32. Антивещество

АНТИВЕЩЕСТВО, вещество, состоящее из атомов, ядра которых имеют отрицательный электрический заряд и окружены позитронами – электронами с положительным электрическим зарядом. В обычном веществе, из которого построен окружающий нас мир, положительно заряженные ядра окружены отрицательно заряженными электронами. Обычное вещество, чтобы отличать его от антивещества, иногда называют койновеществом (от греч. койнос – обычный). Однако в русской литературе этот термин практически не употребляется. Следует подчеркнуть, что термин «антивещество» не совсем правилен, поскольку антивещество – тоже вещество, его разновидность. Антивещество обладает такими же инерционными свойствами и создает такое же гравитационное притяжение, как и обычное вещество.

Согласно современной теории^{[источник не указан 405 дней]}, в том числе квантовой, вещество — разновидность материи, которая содержит число химических частиц от 10¹⁵ и более. Структурные единицы макроскопического вещества — электроны и ядра. Отсюда следует, что определение «вещество состоит из атомов и молекул» не совсем верно. Не во всех макроскопических веществах мы можем выделить молекулы. А электроны и ядра мы можем выделить при любых условиях. Поэтому все вещества и частицы состоят из электронов и ядер. Тогда, атом — это одноядерная, в целом нейтральная система, а молекула — неодноядерная, в целом нейтральная система.

31.

Кварковая модель адронов была впервые выдвинута М. Гелл-Манном и, независимо от него, Дж. Цвейгом  в 1964 году. 

Ква́рк — элементарная частица в квантовой хромодинамике, рассматриваемая как составная часть адронов. Известно 6 разных видов кварков, для различия которых вводится такое понятие как «аромат». Для краткости кваркам присвоены следующие имена: u-кварк, d-кварк, c-кварк, s-кварк, t-кварк, b-кварк. 

Адроны подразделяются на барионы и мезоны, при этом полагают, что барионы как частицы с полуцелым спином состоят из трёх кварков, а мезоны включают в себя по кварку и антикварку и имеют целый спин. Среди барионов наиболее хорошо изучены протон и нейтрон, входящие в состав атомных ядер. Гипотеза кварков и составленность из них адронов позволила объяснить многие свойства симметрии (например, мультиплеты частиц), наблюдаемые у адронов.

Особенностью кварков является то, что они не наблюдаются в свободном состоянии. Это означает, что хотя они могут быть внутри адронов, но при распаде частиц кварки каким-то образом комбинируются так, что в результате в продуктах распада видны не кварки, а только какие-то элементарные частицы. Данную ситуацию описывают как конфайнмент, то есть удержание кварков внутри адронов Вследствие ненаблюдаемости кварков все их свойства определяются путём расчётов косвенным путём через свойства адронов.

U-кварк и d-кварк имеют наименьшие массы среди кварков. При распадах адронов, протекающих очень быстро, входящие в состав некоторых адронов более массивные кварки должны преобразовываться в конце концов в u-кварки и d-кварки. В семействе адронов только нуклоны, состоящие из u-кварков и d-кварков, имеют наибольшее время жизни, так что маломассивные кварки наиболее стабильны и распространены во вселенной. Для рождения новых адронов и массивных кварков требуются столкновения частиц с большой энергией, как это происходит в ускорителях частиц и при взаимодействии космических лучей с веществом.

В предположении калибровочного описания сильного взаимодействия постулируется, что кварки обладают особой внутренней характеристикой, называемой «цвет». При этом у кварков предполагается наличие трёх цветов, что увеличивает количество разновидностей кварков. Каждому кварку q соответствует свой антикварк qˉ с противоположными квантовыми числами, включая антицвет. При образовании из кварков (антикварков) адронов комбинация цветных кварков должна дать бесцветный адрон (как в оптике при сложении дополнительных цветов можно получить белый свет). По аналогии с лептонами, которые разбиваются на три поколения, кварки также располагают в три поколения, по два кварка в каждом.

 в 1964 году. 

Классификация.

Стандартная модель задумывалась таким образом, чтобы с помощью небольшого числа фундаментальных частиц (шести кварков, шести лептонов и четырёх бозонов) можно было описать все известные элементарные частицы, их распады и взаимодействия друг с другом. В теории предполагается также до сих пор не обнаруженный бозон Хиггса.^[42] В зависимости от своего аромата, кварк может быть: верхний (u), нижний (d), очарованный (c), странный (s), истинный (t) и прелестный (b). ^[1] Античастица для кварка называется антикварк, она обозначается чертой над символом соответствующего кварка, например uˉ есть верхний антикварк. Как антиматерия, антикварки имеют те же самые массу, среднее время жизни и спин, что и соответствующие кварки, но электрический заряд и другие квантовые числа имеют противоположный знак.^[43]

Поскольку кваркам приписывается спин ½ , они считаются фермионами исходя из связи между спином и статистикой. В таком случае из принципа неопределённости Гейзенберга следует, что два взаимодействующие кварка не могут иметь одновременно одно и то же квантовое состояние. В противоположность этому любое количество бозонов, характеризующихся целым спином, может иметь одно и то же квантовое состояние

В стандартной модели лептоны не взаимодействуют посредством сильного взаимодействия, тогда как кварки обладают цветовым зарядом и могут взаимодействовать таким образом (см. раздел " Сильное взаимодействие и цветовой заряд"). За счёт сильного взаимодействия кварков предполагается образование из них составных частиц – адронов.

Кварки, определяющие квантовые числа адронов, называются валентные кварки. Считается, что кроме валентных кварков адрон может содержать неопределённое количество виртуальных кварков, антикварков и глюонов, не изменяющих квантовое состояние адрона

Адроны подразделяются на два семейства: барионы состоят из трёх кварков, а мезоны из кварка и антикварка.^]Протон и нейтрон являются самыми распространёнными барионами, из которых состоит атомное ядро. ^[ Известно множество адронов и обнаружено ещё больше их резонансных состояний, отличающихся кварковым составом и кантовыми числами кварков. Некоторые состояния частиц не укладываются в стандартную схему, их квантовые числа не сочетаются с идеей обычного кваркового состава, поэтому такие частицы получили название экзотичные адроны. Предполагается например, что существуют тетракварки, содержащие комбинацию из двух кварков и двух антикварков, и пентакварки из четырёх кварков и антикварка

29.

Элемента́рная части́ца — собирательный термин, относящийся к микрообъектам в субъядерном масштабе, которые невозможно расщепить на составные части.

Элементарные частицы участвуют в электромагнитном, слабом, сильном и гравитационном взаимодействиях. Из-за малых масс элементарных частиц их гравитационное взаимод. обычно не учитывается. Все элементарные частицы разделяют на три осн. группы. Первую составляют т. наз. бозоны- переносчики электрослабого взаимодействия. Сюда относится фотон, или квант электромагнитного излучения. Масса покоя фотона равна нулю, поэтому скорость распространения электромагнитных волн в вакууме (в т. ч. световых волн) представляет собой предельную скорость распространения физ. воздействия и является одной из фундам. физ. постоянных; принято, что с = (299792458  1,2) м/с.  Вторая группа элементарных частиц - лептоны, участвующие в электромагнитных и слабых взаимодействиях. Известно 6 лептонов: электрон, электронноенейтрино, мюон, мюонное нейтрино, тяжелый -лептон и соответствующее нейтрино. Электрон (символ е) считается материальным носителем наименьшей массы в природе m_с, равной 9,1 x 10^-28 г (в энергетич. единицах  0,511 МэВ) и наименьшего отрицат. электрич. заряда е = 1,6 x 10^-19 Кл. Мюоны (символ ) - частицы с массой ок. 207 масс электрона (105,7 МэВ) и электрич. зарядом, равным заряду электрона; тяжелый -лептон имеет массу ок. 1,8 ГэВ. Соответствующие этим частицам три типа нейтрино - электронное (символ v_c), мюонное (символ ) и -нейтрино (символ ) - легкие (возможно, безмассовые) электрически нейтральные частицы.  Все лептоны имеют спин (  - постоянная Планка), т. е. по статистич. св-вам являются фермионами (см. Статистическая термодинамика).  Каждому из лептонов соответствует античастица, имеющая те же значения массы, спина и др. характеристик, но отличающаяся знаком электрич. заряда. Существуют позитрон (символ е⁺) - античастица по отношению к электрону, положительно заряженный мюон (символ ) и три типа антинейтрино (символ  ), к-рым приписывают противоположный знак особого квантового числа, наз. лептонным зарядом (см. ниже).  Третья группа элементарных частиц,- адроны, они участвуют в сильном, слабом и электромагнитном взаимодействиях. Адроны представляют собой "тяжелые" частицы с массой, значительно превышающей массу электрона. Это наиб. многочисленная группа элементарных частиц. Адроны делятся на барионы - частицы со спином  мезоны - частицы с целочисленным спином (О или 1); а также т. наз. резонансы - короткоживущие возбужденные состояния адронов. К барионам относят протон (символ р) - ядро атома водорода с массой, в ~ 1836 раз превышающей m_с и равной 1,672648 x 10^-24 г ( 938,3 МэВ), и положит. электрич. зарядом, равным заряду электрона, а также нейтрон (символ n) - электрически нейтральная частица, масса к-рой немного превышает массу протона. Из протонов и нейтронов построены все ядра атомные, именно сильное взаимод. обусловливает связь этих частиц между собой. В сильном взаимодействиипротон и нейтрон имеют одинаковые св-ва и рассматриваются как два квантовых состояния одной частицы - нуклона с изотопич. спином (см. ниже). Барионы включают и гипероны - элементарные частицы с массой больше нуклонной: -гиперон имеет массу 1116 МэВ, -гиперон- 1190 МэВ, -гиперон -1320 МэВ, -гиперон- 1670 МэВ. Мезоны имеют массы, промежуточные между массами протона и электрона ( -мезон, K-мезон). Существуют мезоны нейтральные и заряженные (с положит. и отрицат. элементарным электрич. зарядом). Все мезоны по своим сгатистич. св-вам относятся к бозонам.

25.

Ква́нтовая меха́ника — раздел теоретической физики, описывающий квантовые системы и законы их движения.

Классическая механика, хорошо описывающая системы макроскопических масштабов, не способна описать явления на уровне атомов, молекул, электронов ифотонов. Квантовая механика адекватно описывает основные свойства и поведение атомов, ионов, молекул, конденсированных сред, и других систем с электронно-ядерным строением. Квантовая механика также способна описывать поведение электронов, фотонов, а также других элементарных частиц, если пренебречь взаимопревращением элементарных частиц. Описание превращений элементарных частиц строится в рамках квантовой теории поля. Эксперименты подтверждают результаты, полученные с помощью квантовой механики.

Основными понятиями квантовой кинематики являются понятия наблюдаемой и состояния.

Основные уравнения квантовой динамики — уравнение Шрёдингера, уравнение фон Неймана, уравнение Линдблада, уравнение Гейзенберга и уравнение Паули

Уравнения квантовой механики тесно связаны со многими разделами математики, среди которых: теория операторов, теория вероятностей, функциональный анализ,операторные алгебры, теория групп.

Волнова́я фу́нкция, или пси-функция   — комплекснозначная функция, используемая в квантовой механике для описания чистого состояния системы. Является коэффициентом разложения вектора состояния по базису (обычно координатному):

где   — координатный базисный вектор, а   — волновая функция в координатном представлении.

Физический смысл волновой функции заключается в том, что согласно копенгагенской интерпретации квантовой механики плотность вероятности нахождения частицы в данной точке пространства в данный момент времени считается равной квадрату абсолютного значения волновой функции этого состояния в координатном представлении.

20.

Концепция относительности пространства — времени В механистической картине мира понятия пространства и времени рассматривались вне связи и безотносительно к свойствам движущейся материи. Пространство в ней выступает в виде своеобразного вместилища для движущихся тел, а время никак не учитывает реальных изменений, происходящих с ними, и поэтому выступает просто как параметр, знак которого можно менять на обратный. Иными словами, в механике рассматриваются лишь обратимые процессы, что значительно упрощает действительность. Другой недостаток этой картины состоит в том, что в ней пространство и время как формы существования материи изучаются отдельно и обособленно, вследствие чего их связь остается невыявленной. Современная концепция физического пространства—времени значительно обогатила наши естественно-научные представления, которые стали ближе к действительности. Поэтому знакомство с ними мы начнем с теории пространства—времени в том виде, как она представлена в современной физике. Предварительно, однако, напомним некоторые положения, относящиеся к классической механике Галилея.

19.