Основные понятия и термины

Ультро-фиолетовая катастрофа, фотоэффект, красная граница вещества,

абсолютно чёрное тело, волна, корпускула, микромир, корпускулярно-волновой дуализм, принцип неопределенности, принцип дополнительности, принцип соответствия, вероятность, вероятностный детерминизм, неклассический идеал рациональности, волновая функция, индетерминизм

Тема 8. Микромир как уровень организации материи

1. Основные структурные уровни организации материи в микромире. Характеристики субатомных частиц

2. Классификация элементарных частиц и их свойства. Теория кварков.

3. Частицы – переносчики взаимодействия

4. Вакуум как физическая реальность.

М е т о д и ч е с к и е р е к о м е н д а ц и и

В первом вопросе темы отмечается, что физика до недавнего времени изучала материю в двух ее проявлениях – вещества и поля. Причем частицы вещества и кванты полей подчиняются разным квантовым статистикам и ведут себя различным образом. Так частицы вещества являются ферми-частицами (фермионами) системы тождественных ферми-частиц подчиняются статистике Ферми-Дирака. Все кванты полей являются бозе-частицами (бозонами). Эти частицы являются частицами-переносчиками взаимодействия (фотоны, глюоны, бозоны, гравитоны). Системы тождественных бозе-частиц подчиняются статистике Бозе-Эйнштейна. В свою очередь, частицы вещества делятся на две группы: лептоны и адроны. Третьим качественно отличным от вышеуказанных двух форм материи является физический вакуум. Характеристиками субатомных частиц являются масса, электрический заряд, спин, время жизни частиц, магнитный момент, пространственная четность, лептонный заряд, барионный заряд, время жизни. В зависимости от спина (собственный момент импульса частицы) все частицы делятся на две группы: бозоны-частицы с целыми спинами 0,1,2; фермионы-частицы с полуцелыми спинами (1/2,3/2), а все адроны – бозонами.

Если в основание классификации положить время жизни частицы, то по этому принципу все частицы делятся на стабильные и нестабильные. Время их жизни колеблется от нескольких микросекунд до 10^-24 с.

У многих частиц существуют двойники в виде античастиц, с той же массой, временем жизни, спином, но отличающиеся знаками зарядов: электрического, барионного, лептонного и т.д. (электрон-позитрон; протон-антипротон и др. Античастицы могут образовывать антиядра, антиатомы и даже антивещество.

Второй вопрос темы позволяет разобраться во всех вышеназванных уровнях организации материи микромира более подробно. Для этого проводится классификация частиц.

Физики, выяснили что, прежде всего свойства частицы определяются ее способностью (или неспособностью) участвовать в сильном взаимодействии. Частицы, участвующие в сильном взаимодействии, образуют особый класс и называются адронами. Адронов насчитывается сотни, подавляющее большинство из них резонансы. Все адроны встречаются в двух разновидностях – электрически заряженные и нейтральные.Все адроны делятся на барионы – (частицы с полуцелыми спинами) и мезоны (частицы с целым спином). Частицы, участвующие в любом взаимодействии и не участвующие в сильнмомвзаимодействии называются лептонами. Лептон – электрон, мюон, тау-лептон, электронное нейтрино, мюонное нейтрино, тау-нейтрино. У каждого лептона есть своя античастица. Таким образом, общее число различных лептонов равно двенадцати.

При обсуждении теории кварков – теории строения адронов, следует отметить, что термин «кварк» выбран совершенно произвольно. Такая произвольность вполне созвучна абстрактно-ненаглядному характеру понятий современных физических теорий. Все кварки имеют спин 1/2, следовательно относятся к фермионам. Основоположники теории кварков Гелл-Манн и Цвейг, чтобы учесть все известные в 60-е гг. адроны ввели три сорта (аромата) кварков U (от UP – верхний), D (от down – нижний) и S (отstrange – странный). В дальнейшем были открыты еще три сорта ароматов: С – кварк (sharm – очарованный). Кварки могут соединяться друг с другом одним из двух возможных способов: либо тройками, либо парами кварк – антикварк. То обстоятельство, что из различных комбинаций трех основных частиц можно получить все известные адроны стало триумфом теории кварков.

В настоящее время большинство физиков считает кварки подлинно элементарными частицами – точечными и не обладающими внутренней структурой. В этом отношении они напоминают лептоны Таким образом, наиболее вероятностое число истинно элементарных частицы, не считая переносчиков фундаментальных взаимодействий) на конец ХХ века равно 48. Из них лептонов – 12 и кварков – 36.

В третьем вопросе темы рассматриваются частицы, которые не входят в состав вещества, а являются переносчиками взаимодействия. Такими частицами являются: фотон – переносчик электромагнитного взаимодействия, гравитон – переносчик гравитационного взаимодействия, векторные бозоны – переносчики слабого взаимодействия и глюоны – переносчики сильного взаимодействия.

В четвертом вопросе темы следует обратить внимание на понятие вакуума, как особой физической реальности. Вакуум – это наинизшее энергетическое состояние квантового поля, которое характеризуется наличием виртуальных частиц. Виртуальные частицы – это частицы, которые нельзя наблюдать, но они могут оставить след своего кратковременного существования.

Задачей современной физики является создание теории Большого объединения – теории, которая включает электромагнитное, слабое и сильное взаимодействия. Существует также задача объединения всех видов взаимодействия, включая гравитационное. Создание такой теории (суперобъединения) возможно на основе теории суперструн. Теория суперструн описывает некие струны – протяженные объекты, пространственно-одномерные, с длиной 10^-35 см. Предполагается, что на таких малых расстояниях должны проявляться 6 дополнительных пространственных измерений.

К о н т р о л ь н ы е в о п р о с ы

1. Из каких элементарных частиц построено вещество?

2. Кто и когда предложил гипотезу кварков? Какие частицы называются кварками и почему они не существуют в свободном состоянии?

3. Какими свойствами обладают элементарные частицы?

4. Что такое вещество и антивещество?

5. Что называют аннигиляцией элементарных частиц?

6. Что понимается под «зарядом» сильного ядерного взаимодействия?

7. Что такое вакуум?

8. Что такое виртуальные частицы?

9. Что такое спин?

10. Каковы кванты слабых взаимодействий?

Рефераты и доклады

Пути познания микрочастиц от протонов до кварков.

История открытия основных элементарных частиц.

Теория суперструн.

Б и б л и о г р а ф и ч е с к и й с п и с о к

Паршин А.Н. Дополнительность и симметрия // Вопросы философии 2001. № 4.

Найдыш В.М. Концепции современного естествознания. М.,1999.

Физика микромира. Малая энциклопедия. М., 1980.

Тредер Г.Ю. Эволюция основных физических идей. Киев. 1989.

Карпенков С.Х. Концепции современного естествознания. М..1997.

Коккедэ Я. Теория кварков. М.,1971.

Дубнищева Т.Я. Концепции современного естествознания. Новосибирск. 1997.

Рузавин Г.И. Концепции современного естествознания. М., 1997.