2.3 Физика элементарных частиц.

Проблема поиска «первокирпичиков» мироздания занимала ученых и философов со времен античности. Но по-настоящему заняться ее решением оказалось возможным только в ХХ веке, когда были разработаны для этого экспериментальная техника и математический аппарат. Развитие физики элементарных частиц позволило разработать протонно-нейтронную теорию строения ядра атома (Д.Д.Иваненко, В.Гейзенберг). Ядро, как и атом, оказалось сложной системой взаимодействующих элементарных частиц.

Сегодня выделяют четыре уровня организации микромира: молекулярный, атомный, нуклонный и кварковый. Достижения современной физики позволили выделить его структурные элементы - элементарные частицы. Элементарными называют такие частицы, которые на современном уровне развития науки нельзя считать соединением других, более простых частиц. Однако в настоящее время неизвестно, какие частицы в действительности заслуживают названия элементарных, неизвестен критерий, по которому ту или иную частицу можно отнести к этому статусу. Поэтому элементарными условно называют группу микрочастиц, не являющихся атомами или атомными ядрами. На сегодня обнаружено несколько сотен частиц, но лишь около 30 из них можно считать более или менее стабильными (имеющими время жизни ~ 10-22с), а истинно элементарными еще меньше. В основу классификации элементарных частиц положено несколько свойств, прежде всего: масса, время жизни, спин, заряд. По массе частицы объединены в группы: легкие (лептоны), средние (мезоны) и тяжелые (барионы). Средние и тяжелые частицы получили название адронов. На сегодняшний день из них лишь лептоны считаются истинно элементарными частицами, так как пока нет ни теоретических, ни экспериментальных данных, которые бы свидетельствовали о наличии у них какой-либо тонкой структуры. Все лептоны участвуют в слабых взаимодействиях, а лептоны, обладающие электрическим зарядом - к тому же еще и в сильных. Среди микрочастиц специально выделяют те, которые имеют время жизни, значительно меньшее 10-22 с. Их называют резонансами. Различают частицы реальные, то есть те, которые можно непосредственно зафиксировать с помощью приборов (как правило, они имеют большое время жизни – электрон, протон, нейтрон и др.) и частицы виртуальные (возможные), о существовании которых можно судить лишь опосредовано, по некоторым их проявлениям через какие-то вторичные эффекты. Согласно квантовой теории поля все взаимодействия осуществляются благодаря обмену виртуальными частицами. Почти все частицы имеют соответствующие им античастицы.

Фундаментальные частицы, из которых состоят все адроны назвали кварками. Расчеты показали, что кварки имеют дробный электрический заряд по отношению к заряду электрона. Раздел физики, изучающий кварки, получил название квантовой хромодинамики. На сегодняшний день известно шесть кварков. Они, как и лептоны, считаются истинно элементарными частицами.

Исходя из значения спина, все частицы делят на фермионы, имеющие полуцелый спин, и бозоны, имеющие целый спин. К фермионам относится множество частиц, среди которых электроны, протоны, нейтроны. Распределение фермионов подчиняется строгому правилу, которое получило название принципа Паули: в одной квантовой ячейке не могут находиться частицы, имеющие одинаковые квантовые состояния. Возбужденные состояния силовых полей называют фундаментальными бозонами. Таких состояний насчитывается тринадцать. В отличие от фермионов бозоны не подчиняются запрету Паули. Элементарные бозоны являются переносчиками всех видов фундаментальных взаимодействий, каждому из которых соответствует свой вид бозона: гравитационному - гравитон, электромагнитному - фотон, ядерному - глюон, слабому - тяжелый бозон.

Изучая явления микромира, физики пытаются найти взаимосвязь между разными видами взаимодействий и построить их объединенную теорию. Еще Эйнштейн предполагал возможность объединения электромагнитных взаимодействий с гравитационными. В семидесятых годах двадцатого столетия была высказана гипотеза, что электромагнитное поле является частью более общего электрослабого поля, состоящего из нескольких компонент. Предполагается, что некоторые элементарные частицы излучают и поглощают кванты электрослабого поля, и многочисленные опыты это подтверждают, хотя идея не считается полностью доказанной. Были высказаны гипотезы о том, что на расстояниях 10^-18 м слабые взаимодействия объединяются с электромагнитными, а на расстояниях - 10^-32 м электрослабые взаимодействия объединяются с сильными. Но ученые пока не умеют работать со столь малыми расстояниями.

Новые представления о структуре материи и объединении взаимодействий ученые связывают с динамическим (физическим) вакуумом. По классическим представлениям, вакуум - это абсолютная пустота. Но таковой не бывает. Отсутствие вещества еще не означает отсутствия поля. Современная наука трактует вакуум как состояние материи с наименьшей энергией при отсутствии вещества (то есть вакуум - это невозбужденное состояние поля).