Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Физика. Оптика, специальная теория относительности, квантовая и ядерная физика. Учебное пособие
.pdf
111
2
1
'
1
c
c
+
=
−
.
Для приближающейся звезды
2
1
'
1
c
c
−
=
−
, то есть
'
(голубое
смещение). Эксперимент показывает, что для большинства звезд различных галактик имеет место случай, когда
'
, следовательно, галактики удаляются
от Земли. В 1929 г. Хаббл установил, что скорость разбегания пропорциональна
расстоянию до соответствующей галактики
HR
=
, где Н — постоянная Хабб-
ла. Из этого закона получается, что изначально процесс расширения Вселенной
начался из небольшой области. Температура и плотность Вселенной в этом начальном (сингулярном) состоянии равны бесконечности. Четыре типа взаимодей-
ствия не были разъединены. Первые мгновения после Большого взрыва относят
к периоду квантовой гравитации (процессы во Вселенной в этот период наука
пока описать не может). К окончанию этого периода —
42
~10
−
с. (температура
оценивается в пределах
30
10
К, плотность
95
3
кг
~10
м
) — происходит выделение
гравитационного взаимодействия. Наступает период Великого объединения, в конце которого Вселенная состоит из плазмы, образованной элементарными частицами и их античастицами. Следующий период связан с выделением сильного взаимодействия, этот период называют адронным, он характеризуется тем, что в это
время возникает избыток вещества над антивеществом. С момента
4
10
−
с. Все-
ленная проходит лептонную эпоху, которая сменяется эпохой излучения, при
которой большая часть электронов и позитронов проаннигилировали с образованием фотонов. Далее начинается процесс образования ядер первичных элементов, длившийся несколько часов, в результате Вселенная на 75 % стала состоять
из фотонов и на 25 % из ядер гелия. Дальнейшее расширение и охлаждение Вселенной сопровождались образованием нейтральных атомов, которые под действием сил гравитации начали сжиматься в области, ставшие зародышами галактик. Сжатие нейтральных атомов привело к росту температуры в этих областях
и возникновению ядерных реакций. Так образовались звезды, внутри которых
происходило образование более тяжелых элементов, которые рассеивались по Вселенной при взрыве звезд. Из элементов под действием сил гравитации происхо-
112
дило образование новых звёзд и планет. Солнце образовалось приблизительно
через 3 × 109 лет с момента Большого взрыва.
Идею теории Большого взрыва выдвинул А. Гамов. В 1946–1948 гг. он
предсказал существование во Вселенной равновесного электромагнитного излучения с эффективной температурой 6 К. В период эпохи излучения большая часть
электронов и позитронов проаннигилировали с образованием большого числа
фотонов. При этом вещество и излучение находились в равновесии. Однако по
мере охлаждения энергии фотонов уже не хватало для ионизации образовавшихся атомов. Не взаимодействующее с веществом излучение должно было остаться во Вселенной в виде релятивистского газа фотонов с концентрацией около
8
3
част
6 10
м
.
В 1964 г. американские астрономы Р. Пензиас и А. Вильсон при измерении фонового радиоизлучения нашей Галактики зафиксировали слабый, на длине
7,35 см, сигнал, интенсивность которого не зависела ни от направления антенны, ни от времени. Интенсивность сигнала соответствовала интенсивности излучения на длине волны абсолютно черного тела с температурой 3 К (согласно
современным исследованиям, температура реликтового излучения — 2,74 К,
а максимум интенсивности приходится на
0,1
=
см). Обнаружение фонового
излучения явилось экспериментальным подтверждением правильности модели
горячей расширяющейся Вселенной.
Вывод: один из наиболее интересных моментов современной физики состоит в том, что физика элементарных частиц оказывается глубинно связанной
с физикой космических объектов, имеющих гигантские размеры. Космология позволяет получать информацию о частицах и процессах, которые недоступны современным экспериментальным методам физики элементарных частиц. С другой
стороны, достижения физики элементарных частиц позволяют решить целый ряд
космологических проблем.
12.4. Классификация элементарных частиц
По признаку участия в фундаментальных взаимодействиях элементарные
частицы делят на классы. Частицы, для которых основным типом взаимодействия является слабое (сильное не проявляется вообще, электромагнитное возможно, гравитационное возможно, но для всех элементарных частиц оно ни-
чтожно мало), относятся к классу лептонов. Это шесть частиц: электрон
e
−
,
113
электронное нейтрино
e
, мюон
−
, мюонное нейтрино
, таон
−
, таонное
нейтрино
и их античастицы: позитрон,
e
,
+
,
,
+
,
. В процессах взаи-
модействия выполняется закон сохранения лептонного заряда. Квантовое число
(лептонный заряд) для лептонов равно
1L =
, а для антилептонов
1L =−
. Напри-
мер, для аннигиляции электрона и позитрона
ee
+−
+ → + +
, закон сохране-
ния заряда будет:
1 1 0− + =
. Все лептоны являются фермионами. Одним из свойств
микрочастиц является наличие у них собственного момента импульса (спина).
У электрона модуль спина определяется по формуле
3
2
s =
.
Проекция спина на заданную ось Z может принимать только два значения:
2
Z
s =
;
2
Z
s =−
.
Если за единицу измерения магнитного момента принять , то
1
2
s =
. Так
как на практике значительно чаще приходится иметь дело с проекциями спина
электрона, а не с модулем, то говорят, что спин электрона равен
1
2
. Таким же
спином обладают протон и нейтрон. У каждой элементарной частицы свое значение спина. Частицы с полуцелым спином называются фермионами. Переносчи-
ками слабого взаимодействия являются
w
+
,
w
−
,
0
z
бозоны. Существование этих
частиц экспериментально подтверждено в 1983 г.
К адронам относятся элементарные частицы, основным типом взаимодействия для которых является сильное взаимодействие (возможно участие во всех
видах взаимодействий). Адроны делятся на мезоны и барионы.
К мезонам относятся
+
,
−, 0
,
k
+
,
k
−, 0
k
,
0
k
,
0
, они характеризуются
целым значением спина.
114
Барионы имеют полуцелый спин, и для них, в отличие от мезонов, выполняется закон сохранения барионного заряда. Частице бариону приписывается единичный положительный барионный заряд
1B =
, античастице — отрицательный
1B=−
. Суммарный барионный заряд до взаимодействия равен суммарному ба-
рионному заряду после взаимодействия. Барионы с массой, превышающей массу нейтрона, называются гиперонами. К их числу относят
+
,
−
,
0
,
+
,
−
,
0
,
0
,
0
,
0
,
+
,
−
.
Вывод: в зависимости от того, какой тип взаимодействия является основным, элементарные частицы делятся на классы: фотоны, лептоны, мезоны, барионы. В настоящее время предпринимается попытка установить такую систематизацию элементарных частиц, которая позволила бы раскрыть глубинные
фундаментальные связи между частицами, подобно тому как таблица Менделеева позволила систематизировать атомы в соответствии со строением их электронных оболочек.
12.5. Кварки
Результаты опытов по неупругому рассеянию электронов на протонах
и нейтронах свидетельствует о пространственном распределении в них электрического заряда. Выделенные области могут перемещаться внутри нуклонов. Первые результаты такого рода были получены в 1969 г. в Стэнфорде. Эти исследования подтверждали идею о существовании трёх кварков — частиц, из которых
строятся адроны. Идея была высказана в 1964 г. М. Гелл-Манном и Д. Цвейгом.
Согласно гипотезе, кварк с ароматом u имеет дробный положительный элек-
трический заряд
2
3
e
, кварки с ароматами d и s обладают отрицательным элек-
трическим зарядом
1
3
e−
. Барионный заряд кварков одинаковый и равен
1
3
.
Кварки s и d различаются значением квантового числа, которое называют странностью S. У s-кварка
1S =−
, а у u и d
0S =
. В начале пятидесятых годов про-
шлого века в составе космических лучей были обнаружены , , гипероны
и k-мезоны. Рождались они за счет сильных взаимодействий, а распад происхо-
дил за счет слабых, поэтому их назвали странными. Квантовое число S является
одной из характеристик частиц:
частица
странность s
−
p
0
k
0
0
1+
1−
.
115
Ряд свойств кварков приводится в таблице:
Электрический заряд Q
Барионный заряд B
Странность S
2
3
u
d
s
1313131
3
−
1
3
−
0
0
1−
.
Определим кварковый состав протона. Обозначим через x, y, z количество
кварков u, d, s, тогда с учетом того, что у протона
1Q =
,
1B =
,
0S =
, можем
записать:
( )
2 1 1
1,
3 3 3
1 1 1
1,
3 3 3
0 0 0 1 .
x y z
x y z
x y z
= + − + −
= + +
= + + −
Решению системы соответствуют значения
2x =
,
1y =
,
0z =
. Таким об-
разом, протон состоит из двух u-кварков и одного d-кварка. Существуют частицы из трех кварков одного аромата, например,
−
состоит из трех s-кварков
[
++
(u u u),
−
(d d d)]. Спин кварков равен
1
2
, поэтому они подчиняются прин-
ципу Паули, согласно которому в квантовой системе не может быть двух одинаковых частиц. Чтобы снять возникшее противоречие, было введено понятие
цветового заряда кварка. Цветовой заряд создает вокруг кварка цветовое поле
и служит его источником. Одинаковые цветовые заряды отталкиваются, а противоположные — притягиваются. Каждый кварк может существовать в трех видах: красном, зеленом, синем. Все три цвета рассматриваются как равноправные.
Процесс взаимодействия кварков сводится к обмену цветом. Переносчиками цветового заряда являются глюоны. Это бозоны (бозонами называют частицы с целым
значением спина) со спином, равным 1, масса покоя равна 0. Глюон является носителем комбинации цвет-антицвет [у каждого кварка существует антикварк. Ан-
116
тикварки окрашены в дополнительные цвета]. Комбинаций цвет-антицвет возмож-
но 6: кс, кз, зк, зс, ск, сз, предполагается наличие двух бесцветных глюонов.
При излучении или поглощении кварком глюона происходит смена цвета
кварка. Например, при поглощении красным u-кварком глюона
ск
g
происходит
нейтрализация красного цвета и кварк становится синим. Таким образом, при
сильных взаимодействиях меняется цвет кварка, а аромат остается неизменным.
Цветовое взаимодействие проявляется между кварками, но не между
адронами. Любой барион цветонейтрален и состоит из трех ароматов. Мезоны
состоят из кварка и антикварка с противоположными цветовыми зарядами. Ускоренный кварк излучает глюоны, которые сами, обладая цветовым зарядом, способны излучать глюоны. В этом состоит принципиальное отличие цветовых зарядов и полей от электрического заряда и электрического поля. Так, основной
принцип электромагнитного поля — принцип суперпозиции — для цветовых по-
лей не выполняется. Из-за этого цветовое взаимодействие между кварками тем
меньше, чем они ближе друг к другу. Это свойство получило название асимптотической свободы, оно объясняет, почему нельзя выделить кварк из адрона.
Если предпринимается такая попытка, то с увеличением расстояния взаимодействие будет возрастать. Силовые линии цветового поля принимают форму жгута. При увеличении расстояния происходит разрыв связи с образованием новых
адронов (рис. 62).
Рис. 62. Явление «конфайнмент»
Попытка продолжить разделение приводит к рождению новых адронов. Это
явление получило название «конфайнмент». Следствием этого является то, что
кварки не в состоянии удалиться друг от друга на расстояние
15
~10
−
м, но для
бесцветных комбинаций это возможно, потому что их удерживают глюонные поля (бесцветными комбинациями являются адроны). При удалении на расстояния, превышающие радиус конфайнмента, взаимодействие между адронами осуществляется путем обмена пионами. Пион-нуклонное взаимодействие называют
«остаточным» сильным взаимодействием, оно значительно слабее, чем сильное взаимодействие, обусловленное обменом глюонами.
117
В 1974 г. и в 1976 г. были открыты
J
(джей-пси) и (ипсилон) части-
цы, для объяснения свойств которых были введены c и b кварки. В 1995 г. было
экспериментально обосновано введение t-кварка.
Вывод: теоретически предсказано и экспериментально подтверждено существование шести кварков, из которых состоят адроны. Ядра обычного вещества состоят из легчайших u и d кварков. Кварки обладают цветовым зарядом.
Переносчиками цветового заряда являются глюоны. Из-за цветового взаимодействия глюонов между собой возникает явление асимптотической свободы, которое определяет характер взаимодействия кварков и объясняет невозможность
выделения кварка в свободном виде. Экспериментально возможно изучать кварки только внутри адронов.
12.6. Суперобъединение
Гравитационное и электромагнитное взаимодействия имеют неограниченный радиус действия. Первое определяет процессы между космическими телами с большими массами. Электромагнитные силы при этом не проявляются, так
как космические тела не заряжены. Внутри вещества на расстояниях, сравнимых
с размерами атомов, доминирует электромагнитное взаимодействие. Из-за малости масс гравитационные силы ничтожно малы. На расстояниях, сравнимых
с размерами ядер, включаются сильные взаимодействия, которые превосходят
электромагнитные приблизительно в 103 раз. Радиус действия слабых взаимодействий ~10
-18
м. При слабых взаимодействиях лептоны (признаков внутрен-
ней структуры не выявлено) обмениваются промежуточными
0
,,W W Z
−+
бозо-
нами, существование которых экспериментально подтверждено в 1983 г. Кроме
лептонов в слабых взаимодействиях принимают участие кварки. Так, например,
процесс распада мюона отражает диаграмма Фейнмана (рис. 63).
Рис. 63. Процесс распада мюона
Каждой частице на диаграмме соответствует линия. Линии, не имеющие свободных концов, соответствуют виртуальным частицам. На рис. 64 это волнистая
118
линия, она соответствует
W
−
-бозону. Свободные левый или правый концы озна-
чают положение частицы в начальном или конечном состояниях.
Рис. 64. Схема распада нейтрона
Кварки способны излучать и поглощать промежуточные бозоны:
; ; ; .u d W d u W u b W u s W
+ − + +
→ + → + → + → +
В таких процессах происходит
изменение аромата кварка, однако цвет не меняется. Распад нейтрона отражает
диаграмма на рис. 64.
Кварк, излучивший
W
−
-бозон, получает импульс, однако внутри протона
его удерживают за счет сильного взаимодействия другие кварки. В результате
импульс получает протон.
Согласно Ш. Глэшоу, С. Вайнбергу, А. Саламу, на расстояниях ~10
-18
м
энергии слабого и электромагнитного взаимодействия сравниваются между собой и образуют единое электрослабое поле. Переносчиками электрослабого взаимодействия являются фотоны и промежуточные бозоны. Если частица локализована в некоторой области пространства x, то соотношение неопределенностей
Гейзенберга позволяет дать оценку минимального значения энергии этой части-
цы:
.
2
2
;
2
2
min
xm
h
m
p
E
x
h
p
=
=
Различие между слабым и электромагнитным взаимодействием стирается
при
100 ГэВ.E
Шелдон Глэшоу выдвинул гипотезу, согласно которой при пе-
реходе к энергиям
14 15
10 10 ГэВ−
должно произойти объединение электрослабо-
го взаимодействия с сильным.
119
Вывод: с увеличением энергии частиц интенсивность слабого и электромагнитного взаимодействий возрастают неодинаково. Интенсивность слабого
растет быстрее. При энергиях порядка 100 ГэВ интенсивности взаимодействий
сравниваются. Это позволило ввести в рассмотрение единое электрослабое взаимодействие, что стало одним из главных достижений физики во второй половине XX в. Учитывая, что константа электрослабого взаимодействия с ростом
энергии увеличивается, а сильного убывает, можно предположить, что при определенных значениях энергии константы сравняются и эти взаимодействия станут
неразличимыми. Такое слияние возможно при энергиях ~1015 ГэВ, что многократно превышает возможности современных ускорителей, поэтому подтверждение идеи Великого объединения будет связано с нетрадиционными методами физики элементарных частиц.
120
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Рассмотренные в учебном пособии физические модели оптики, СТО,
квантовой физики являются завершенными теориями, однако это не означает,
что они более не востребованы в науке и технике, наоборот, в большом количестве разрабатываются новые технологии, материалы, приборы и устройства,
которые быстро внедряются и находят широкое применение. Это, в свою очередь, приводит к появлению новых направлений и исследований в указанных
разделах физики.
Особый интерес представляет физика ядра и элементарных частиц. Эта область физики бурно развивается в настоящее время. Достаточно отметить, что
на ближайшие десять лет запланировано решение проблемы термоядерного синтеза (стоимость проекта ― 10 млрд евро), уже проведен экспериментальный пуск
БАК (большого адронного коллайдера), который позволит экспериментально подтвердить правильность ряда современных моделей физики элементарных частиц
(суперсимметрии, теории струн, М-теории) и расширит представления человека
о строении окружающего его мира. Если учесть, что, согласно современным представлениям, на темную материю может приходиться до 90 % массы Вселенной,
а о ее строении практически ничего не известно, то становится понятным, что человечество ждут новые и новые открытия в физике.
Авторы выражают надежду, что данное пособие найдет своего читателя
и будет полезно ему в той или иной мере.
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]