33)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 1897 г. простейшую элементарную частицу материи – электрон. Вскоре стало ясно, что электроны должны вылетать из атомов. В 1911 г. английский физик Эрнст Резерфорд, доказал, что атомы вещества действительно обладают внутренней структурой: они состоят из положительно заряженного ядра и вращающихся вокруг него 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 Полем 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 обнаружения частицы 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 – это так 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 и электронов показали, что на самом деле протоны состоят из еще более мелких частиц. Впервые исследовал эти частицы американский физик-теоретик Гелл-Манн. Он назвал их кварками. Название «кварк» взято из стихотворной строки Джойса: «Три кварка для мистера Марка!».

Известно несколько разновидностей кварков: предполагают, что. существует по крайней мере шесть ароматов, которым отвечают u-кварк, d-кварк, странный кварк, очарованный кварк, b-кварк и t-кварк. Кварк каждого аромата может иметь еще и один из трех цветов – красный, зеленый, синий). Это просто обозначение, т.к. размер кварков значительно меньше длины волны видимого света и поэтому 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? Это те исходные кирпичи, из которых все состоит».

Поскольку длины световых волн значительно больше размеров атома, у нac 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 и природе.

Теперь поговорим о некоторых характеристиках элементарных частиц. Они имеют вращательную характеристику – спин. Представим себе частицы в виде маленьких волчков, вращающихся вокруг своей оси. Однако, такая картина не совсем правильная, потому что в квантовой механике частицы не имеют вполне определенной оси вращения. На самом деле спин-частицы дают нам сведения о том, как выглядит эта частица, если смотреть на нее с разных сторон. Например, частица со спином 0 похожа на точку, т.к. она выглядит со всех сторон одинаково. Частицу со спином 1 можно сравнить со стрелой: с разных сторон она выглядит по-разному и принимает прежний вид лишь после оборота на 360°. Частицу со спином 2 можно сравнить со стрелой, заточенной с обеих сторон: любое ее положение повторяется с полуоборота 180°). Частицы с более высоким спином возвращаются в первоначальное состояние при повороте на еще меньшую часть полного оборота.

34) Теория фундаментальных взаимодействий в природе Фундамента́льные взаимоде́йствия — качественно различающиеся типы взаимодействия элементарных частиц и составленных из них тел.

На сегодня достоверно известно существование четырех фундаментальных взаимодействий:

гравитационного;

электромагнитного;

сильного;

слабого.

При этом электромагнитное и слабое взаимодействия являются проявлениями единого электрослабого взаимодействия.

Ведутся поиски других типов фундаментальных взаимодействий, как в явлениях микромира, так и в космических масштабах, однако пока какого-либо другого типа фундаментального взаимодействия не обнаружено.

В физике механическая энергия делится на два вида — потенциальную и кинетическую энергию. Причиной изменения движения тел (изменения кинетической энергии) является сила (потенциальная энергия) (см. второй закон Ньютона). Исследуя окружающий нас мир, мы можем заметить множество самых разнообразных сил: сила тяжести, сила натяжения нити, сила сжатия пружины, сила столкновения тел, сила трения, сила сопротивления воздуха, сила взрыва и т. д. Однако когда была выяснена атомарная структура вещества, стало понятно, что все разнообразие этих сил есть результат взаимодействия атомов друг с другом. Поскольку основной вид межатомного взаимодействия — электромагнитное, то, как оказалось, большинство этих сил — лишь различные проявления электромагнитного взаимодействия. Одно из исключений составляет, например, сила тяжести, причиной которой является гравитационное взаимодействие между телами, обладающими массой.