Макаров - КСЕ

ную частицу как бесструктурное дискретное образование, как некую песчинку трудно и даже невозможно. Но и абсолютизировать одну только волновую характеристику элементарных частиц не правомерно, поскольку идея «состоит из ….», выражающая дискретные свойства материи, продолжает служить науке. Подтверждением этого явления стало установление кварков как частиц материи.

Идею кварков выдвинули в 1964 г. американские физики-теоретики (Д. Цвейг) (р. 1937 г.) и независимо от него М. Геля-Ман (р. 1929 г.) из теоретических соображений. Кварки трактовались как гипотетические пра – частицы, из которых образовались адроны. Таким образом теория кварков – это теория строения адронов.

Термин «кварк» выбран совершенно произвольно. В романе ирландского писателя Джойса Джеймса (1882–1941 гг.) «поминки по Финнегаму» герою снится сон, в котором мечущиеся над бурным морем чайки кричат резкими голосами: «Три кварка для мистера Марка!» Такая произвольность вполне созвучно абстрактно-ненаглядному характеру понятий современных физических теорий.

Основная идея этой теории очень проста: все адроны построены из более мелких частиц – кварков. Кварки несут дробный электрический заряд который составляет либо –1/3 , либо +2/3 заряда электрона.. Комбинация из двух и трех кварков может иметь суммарный заряд, равный 0 или 1. Все кварки имеют спин ½. Основоположники теории кварков М. Геля-Ман и Д. Цвейг, чтобы учесть все известные в 60-е гг. адроны ввели три сорта (аромата) кварков: и (от ир - верхний); и d (от доwп - нижний) и s (от strange - странный).

Кварки могут соединяться друг с другом одним из двух возможных способов: либо тройками либо парами кварк - антикварк. Из трех кварков состоят сравнительно тяжелые частицы – барионы; наиболее известные барионы – нейтрон и протон. Более легкие пары кварк - антикварк образуют частицы получившие название – мезоны. Например, протон состоит из двух и и одного d - кварка, а нейтрон из двух d - кварков и одного и - кварка. Чтобы это «трио» кварков не распадалось, необходима удерживающая их сила, некий «клей».

Оказалось, что результирующее взаимодействие между нейтронами и протонами в ядре представляет собой просто остаточный эффект более мощного взаимодействия между самими кварками. Это объяснило, почему сильное взаимодействие кажется столь сложным. Когда протон «прилипает к нейтрону или другому протону, во взаимодействии участвуют шесть кварков, каждый из которых взаимодействует со всеми остальными. Значительная часть энергии тратится на прочное «склеивание» трио кварков, а небольшая – на скрепление двух трио кварков друг с другом.

41

То обстоятельство, что изразличных комбинаций трех основных частиц можно получитьвсеизвестныеадроны, стало триумфомтеориикварков.

В1969 г., удалось получить прямые физические доказательства существования кварков в серии экспериментов по рассеянию (разогнанных до высоких энергией) электронов на протонах. Эксперимент показал, что рассеяние электронов происходило так, как если бы электроны налетали на крохотные твердые вкрапления и отскакивали от них под самыми невероятными углами. Такими твердыми вкраплениями внутри протонов являются кварки.

Но в 70-е гг. были открыты новые адроны (ψ - частицы, и υ - мезон и др). этим был нанесен чувствительный удар первому варианту теории кварков, поскольку в том варианте уже не было места ни для одной новой частицы. Все возможные комбинации из кварков и их антикварков были уже исчерпаны. Проблему удалось решить за счет введения трех новых ароматов. Они получили названия – charm (очарование) или с; b - кварк (от beauty – красота или прелесть); впоследствии (1994 г.) введен еще один аромат – t (от top – верхний).

Итак, к настоящему времени открыть 6 кварков u, d, c, s, t, b; a соответствующие им антикварки обозначают теми же буквами, но с чертой над каждой из них. Таким образом, 6 кварков и 6 антикварков, т. е. 12 фундаментальных частиц призваны объяснить почти все многообразие микрочастиц, кроме лептонов – это триумф идей атомизма в современной научной форме. Но тогда следует признать, что и лептоны относятся к числу фундаментальных микрочастиц, поскольку они не выводимы из кварков. В таком случае из кварков и антикварков, лептонов и антилептонов должно быть выведено и объяснено все многообразие элементарных частиц.

Втеории кварков каждый кварк может быть носителем одного из трех основных «зарядов» или цветов, - синего, зеленого, красного, а каждый антикварк может иметь антикрасный, или антисиний, или антизеленый «заряд» сильного взаимодействия. Это – «заряды» основных цветов, но могут быть и не основные цветовые «заряды».

При объединении кварков их цвета («заряды» сильного ядерного взаимодействия) соединяются также как в оптике, где сложение красного, синего и зеленого дает белый (бесцветный) цвет. Поэтому тяжелые частицы (протоны и нейтроны) образуются соединением цветов, чтобы в сумме получался белый цвет. Такому простому правилу подчиняются соединения кварков в адронах. Белый цвет получается и от сложения двух цветов – одного из основных и дополнительного к нему, например зеленого и пурпурного. Поэтому более легкие адроны, например мезоны, образуются соединением двух кварков. Из цветовых особенностей зарядов кварков и вытекает особенность, названия теории кварков – квантовой хромодинамикой.

42

Таким образом, 6 кварков, каждый из которых может находится в одном из трех состояний (6×3), в итоге дают 18 типов кварков. Существует столько же типов антикварков [(6×3)×2=36]. Лептоны – тоже бесструктурные образования (как и кварки) и также обладают свойством симметрии: с каждым лептоном сопоставляются антилептон, кроме того, кварки одного поколения сопоставляются с лептонами того же поколения. Тогда общее количество фундаментальных прачастиц определяется суммой всех антикварков и суммой всех лептонов и антилептонов. [леп-

тонов (6×2)=12+кварков(6×3)×2=36;∑=48].

Указанное нарастание бесструктурных прачастиц в количественном отношении пугает отдельных ученых: искали простоты в основе сложного и казалось, что нашли её, но она снова ускользнула от них. Поэтому некоторые физики выдвинули предположение, что даже кварки состоят из более мелких частиц – прекварков. Возможно, что и лептоны построены из прекварков. Может быть, эта последовательность все более мелких строительных блоков матери неисчерпаема, поэтому истинно элементарных частиц не существует?

Так рисует положение дел английский астрофизик Пол Девис в книге «Случайная Вселенная», но если, как считает автор, «отвлечься от априотных предложений и держаться данных современной науки, что мы должны признать, что кварки и лептоны являются фундаментальными бесструктурными строительными блоками всего вещества».

Далее П. Девис приводит интересное наблюдение, оказывается шесть исходных кварков не равноценны, они отчетливо подразделяются на три пары, которые Девис классифицирует как три поколения кварков. К первому поколению относятся кварки u и d, ко второму- c и s, к третьему- t и b. Оказывается так же, что квантовые параметры всех трех пар (всех поколений) аналогичны. То есть природа почему-то дважды дублирует эти строительные блоки (второе и третье поколение дублируют первое). Дублирование имеет место и между соответствующими парами (поколениями) лептонов. Поэтому для объяснения всего вещества Вселенной достаточно только первой пары кварков (u и d) и первой пары лептонов (электрона ē и нейтронного нейтрино νē).

Дело в том, что кварки второго и третьего поколений последовательно тяжелее предыдущих, т.е кварки первого поколения самые легкие, энергетически выгодные для природы. Время существования микрочастиц, образованных из кварков второго и третьего поколений, очень мало, и они быстро превращаются в частицы, образованные из кварков первого поколения. Только микрочастицы, образованные из кварков первого поколения (u и d) и лептонов первого поколения (ē и νē), оказываются стабильными. Еще нужно учесть античастицы этих двух кварков и двух лептонов. Таким образом, из восьми фундаментальных прачастиц можно объяснить все вещество Вселенной.

43

Это значит, что квантовая и волновая механика необычно развила идеи атомизма и естественнонаучного атомизма, нового и новейшего времени включает в себя их положительное содержание. Поэтому в современной форме атомизма сфокусирована в сжатом виде богатая научная информации. Образно и эмоционально эту мысль выразил известный американский физик-теоретик Ричард Филипс Фейнман (1918–1988 гг.) в начале чтения своего оригинального курса физики в начале 60-х г. в Калифорнийском технологическом институте (США): «Если бы в результате какой-то мировой катастрофы все накопленные научные знания оказались бы уничтоженными и к грядущим поколениям живых существ перешла бы только одна фраза, то какое утверждение, составленное из наименьшего числа слов, принесло бы наибольшую информацию? Я считаю, что это – атомная гипотеза (можете называть ее не гипотезой, а фактом, но это ничего не меняет: все тела состоят из атомов – маленьких телец, которые находятся в беспрерывном движении, притягиваются на небольшом расстоянии, но отталкиваются, если одно из них плотнее прижать к другому. В одной этой фразе, как вы убедитесь, содержится невероятное количество информации о мире, стоит лишь приложить к ней немного воображения и чуть соображения»

До сих пор мы акцентировали внимание на преемственности в развитии идейатомизмаотдревностидо наших дней. Отметим имеющиесяразличия.

Между античной и естественнонаучной (XVII–XIX века) формами атомизма различия в основном терминологические. Но зато между современной и двумя предыдущими формами разница необычайно существенно, если прежде материя представлялась косной, поскольку она сводилась к неизменной массе, что в квантовой и волновой механике от этого не осталось и следа. По современным представлениям материальные объекты подвижны, изменчивы и превращаются из одних форм в другие. Так, электрон и позитрон, обладающий вещественной массой, при взаимодействии аннигилируют, превращаясь в излучения, фотоны, которые как бы не имеют вещественной массы. Однако взаимодействие фотонов снова рождает пару электрон – позитрон, которые опять таки обладают определенной массой. Каждая элементарная частица окружена квантами соответствующего поля и существенно зависит от их влияния. В этом смысле можно сказать, что «вся» (каждая частица) зависит от «всего» (от всех других частиц).

Современная физика показывает, что природа глубоко диалектична. В настоящее время свести материю к прерывному или непрерывному, к вещественной или не вещественной массе, к изменчивости или устойчивости – значит вступить в противоречия не только с современной физикой но и с диалектикой потому что материя и прерывна и непрерывна и вещественна и не вещественна и количественна.

44

Современная наука подняла идею атомизма на небывалую высоту. Оказывается, что исходя всего лишь из восьми фундаментальных прачастиц можно объяснить обычное вещество всей Вселенной! О такой сильной форме атомизма прежние мыслители и естествоиспытатели не могли и мечтать. Вместе с тем трактовка материи в современной форме атомизма придает современной естественнонаучной картине мира относительную завершенность.

Контрольные вопросы

1.На основании каких экспериментов был сделан вывод о делимости атомов?

2.Кем и когда был открыт электрон?

3.Когда и кем были обнаружены нейтрон и позитрон?

4.Кем и когда была предложена теория электрона?

5.На какие частицы по свойствам похожи мюоны и чем они от них отличаются?

6.Расскажите о свойствах пи-мезонов?

7.Какие элементарные частицы были открыты в период с 1949 по

1952 гг., в 1955 г., 1956 г., 1960 г.,1964 г.?

8.Как называются частицы, обладающие сильным взаимодействием; слабым взаимодействием?

9.Кем и в каком году была выдвинута идея о существовании гипотетических частиц – кварков?

10.Перечислите все известные в настоящее время кварки, и какой заряд они несут.

19. Фундаментальные физические взаимодействия. Частицы – переносчики взаимодействия.

В своей повседневной жизни человек сталкивается с множеством сил, действующих на тела: сила ветра или потока воды; давление воздуха; мощный выброс взрывающихся химических веществ; мускульная сила человека; вес предметов; давление квантов света; притяжение и отталкивание электрических зарядов; сейсмические волны, вызывающие часто катастрофические разрушения; вулканические извержения, приводящие к гибели цивилизаций и т. д. Одни силы действуют непосредственно при контакте с телом, другие, например гравитация, действуют на расстоянии через пространство. Но, как выяснилось в результате развития естествознания, несмотря на столь большое разнообразие, все действующие в природе силы можно свести к четырём фундаментальным взаимодействиям. Именно эти взаимодействия в конечном счёте отвечают за изменения в мире, именно они являются источником всех материальных преобразований тел, процессов. Каждое из четырёх фундаментальных взаимодействий имеет сходство с тремя остальными и в то же время свои отли-

45

чия. Изучение свойств фундаментальных взаимодействий составляет главную задачу современной физики.

20. Гравитация.

Гравитация первым из четырех фундаментальных взаимодействий стала предметом научного исследования. Созданная в XVII веке ньютоновская теория гравитации (закон всемирного тяготения) позволил осознать истинную роль гравитации как силы природы. 28 апреля 1686 г. Ньютон представил Лондонскому Королевскому Обществу механику земных и небесных процессов. Это одна из величайших дат в истории человечества!

Гравитация обладает рядом особенностей отличающих ее от других фундаментальных взаимодействий. Наиболее удивительной особенностью является малая интенсивность. Гравитационное взаимодействие в 1039 раз меньше сил взаимодействия электрических зарядов. Как может такое слабое взаимодействие оказаться господствующей силой во Вселенной?

Если бы размеры атома водорода определялись гравитацией, а не взаимодействием между электрическими зарядами, то радиус низшей (самой близкой к ядру) орбиты электрона превосходил бы радиус доступный наблюдению части Вселенной.

Все дело во второй удивительной черте гравитации – ее универсальности. Ничто во Вселенной не сможет избежать гравитации. Каждая частица испытывает на себе действие, и сама является источником гравитации, вызывает гравитационное притяжение. Гравитация возрастает по мере образования все больших скопления вещества. И хотя притяжение одного атома пренебрежимо мало, но результирующая сила притяжения со стороны всех атомов может быть значительной. Это проявляется и в повседневной жизни: мы ощущаем гравитацию, потому что все атомы земли сообща притягивают нас, зато в микромире роль гравитации ничтожна. Никакие квантовые эффекты гравитации пока не доступны наблюдению.

Кроме того, гравитация – дальнодействующая сила природы. Это означает, что, хотя интенсивность гравитационного взаимодействия убывает с расстоянием, оно распространяется в пространстве и может сказываться на весьма удаленных от источника телах. В астрономическом масштабе гравитационные взаимодействие, как правило, играет главную роль. Благодаря дальнодействию гравитация не позволяет Вселенной развалиться на части, она удерживает планеты на орбитах, звезды в галактиках, галактики в скоплениях, скопления в метагалактике.

Сила гравитации, действующая между частицами всегда представляет собой силу притяжения: она стремится сблизить частицы. Гравитационное отталкивания еще никогда не наблюдались.

Хотя в традициях квазинаучной мифологии есть целая область, которая называется левитация – поиск «фактов» антигравитации.

46

Пока еще нет однозначного ответа на вопрос, чем является гравитация – неким полем, искривлением пространства – времени или тем и другим вместе. На этот счет существует разные мнения и концепции.

Водной из них высказывается мнение, что возможно существование

ипереносчика гравитационного поля – гравитона. Подобно фотонам, гравитоны движутся со скоростью света; следовательно, это частицы с нулевой массой покоя. Но этим сходство между гравитонами и фотонами исчерпывается. В то время как фотон имеет спин 1, спин гравитона равен 2. Это важное различие определяет направление силы. При электромагнитном взаимодействии одноименнозаряженные частицы (электроны) отталкиваются, а при гравитационном – все частицы притягиваются друг к другу. Поскольку гравитационные взаимодействие очень слабое и в квантовых процессах практически не проявляются, что непосредственно зафиксировать гравитоны очень сложно и пока не удалось, поэтому нет завершенной теории квантово-гравитационного взаимодействия.

21. Электромагнетизм

По величине электрические силы намного превосходят гравитационные, поэтому в отличие от слабого гравитационного взаимодействия электрические силы, действующие между телами обычных размеров, можно легко наблюдать. Электромагнетизм известен с незапамятных времен (полярные сияния, вспышки молнии и другие).

В течение долгого времени электрические и магнитные процессы изучались независимо друг от друга. Как мы уже знаем, решающий шаг в познании электромагнетизма сделал в XIХ веке Максвелл, объединив электричество и магнетизм в единой теории электромагнетизма – в первой единой теории поля.

Существование электрона (единицы электрического заряда) было твердо установлено в 90-е гг. XIX в. Но не все материальные частицы являются носителями электрического заряда. Электрически нейтральны, например фотон и нейтрино. В этом электричество отличается от гравитации. Все материальные частицы создают гравитационное поле, тогда как с электромагнитным полем связаны только заряженные частицы.

Долгое время загадкой была и природа магнетизма. Как и электрические заряды, одноименные магнитные полюсы отталкиваются, а разноименные – притягиваются. В отличие от электрических зарядов магнитные полюсы встречаются не по отдельности, а только парами – северный полюс и южный. Хорошо известно, что в обычном магнитном стержне один конец действует как северный полюс, а другой – как южный. Еще с древнейших времен известны попытки, получить посредством разделения магнита лишь один изолированный магнитный полюс – монопóль. Но все они заканчивались неудачей: на месте разреза возникали два но-

47

вых магнита, каждый из которых имел и северный и южный полюсы. Может быть, существование изолированных полюсов в природе исключено? Определенного ответа нет. Некоторые современные теории допускают возможность существования монопóля.

Электрические и магнитные силы (как и гравитация) являются дальнодействующими, их действие ощутимо на больших расстояниях от источника. Электромагнитное взаимодействие проявляется на всех уровнях материи – в мегамире, макромире и микромире. Как и гравитация, оно подчиняется закону обратных квадратов.

Электромагнитное поле Земли простирается далеко в космическое пространство, мощное поле Солнца заполняет всю Солнечную систему; существуют и галактические электромагнитные поля. Электромагнитное взаимодействие определяет также структуру атомов и отвечает за подавляющее большинство физических и химических явлений и процессов (за исключением ядерных). К нему сводятся все обычные силы; силы упругости, трения, поверхностного натяжения, им определяется агрегатные состояния вещества, оптические явления и др.

Переносчиком электромагнитного взаимодействия выступает фотон. Теория электромагнитного взаимодействия представлена квантовой электродинамикой.

22. Слабое взаимодействие

Слабое взаимодействие ответственно за распады частиц; и поэтому с его проявлением столкнулись с открытием радиоактивности и исследованием β - распада.

Исследования проводил Э. Резерфорд: он установил, что радиоактивные атомы испускают частицы двух типов, которые назвал α - и β - частицами. α - ядра гелия, а β - частицы – быстро летящие электроны.

У β - распада обнаружилась в высшей степени странная особенность. Исследования приводили к выводу, что в этом распаде как будто нарушается один из фундаментальных законов физики – закон сохранения энергии. Казалось, что часть энергии куда-то исчезала. Чтобы «спасти» закон сохранения энергии, В. Паули предположил, что при β - распаде вместе с электроном вылетает, унося с собой недостаточную энергию, еще одна частица. Она – нейтральная и обладает необычайно высокой проникающей способностью, вследствие чего ее не удавалось наблюдать. Итальянский физик, один из создателей ядерной и нейтронной физики, лауреат Нобелевской Премии (1938 г.) Э. Ферми (1901–1954 гг.), назвал частицу

– невидимку «нейтрино».

Но предсказание нейтрино – это только начало проблемы, ее постановка. Нужно было объяснить природу нейтрино, но здесь оставалось много загадочного. Дело в том, что электроны и нейтрино испускались

48

нестабильными ядрами. Но было неопровержимо доказано, что внутри ядер нет таких частиц. Как же они возникали? Было высказано предположение, что электроны и нейтрино не существует в ядре в «готовом виде», а каким-то образом образуются из энергии радиоактивного ядра. Дальнейшие исследования показали, что входящие в состав ядра нейтроны, предоставленные самим себе, через несколько минут распадаются на протон, электрон и нейтрино, т.е. вместо одной частицы появляются три новые. Анализ приводил к выводу, что известные силы не могут вызвать такой распад. Он, видимо, порождался какой-то иной, неизвестной силой. Исследования показали, что этой силе соответствует некоторое слабое взаимодействие.

Слабое взаимодействие по величине значительно меньше всех взаимодействий, кроме гравитационного, и в системах, где оно присутствует, его эффекты оказываются в тени электромагнитного и сильного взаимодействий. Кроме того, слабое взаимодействие распространяется на очень незначительных расстояниях. Радиус слабого взаимодействия очень мал. Слабое взаимодействие прекращается на расстоянии, большем 10-16см от источника, и потому оно не может влиять на макроскопические объекты, а ограничивается микромиром, субатомными частицами. Когда началось лавинообразное открытие множества нестабильных, субъядерных частиц, то обнаружилось, чтобольшинство изнихучаствуют вслабомвзаимодействии.

Теория слабого взаимодействия была создана в конце 60-х гг. ХХ в. С момента построения Максвеллом теории электромагнитного поля созданиеэтойтеории явилосьсамым крупнымшагомнапутикединству физики.

В1983 г. открыты переносчики слабого взаимодействия, три частицы

–W+, W-, Z0 – бозоны. Это частицы с большой массой покоя, поскольку радиус слабого взаимодействия чрезвычайно мал. В соответствии с прин-

ципом неопределенности время жизни частиц с такой большой массой покоя должен быть чрезвычайно коротким – всего лишь около 10-26сек.

23. Сильное взаимодействие

Последнее в ряду фундаментальных взаимодействий - сильное взаимодействие, которое является источником огромной энергии. Наиболее характерный пример энергии, высвобождаемой сильным взаимодействием, – Солнце. В недрах Солнца и звезд непрерывно протекают термоядерные реакции, вызываемые сильным взаимодействием. Но и человек научился высвобождать сильное взаимодействие: создана водородная бомба, сконструирована и совершенствуются технологии управляемой термоядерной реакции.

К представлению о существовании сильного взаимодействия физика шла в ходе изучения структуры атомного ядра. Какая-то сила должна удерживать положительно заряженные протоны в ядре, не позволяя им

49

разлетаться под действием электростатического отталкивания. Гравитация слишком слаба и не может это объяснить; очевидно, необходимо ка- кое-то взаимодействие, причем, более сильное, чем электромагнитное. Впоследствии оно было обнаружено. Выяснилось, что хотя по своей величине сильное взаимодействие существенно превосходит все остальные фундаментальные взаимодействия, но за пределами ядра оно не ощущается. Как и в случае слабого взаимодействия, радиус действия новой силы оказался очень малым: сильное взаимодействие проявляется на расстоянии, определяемом размерами ядра, т.е. примерно 10-13 см. Кроме того, выяснилось, что сильное взаимодействие испытывают не все частицы. Так, его испытывают протоны и нейтроны, но электроны, нейтрино и фотоны не подвластны ему. В сильном взаимодействии участвуют обычно только тяжелые частицы. Оно ответственно за образование ядер и многие взаимодействия элементарных частиц.

Теоретическое объяснение природы сильного взаимодействия развивалось трудно. Прорыв наметился только в начале 60-х гг. ХХ в., когда была предложена кварковая модель. В этой теории нейтроны и протоны рассматриваются не как элементарные частицы, а как составные системы, построенные из кварков.

Таким образом, в фундаментальных физических взаимодействиях четко прослеживается различие сил дальнодействующих и близкодействующих. С одной стороны, взаимодействия неограниченного радиуса действия (гравитация, электромагнетизм), а с другой – малого радиуса (сильное и слабое). Миф физических процессов развертывается в границах двух полярностей и является воплощением единства предельно малого и предельно большого – близкодействия в микромире и дальнодействию во всей Вселенной.

Переносчики сильного взаимодействия – глюоны. Глюоны – переносчики взаимодействия между кварками, связывающие их попарно или тройками.

Контрольные вопросы

1.Какие четыре фундаментальных взаимодействия в природе вы

знаете?

2.Какие особенности присущи гравитации и какие частицы являются её переносчиками?

3.Чем электромагнитное взаимодействие отличается от гравитаци-

онного?

4.Какие частицы являются переносчиками слабого взаимодействия

икогда они были открыты?

5.На каком расстоянии проявляется сильное взаимодействие и какая частица является его переносчиком?

50