22.Сучасна фізична картина світу

Фізика вивчає будову, властивості, взаємодію між структурними одиницями речовини, речовини та силового поля, властиві їм форми руху: гравітаційний, електромагнітний, внутрішньоядерний та внутрішньоатомний, тепловий, механічний і т.п. В цілому Всесвіт сприймається на трьох рівнях пізнання: мікро-, макро-, та Мегасвіт. Об’єктами вивчення на цих рівнях є елементарні частинки, макротіла, планети та галактики, сузір’я. Характеристичні довжини мікросвіту обмежуються розмірами 10^-8 м, макросвіту до 10⁶ м, а для Мегасвіту 10²⁶ м.

Дослідження взаємодії елементарних частинок у прискорювачах дозволили відкрити цілу гаму цього сімейства - цеглинок, із яких складається усе матеріальне. На рівні макросвіту вивчається жива та нежива природа. На рівні Мегасвіту вивчається його природа та походження. Зупинимося коротко на тому, як бачиться сьогодні Всесвіт із точки зору досягнень фізики.

22.1. Мікросвіт.

а). Відкриття елементарних частинок. Першою відкритою елементарною часткою був електрон — носій елементарного негативного електричного заряду (Томсон, 1897). Частинки з елементарним позитивним електричним зарядом і масою1836,15 , де— маса електрона, були виявлені серед частинок, вибитих з атомних ядер (Резерфорд, 1919). Ці частинки одержали назву протонів (р). Інша частинка — нейтрон (n), що не має електричного заряду, із масою 1838,682 була відкрита Чедвіком (1932). Прямі експериментальні докази існування фотона— кванта електромагнітного випромінювання (Планк, 1900; Ейнштейн, 1905), дали Міллікен (1912—1915) і Комптон (1922). Електронне нейтрино, передвіщене Паулі (1930) при поясненні р-розпаду нейтрона відкрили Райнес і Коуен (1953). У складі космічних променів був виявлений позитрон— частка з масою електрона і позитивним електричним зарядом (Андерсон, 1932). Позитрон — перша відкрита античастинка. Частинки з масою близько 200й обох електричних зарядів — мюони () — також виявлені вперше в космічних променях (Андерсон, Неддермейер, 1936). Пауелл (1947) у космічних променях знайшов частинки — кванти сильної взаємодії, передвіщені Юкавою (1935) і одержавші назву піонів . Перші частинки великої групи частинок, що володіють незвичайними властивостями і тому називані дивними —мезони йгіперони — були виявлені в космічних променях (1940—1950 рр ). Інші дивні частки були виявлені в дослідах на прискорювачах заряджених часток. З 50-х років прискорювачі стали основним інструментом при дослідженні властивостей і взаємодій елементарних частинок. З їхньою допомогою були відкриті антипротон(1955), антинейтрон(1956), анти-сігма гіперони(1960), омега-мінус гіперон(1964). У 1962 р. з'ясувалося, що крім електронного нейтриноіснує мюонне нейтрино. Частинки, що мають маси в 3—4 рази більше маси протона, виявлені в 1974 р. Вони поклали початок новому сімейству частинок, що одержали назву зачарованих. Зачаровані частинкибули відкриті в 1976 р. Частинка, що представляє собою аналог важкого електрона і мюона-лептон, виявлена в 1975 р. У наступні роки були відкриті - частинки (1977) із масою порядку , де— маса протона, красиві (чи чарівні) мезони(1981) і проміжні векторні бозони(1983).

У 60-і роки на прискорювачах було виявлено велике число дуже нестійких частинок із часом життя ~, що одержали назву резонансів. Відомо велике число так званих мезонних і баріонних резонансів. Вони складають основну частину елементарних частинок, кількість яких перевищує 350.

Досвід показує, що для кожної частки існує своя античастинка, що відрізняється від неї знаками адитивних квантових чисел.

б). Елементарні частинки. В основі уявлень мікросвіту є поняття про атомно-молекулярний та ядерний рівні, що визначаються розмірами від 10^-8 м до 10^-10 м та від 10^-14 м до 10^-15 м відповідно. На більш глибокому рівні знаходяться елементарні частинки. На сьогодні відомо понад 400 елементарних частинок, із числа яких виділено сімейство з 17 справжніх елементарних, тобто фундаментальних частинок, які є основоположними у структурі природи. Саме з них складаються всі інші частинки, жива та нежива природа.

До числа 17 справжніх елементарних частинок відносяться частинки, наведені в таблиці.

Таблиця 1.

№з/п	Назва груп частинок
	Лептони	Кварки	Бозони	Гравітон
1	е-електрон	d - down	-фотон	G
2	- таон	s - strange	- глюон	-
3	- мюон	b – beauty	-віон	-
4	е- електронне нейтрино	u - up	-віон	-
5	- мюонне нейтрино	c - charm	- бозон	-
6	-таонне нейтрино	t - truth	-	-

Більшість із перелічених частинок була відкрита в наш час в експериментах на прискорювачах елементарних частинок. Серед питань, поставлених вивченням цих частинок, найбільш актуальними сьогодні є питання про масу спокою нейтрино, величину його дипольного моменту, існування інших частинок та більш нижчих рівнів матерії, до моделей яких відносять, наприклад, субкварки, преони, рішони та ін. Загалом усі частинки поділяють на два рівні: адрони та рівень фундаментальних частинок. До адронів належать мезони та баріони.

До мезонів відносяться частинки, наведені в Таблиці 2.

Таблиця 2

Мезон	Маса в	Час життя
	270
	270
	270
	970
	970
	970
	1074

мезони та - мезон розпадаються на : мезони та- фотони. Спін усіх мезонів рівний 0. Для мезонів характерні слабкі, електромагнітні ( для заряджених частинок) та сильні взаємодії (див. нижче).

Клас баріонів об’єднує нуклони (протон,нейтрон) та нестабільні частинки великої маси - гіперони:лямбда,сігма,тета таомега гіперони. Вони характеризуються законом збереження баріонного заряду: число баріонів до і після розпадів зберігається. Спін баріонів рівний. За виключенням протона, всі баріони нестабільні, хоча стабільність протона зараз знаходиться під сумнівом. Внутрішня структура названих частинок визначається певними комбінаціями кварків.

в). Кварки. Кваркам приписують дробові заряди: u- та t- кварки мають заряд + 2/3 e, кварки d,s,b мають заряд , кожному із кварків приписали один із трьох кольорів - жовтий, синій та червоний (див. Таб. 3) Поміж названих характеристик кварки мають очарування, баріонний заряд та інше. Колір та очарування - це назва квантових чисел, якими описуються властивості кварків. Об'єднання кварків утворює нову частинку, яка має новий колір або стає безколірною.

Внутрішню структуру елементарних частинок створюють кварки у певних комбінаціях (див. Таб. 4). Усі баріони складаються з трьох кварків, а мезони з одного кварка та одного антикварка. Нуклони складаються з найлегших u- та d- кварків за такою схемою:

p=uud, n=udd.

Для прикладу, наведемо ще структуру ^, - гіперонів:

⁺ = uus, ⁰ = uds , =dds .

Таблиця 4. Кварки та їх квантові числа.

Найменування		Квантові числа
Кварк	Cимвол	J в(h)	B	q(е)	c	s	t	b	Колір
Верхній-up	u				0	0	0	0	жовтий, синій, червоний
Нижній-down	d			-	0	0	0	0	жовтий, синій, червоний
“Очарований”-charm	c				1	0	0	0	жовтий, синій, червоний
“Дивний”-strange	s			-	0	-1	0	0	жовтий, синій, червоний
“Істинний”-truth	t				0	0	1	0	жовтий, синій, червоний
“Чарівний”-beauty	b			-	0	0	0	1	жовтий, синій, червоний

Квантові числа:

J-спін, B-баріонний заряд, q - електричний заряд, с-очарування,

s-дивина, t-істинність, b-чарівність.

Експериментально сімейство кварків досі не зафіксовано. Питання щодо кварків стоїть сьогодні так: а чи можуть вони взагалі існувати в незв’язаному стані, щоб їх можна було зафіксувати? З’явився навіть термін конфайнмент (анг. confіnement - тюремне заточення). Цей термін визначає вільний стан кварків на близьких відстанях r та надзвичайно великих силах тяжіння між ними, що виникають при збільшенні r і не дають кваркам вийти з частинок.

Антикварки мають значення квантових чисел кварків, протилежних за знаком, а їх кольори є доповнюючими до кольорів кварків: жовтому відповідає фіолетовий, синьому - оранжевий, а червоному - зелений.

Окрім перелічених частинок, виявлено існування ще більше 300 короткоживучих частинок із часом життя 10^-23 с. Ці частинки отримали назву баріонних та мезонних резонансів. Резонанси утворюються двома або більшим числом частинок. Розв’язуючи рівняння Шредінгера для релятивістських частинок, П.А.Дірак у 30-х роках уперше теоретично передбачив існування античастинок. Ним був відкритий позитрон ⁺е - частинка, що має додатній заряд та масу, рівні по величині заряду та масі електрона. При взаємодії електрона та позитрона частинки анігілюють (зникають) і в результаті народжуються -кванти. З часу відкриття позитрона було відкрито існування античастинок майже для всіх елементарних частинок.

Античастинки, принципово, можуть об’єднуватися у антиречовину. Так, на прискорювачах у Серпухові було відкрито існування антигелію . Одначе, не дивлячись на те, що частинки та їх симетричні за властивостями античастинки виявлені давно, досі у Всесвіті не виявлено областей, створених з антиречовини.

Таблиця 5. Кваркова структура деяких частинок.

Частинки	Склад	Електричний заряд q	Баріонний заряд, В	Взаємна орієнтація спінів кварків	Спін частинки	Маса в МеВ	Середній час життя, с
p-протон n-нейтрон	uud udd	+1 0	+1 +1	   	1/2 1/2	938,28 939,57	>6,31039 89816
	,	+1 -1 0	0 0 0	     	0 0 0	139,57 139,57 134,96	2,610-8 2,610-8 0,810-16