились в более или менее однородное " желе".

В квантовой механике предполагается, что все силы или взаимодействия между частицами вещества переносятся частицами с целочисленным спином, равным 0, 1 или 2. Это происходит следующим образом. Частица вещества, например, электрон или кварк, испускает другую частицу, которая является переносчиком взаимодействия (например, фотон). В результате отдачи скорость частицы вещества 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. Частицы-переносчики, которыми обмениваются частицы вещества, называются виртуальными, потому что в отличие от " реальных" их нельзя непосредственно зарегистрировать при помощи детектора частиц. Однако они существуют, потому что они создают эффекты, поддающиеся измерению.

Частицы-переносчики можно классифицировать на четыре типа в зависимости от величины переносимого ими взаимодействия и от того, с какими частицами они взаимодействовали.

1.Первая разновидность - гравитационная сила. Это означает, что любые тела, обладающие массой, взаимодействуют между собой. Это очень слабая сила, зависящая от масс взаимодействующих тел и от расстояния между ними, которую мы вообще не заметили бы, если бы не два ее специфических свойства: гравитационные силы действуют и на больших расстояниях и всегда являются силами притяжения.

В квантово-механическом подходе к гравитационному полю считается, что гравитационная сила, действующая между двумя частицами материи, переносится частицей со спином 2, которая называется гравитоном. Гравитон не обладает собственной массой и поэтому переносимая им сила является дальнодействующей. Гравитационное взаимодействие между Солнцем и Землей объясняется тем, что частицы, из которых состоят Земля и Солнце, обмениваются гравитонами. Несмотря на то, что в обмене участвуют лишь виртуальные частицы, создаваемый ими эффект безусловно поддается измерению, потому что этот эффект - вращение Земли вокруг Солнца. Пока гравитоны.зарегистрировать не удалось, они остаются гипотетическими частицами, но в их существовании физики не сомневаются.

2. Следующий этап взаимодействия создается электромагнитными силами, которые действуют между электрически заряженными частицами, но не отвечают за взаимодействие таких незаряженных частиц как нейтроны. Электромагнитные взаимодействия гораздо сильнее гравитационных: электромагнитная сила, действующая между двумя электронами, примерно в 10⁴⁰ раз больше гравитационной силы. В отличие от гравитационных сил, которые являются силами притяжения, одинаковые по знаку заряды отталкиваются, разноименно заряженные - притягиваются. Переносчиками электромагнитного взаимодействия являются фотоны.

3. Взаимодействие третьего типа называется слабым взаимодейст­вием. Оно отвечает за распад элементарных частиц, за радиоактивность и существует между всеми частицами вещества со спином 1/2, но в нем не участвуют частицы со спином 0 и 2 -фотоны и гравитоны.

В 1967 г. английский физик-теоретик Абдус Салам и американский физик из Гарварда Стивен Вайнберг одновременно предложили теорию, которая объединяла слабое взаимодействие с электромагнитным. Вайнберг и Салам высказали предположение о том, что в дополнение к фотону существует еще три частицы со спином 1, которые вместе называются промежуточным векторным бозоном и являются переносчиками слабого взаимодействия. Эти бозоны были обозначены символами W⁺, W^- и Z⁰. Массы бозонов предсказывались большими, чтобы создаваемые ими силы имели очень маленький радиус действия. Примерно через десять лет предсказания, полученные в теории Вайнберга-Салама, подтвердились экспериментально.

4. Сильное ядерное взаимодействие представляет собой взаимодейст­вие четвертого типа, которое удерживает кварки внутри протона и нейтрона, а протоны и нейтроны внутри атомного ядра. Переносчиком сильного взаимодействия считается частица со спином 1, которая называется глюоном. Глюоны взаимодействуют только с кварками и с другими глюонами. У сильного взаимодействия есть одно необычное свойство - оно обладает конфайнментом (от англ. confinement - ограничение, удержание). Конфайнмент состоит в том, что при попытке разделить протон или нейтрон на отдельные кварки возникают мощнейшие силы притяжения, которые не позволяют это сделать. Следствием конфайнмента является то, что мы не можем наблюдать отдельный кварк или глюон.

После успешного объединения электромагнитного и слабого взаимодействий стали предприниматься попытки соединения этих двух видов с сильным взаимодействием, чтобы в результате получилась так называемая теория великого объединения. Было предложено несколько вариантов таких " великих" теорий.

Конечно, в этом названии есть некоторая доля преувеличения: во-первых, все предложенные теории на самом деле вовсе не такие уж и великие, а во-вторых, они просто не могут объединить в себе все четыре вида взаимодействий по причине того, что совсем не рассматривают гравитацион­ные взаимодействия. Темне менее, такие теории могут стать определенным шагом на пути создания полной теории объединения, охватывающей все взаимодействия. Теории великого объединения " проливают свет" и на само наше существование. Не исключено, что наше существование есть следствие образования протонов. Такая картина начала Вселенной представляется наиболее естественной. Земное вещество, в основном, состоит из протонов, но в нем нет ни антипротонов, ни антинейтронов. Эксперименты с космичес­кими лучами подтверждают, чтото же самое справедливо и для всего вещества в нашей Галактике!

Как уже говорилось, теории великого объединения не включают в себя гравитационное взаимодействие. Гравитационные силы так малы, что их влиянием можно пренебречь, когда мы имеем дело с элементарными частицами или атомами. Однако тот факт, что гравитационные силы являются дальнодействующими, да еще и всегда силами притяжения, означает, что результаты их воздействия всегда суммируются. Следовательно, если имеется достаточное количество вещества, то гравитационные силы могут стать больше всех остальных сил. Вот почему эволюция Вселенной определяется именно гравитацией.

Большинство физиков верят в создание единой теории, в которой все четыре силы оказались бы разновидностью одной.