§ 2. Состав микромира. Краткий обзор физический теорий.

Сразу следует оговориться, что все рассуждения в этом разделе носят чисто феноменологический, обзорный характер и ни коим образом не вторгаются в специализированную часть физики.

Для физиков 17-18 столетия прошли под знаком силы тяжести, а 19 веком завладели электромагнитные силы. Конец 19 и начало 20 века привлекли ядерные силы.

С середины 20 века на авансцену вышел совершенно новый класс сил, который привёл к ряду обнадёживающих сдвигов в современной физике. К этому времени список элементарных частиц уже вызывал тревогу по поводу начавшегося их роста. Сейчас в этом списке насчитывается более 200 частиц.

Современная физика основывается на классических законах постоянства некоторых величин, к примеру, таких как электрический заряд.

Закон сохранения энергии и импульса (у фотона, не имеющего массы покоя, есть импульс, пропорциональный его энергии, т.е. равный энергии частицы, делённой на скорость света), введённый ещё Х.Гюйгенсом, Д.Бернулли и И.Ньютоном ещё в 17 веке для описания столкновений между микроскопическими телами, в равной степени применим и к соударениям и взаимодействиям субатомных частиц.

Обнаружены законы сохранения и в области элементарных частиц. Это закон сохранения барионного числа.

Барионы – это название, которое относят к тяжёлым частицам – протону или иным частицам с равной или большей массами.

Штюкельберг и Вигнер предположили, что если существует квант, как наименьшая единица электрического заряда, то есть и «квант» некоторого свойства «барионности». Такой квант (единичное барионное число) несёт протон, который является самой лёгкой частицей, несущей эту величину, гарантирует его от распада. Все остальные более тяжёлые частицы со способностью распадаться на протон (лямбда и др. частицы), должны иметь то же самое барионное число. Поэтому барионное число всегда остаётся постоянным. Этот же закон распространяется и на лептонную группу, (так называются лёгкие частицы типа нейтрино, электрона, мюона вместе с их античастицами, чтобы отличать их от барионов), оказалось, что лептоны так же обладают свойством, которое называют лептонным числом. Сохранение данного числа устанавливает запрет на некоторые реакции. Так не обнаружено превращение отрицательного пиона (пи-мезона) и нейтрино в два электрона и протон.

Второй закон сохранения связан с открытием двух видов нейтрино, одного, связанного с мюонами, а другого с электронами.

Доверие физики к принципам сохранности основывается на долгом и не знающем исключения опыте.

Однако, когда осваиваются новые области, возникает необходимость заново проверять устойчивость этих законов.

Некоторый конфуз с законами сохранения был связан с уже упоминавшимися частицами, которых ещё называю странными, такими как лямбда-, сигма-, омега-, кси-частица. Было найдено, что полная странность, которая получается путём сложения странностей всех отдельных частиц, не меняется в сильных взаимодействиях, но не сохраняются в слабых.

Здесь надо сделать некоторое отступление для тех людей, для которых область физики имеет побочный характер.

Выделяют следующие виды взаимодействия: сильное, электромагнитное, слабое и гравитационное.

«Сильные» взаимодействий, - это взаимодействия, которые ответственны за силы, действующие между частицами в ядре атома. Ясно, что силы между частицами, которые взаимодействуют на таком коротком промежутке времени должны быть очень велики. Известно, что протон и нейтрон взаимодействуют посредством сильных и короткодействующих ядерных сил, благодаря которым они связаны в атомных ядрах.

К легчайшей сильно взаимодействующей частице относят пион (пи-мезон), масса покоя которого – 137 Мэв. Перечень частиц, участвующих в сильных взаимодействиях резко обрывается на мюоне (мю-мезоне) с массой покоя в 106 Мэв.

Все частицы, которые участвуют в сильных взаимодействиях, объединяют в группы: мезонную и барионную. Для них определяются физические величины, которые сохраняются в сильных взаимодействиях, - квантовые числа. Определяют следующие величины: электрический заряд, атомное массовое число, гиперзаряд, изотопический спин, спиновый угловой момент, чётность и внутреннее свойство, проявляемое только мезонами, обладающими гиперзарядом, равным 0.

Сильное взаимодействие сосредоточено на очень коротком пространственном участке – 10^-13 см, который определяет порядок диаметра сильно взаимодействующей частицы.

Следующее по силе электромагнитное взаимодействие в сто раз слабее сильного взаимодействия. Его интенсивность спадает с возрастанием расстояния между взаимодействующими частицами. Незаряженная частица – фотон, является носителем поля электромагнитных сил. Электромагнитные силы связывают электроны с положительно заряженными ядрами, образуя атомы, они же связывают атомы в молекулы и через многообразные проявления ответственны, в итоге, за различные химические и биологические явления.

Далее следует слабое взаимодействие, сила которого составляет 10^-14 сильного взаимодействия.

Самым слабым среди перечисленных взаимодействий является гравитационное взаимодействие. Его сила по отношению к сильному взаимодействию составляет 10^-39. Данное взаимодействие действует на больших расстояниях и всегда как сила притяжения.

Теперь можно сравнить эту картину сильного взаимодействия с масштабом времени для «слабых» взаимодействий. Наиболее известным из них является бета-распад или радиоактивный распад. Данный процесс открыт в начале прошлого века.

Суть такова: нейтрон (нейтральная частица) в ядре самопроизвольно распадается на протон и электрон. Возник вопрос: если бета-распад может происходить с некоторыми частицами, то почему не со всеми?

Выяснилось, что закон сохранения энергии, запрещает бета-распад для ядер, в которых масса ядра меньше чем сумма масс электрона и возможного дочернего ядра. Поэтому, присущая нейтрону нестабильность получает возможность проявить себя. Масса нейтрона превосходит суммарную массу протона на величину в 780000 вольт. Избыток энергии в данную величину должен перейти в кинетическую энергию продуктов распада, т.е. принять форму энергии движения. Как признаются физики, ситуация в данном случае выглядела зловеще, потому как указывала на возможность нарушения закона сохранения энергии.

Энрико Ферми, следуя идеям В.Паули, выяснил свойства недостающей и невидимой частицы, назвав её нейтрино. Именно нейтрино уносит избыток энергии в бета-распаде. На него же приходится избыток импульса и механического момента.

Непростая ситуация сложилась у физиков вокруг К-мезона, в связи с нарушением принципа чётности. Он распадался на два пи-мезона, а иногда на три. Но такого не должно было быть. Оказалось, что принцип чётности не проверялся для слабых взаимодействий. Выяснилось и другое: несохранение чётности является общим свойством слабых взаимодействий.

В ходе экспериментов было установлено, что рождённая в высоко энергетическом столкновении лямбда-частица распадается на две дочерние частицы (протон и пи-мезон) в среднем за 3*10^-10 сек.

Поскольку, средний размер частицы составляет около 10^{-13Пек.ек.нергетическом столкновении лямбда-частица распадается на две дочерние частицы (протон и пи-мезон) в среднем за 3 не толь} см, то минимальное время реакции для частицы, движущейся со скоростью света, меньше, чем 10^-23 сек. Для масштаба «сильных» взаимодействий - это невероятно долго. При увеличении в 10²³ раз 3*10^-10 сек. становятся миллионом лет.

Физики измеряют скорость реакции, из которой выделяется абсолютная скорость и скорость относительно других реакций. Параметры скорости определяются, исходя из интенсивности реакции. Данная интенсивность и фигурирует в уравнениях, которые не только весьма сложны, но, иногда, решаются в рамках сомнительных приближений.

Из многочисленных экспериментов известно, что ядерные силы резко спадают на определенном расстоянии. Они ощущаются между частицами на расстояниях, не превышающих, 10^-13 см. Известно так же, что при столкновениях частицы движутся близко к скорости света, т.е. 3*10¹⁰ см/сек. В таких условиях, частицы находятся во взаимодействии лишь в течение некоторого времени. Чтобы найти это время, производят операцию деления радиуса сил на скорость частиц. За это время свет проходит диаметр частицы.

Как уже указывалось, интенсивность реакции слабых взаимодействий относительно сильных составляет, примерно, 10^-14 сек.

Сравнение с обычным электромагнитным взаимодействием показывает, насколько мала интенсивность «слабых» взаимодействий. Однако, физики говорят, что рядом с ядерными силами, силы электромагнитные выглядят слабыми, интенсивность которых равна 0,0073 интенсивности сильных. Но, у «слабых», интенсивность реакции в 10¹² раз меньше! [14, 15, 16, 17, 18, 19, 20, 21, 22, 23]

Интерес здесь вызывает тот факт, что физики оперируют пиковыми значениями, которые выявляются в ходе протекания реакций между какими-либо частицами. Да, фиксированные значения выделить можно, но кто руководит режимом реакций или все они не имеют признаков управляемого процесса в Природе? А, если управляются, то, каким образом данный процесс можно осуществить вне сознания»?