МикроМИР  Суббота, 25.11.2017, 02:45
Главная | Регистрация | Вход Приветствую Вас Гость | RSS

  фантазия природы безгранична


Меню сайта

Категории раздела
Мои статьи [0]
Исследования [5]
Невероятно, но факт [1]
Важно знать [3]
Это интересно [1]

Оценить

Реклама



Реклама

Главная » Статьи » Исследования

МИКРОМИР И СУДЬБА ЧЕЛОВЕЧЕСТВА           Гордиенко В.А., док.физ-мат.наук, профессор физфака МГУ

МИКРОМИР И СУДЬБА ЧЕЛОВЕЧЕСТВА                Гордиенко В.А.,  док.физ-мат.наук,  профессор физфака МГУ 


Как ни странно сегодня на Земле нет ни одного человека, который мог бы сказать с уверенностью:

«Я знаю, что такое материя, – это объективная реальность в окружающем нас мире во времени и пространстве».  В рамках диалектического материализма - философская категория «материи»: «Материя – это то что, действуя а наши органы чувств, вызывает ощущение», или «материя – объективная реальность, данная нам в ощущение» 


(В.И.Ленин, «Материализм и эмпириокритицизм»).


Попытки разобраться в законах, управляющих окружающего нас Миром, привели к разделению этого мира на три уровня:

      ■ Макромир – мир макрообъектов, размерность которых соотносима с масштабами человеческого опыта: пространственные величины выражаются в миллиметрах, сантиметрах и километрах, а время – в секундах, минутах, часах, годах.

      ■ Микромир – мир предельно малых, непосредственно не наблюдаемых микрообъектов, пространственная размерность которых исчисляется от 10–8 до 10–16 см, а время жизни – от бесконечности до 10–24 с.

      ■ Мегамир – мир огромных космических масштабов и скоростей, расстояние в котором измеряется световыми годами, а время существования космических объектов – миллионами и миллиардами лет.

Несмотря на некоторую условность такого деления, на самом деле оно отражает принципиальное отличие восприятия человеком и приборами поведения материальных объектов соответствующих размеров.

      Со времен Галилея и Ньютона, когда наука стала превращаться в социальный институт, многие исследователи, так же как и Ньютон, полагали, что законы, открытые при изучении макрообъектов и подтвержденные экспериментально обязательно обобщаются на всю Вселенную.[1] На практике все оказалось далеко не так, и совсем не так просто. Например, в рамках Мегамира справедлива не геометрия Евклида, известная всем из школьной геометрии, а геометрия Римана, в которой, в частности, сумма углов треугольника отнюдь не равна 1800, а две параллельные прямые обязательно пересекутся. Ближайшая к Солнцу планета Меркурий подчиняется закону Всемирного тяготения Ньютона весьма ограниченно, а в каждой точке пространства время имеет свою «скорость течения».[2] Еще проблематичнее обстоят дела в Микромире.     
      Часто по жизни мы связываем это понятие, прежде всего, с размерным фактором: микро- – это нечто очень и очень маленькое. При более точно описании вспоминаем, что приставка микро- эквивалентна умножению некоторого числа на 10–6, например, что микрометр (микрон) это одна миллионная доля метра и т.д. 

Однако физики, сохраняя основное значении приставки микро- как что-то очень маленькое, вкладывают все-таки в понятие Микромир свой особый смысл. Микромир это не просто Мир очень маленьких объектов. Это Мир, в котором по каким-то, до сих пор до конца не понятным причинам, практически перестают работать многие из «классических» законы Природы, известные нам по школьным учебникам физики (в частности, знаменитый третий закона Ньютона о равенстве действия и противодействия, второе и особенно третье начала термодинамики в их классической формулировке).

Более того, Микромир – это мир объектов природы, характер поведения которых не укладывается в рамки рационализма нашего образного представления об их поведении. Но вся мистика микромира в основном исходит из отсутствия должного понимания нами явлений природы. Из наиболее ярких несоответствий приведем следующие.

1. Дуализм (двойственность) – наличие у объекта минимум двух, как любят говорить философы, антагонистических свойств (т.е. взаимоисключающих друг друга). Прежде всего, это дуализм света и элементарных частиц – возможность одновременного представления их в виде частиц и в виде волны. Пусть у вас есть цветной кубик. Вы можете себе представить, что он красный или, например, зеленый. Или что одна из его граней красная, а другая зеленая (т.е. присутствуют одновременно два цвета). Или, наконец, что сначала он был красный, а затем его перекрасили, и он стал зеленым. Но попробуйте представить себе, что кубик одновременно весь красный и при этом весь зеленый. Это и есть наглядная, хотя и несколько грубая, упрощенная иллюстрация того, что физики называют дуализмом.

На самом деле все выглядит еще более мистично. Представьте себе, что через небольшое отверстие вы высыпаете песок (рис.2). Как известно, образуется горка песка непосредственно под отверстием. Если отверстий два, то вы вправе ожидать образования двух горок песка. Иное дело, когда на относительно широкое отверстие попадает волна, например свет. Если отверстие одно, мы видим освещенную полоску за экраном с несколько размытыми за счет дифракционных эффектов краями. Если отверстий более одного, то мы наблюдаем череду максимумов освещенности за счет так называемой интерференции волн, проходящих через разные отверстия.
Иное дело в микромире. Пусть в качестве отдельной песчинки выступает электрон (протон, нейтрон). В этом случае ситуация оказывается более чем странной. Каждый электрон, подлетая к преграде (экрану), начинает «бегать» вдоль экрана и «считать», сколько отверстий в нем оставлено. Если отверстие одно, то электроны после прохождения экрана распределяются как песчинки. Но если электрон «насчитает» более одного отверстии, то после прохождения через отверстие он оказывается в одной из точек на плоскости за экраном, определяемой интерференционными эффектами (рис.2,г). При этом не существенно, подлетают ли электроны к экрану все вместе, или каждый независимо от других.

2. Неопределенность. В реальной жизни мы все привыкли, что любой объект Макромира занимает определенное положение в пространстве и движется с вполне определяемой скорость. В Микромире это утверждение несправедливо. Оказывается, Природа «придумала» удивительные правила (известные в физике как соотношения неопределенности В.Гейзенберга и принцип дополнительности Н.Бора), не разрешающие определять одновременно без погрешностей эти значения для элементарных частиц, какими бы точными приборами мы не обладали.

Существует и еще одна разновидность неопределенности в Микромире. Суть ее заключается в том, что любой наблюдатель обязательно вносит искажения в поведение объектов Микромира. В результате оказывается, что Мир, который мы наблюдаем, ведет себя совершенно не так, как вел бы, если бы мы отказались от наблюдения за ним. Последнее связано с дискретностью строения Мира (или как еще говорят, его квантовостью), а именно, с существованием предела деления, как вещества Вселенной, так и пространства и времени, на любое количество более мелких составных частей (порций).

Действительно, чтобы увидеть некоторый объект, надо с ним провзаимодействовать, например, осветить его светом. Отражаясь от объекта, свет попадает в наш глаз, и мы ощущаем наличие предмета. В Макромире это взаимодействие подобно вашему столкновению, например, с паровозом – траектория паровоза не изменится, а мелкими дефектами, оставленными на его поверхности, можно пренебречь. Иное дело, если вы столкнетесь на улице с другим прохожим. В результате столкновения оба столкнувшихся изменят траекторию движения.

3. Взаимопревращаемость частиц. Это свойство принципиально отличает Микромир от привычного нам окружающего мира. Мы привыкли, что из куска стали можно сделать, например, кружку, а может быть подставку для утюга, или, в конце концов, полочку или элемент ее крепления. Однако мы уверены в том, что как бы ни менялся внешний облик изделия, любой анализ обнаружит внутри изделия именно сталь, а не дерево или медь.

В Микромире это далеко не так. Постоянство внутреннего содержания здесь большая редкость, проявляющаяся только на уровне макрообъектов. Очень наглядно характер поведения микрочастиц на примере превращений, происходящих с К-мезоном после его рождения, описал Г. Мякишев в своей научно-популярной книге «Элементарные частицы». Эта частица, едва успев «родиться», в считанные мгновения успевает многократно превратиться в другие частицы, непонятно откуда взявшиеся, чтобы исчезнуть навсегда: «Из рощи вылетела стая серых ворон (поток К-мезонов – В.Г.). Но в этой стае каждая ворона – это, в сущности, смесь в равной пропорции орла и ястреба (хотя внутри вороны нет ни орла, ни ястреба.– В.Г.). По дороге ястребиная часть ворон вымирает и дальше летят уже орлы, которых, однако, вдвое меньше чем было ворон раньше. При этом каждый орел – это смесь серой и белой вороны в равных количествах. Во второй роще часть белых ворон погибает. Вылетает серых ворон больше, чем белых. А это в свою очередь, означает, что появились ястребы, давно погибшие возле первой рощи».

В результате такого поведения объектов микромира оказывается невозможным полностью предсказать поведение объектов. Можно лишь, исходя из имеющихся данных, подсчитать вероятность того или иного исхода. Можно ли себе представьте такую ситуацию, например, для биатлониста в Макромире, – когда, целясь в мишень, при любом раскладе спортсмен не может гарантировать, что пуля вообще полетит в нужную сторону?

Современные представления о строении материи:

Накопив огромный экспериментальный материал, человечество согласилось с тем, что существуют определенные кирпичики мироздания, которые не допускают дальнейшего разделения на составные части без принципиального изменения свойств объекта. Мы не можем представить себе семью, в которой живут, к примеру, полтора ребенка, хотя хорошо представляем пол-огурца, пол-яблока и т.д. Мы можем налить, как нам кажется, любое количество воды в стакан. Но прекрасно осознаем, что существует минимальная ее порция, равная одной молекуле. Дальнейшее уменьшение порции вещества означает, что мы будем иметь дело не с водой, а с газообразными ее составляющими – водородом и кислородом, не имеющими со свойствами воды практически ничего общего.

В таком представлении окружающего мира, безусловно, заложена определенная идея атомизма, причем в каждом разделе науки имеются свои атомы. В химии это атомы химических элементов, в биологии – клетка и т.д. Однако в отличие от истинного, исходного понимания слова атом (неделимый), чаще всего под этим термином стали понимать некую малую структурную единицу материи (в общем случае имеющую внутреннее строение), сохраняющую определенный набор свойств, но позволяющей разделить ее на некие составляющие части.

Эта концепция в полной мере была отражена В.И.Лениным в его эпиграфе к книге «Материализм и эмпириокритицизм»: «Электрон также неисчерпаем, как и атом».

В результате классическая математика, которую мы развивали несколько столетий – математика непрерывных, дифференцируемых функций стала основой всей нашей жизни, хотя порой результаты математической обработки и выглядели не очень «удачно». Как однажды пошутил Фейнман, если мы разделим количество детей в США на количество семей, то получим, что среднестатистическая американская семье имеет два с половиной ребенка. Видели ли вы когда либо семью, в которой жило бы полребенка? Или когда в учебниках географии утверждают, например, что на 1 квадратный километр республика Саха приходится 0,12 человека?

И только физики, столкнувшись с казалось бы, неразрешимыми с точки зрении классических подходов свойствами микромира, пришли к твердому убеждению, что предел делимости вещества на составные части должен существовать. Так родился принципиально новый раздел физики – квантовая физика, опирающаяся, прежде всего, не на привычную математику с непрерывными дифференцируемыми функциями, а на дискретную математику и теорию групп, значимость которой в познании Мира пытались доказать более 2500 лет назад еще древние греки.

Идеи квантовой физики, несмотря на многочисленные препятствия, которые ей пытались «учинить» приверженцы жесткого диалектического материализма советского времени, оказались столь убедительными, что вслед за квантовой физикой в научный обиход вошли такие научные направления как квантовая химия и даже квантовая биология. И только математики по-прежнему говорят о дискретной математике или теории групп.

Однако путь познания законов Микромира отнюдь не был усеян розами. Понадобились колоссальные как интеллектуальные усилия, так огромные материальные вложения.

Казалось, что многие явления микромира выглядят мистически. Эксперименты приводили к результатам противоречащим здравому смыслу. Физикам приходилось постулировать существование довольно большого числа явлений, не укладывающихся в рамках обычных житейских представлений. В такие времена часто методом научного познания вместо строгой теории становились сугубо философские рассуждения и даже мистика (введение в квантовую физику кварков как символа нечистой силы и т.п.– см. ниже). Но именно эти периоды, как ни странно, привели к существенным качественным скачкам в понимании глубинных законов, управляющих миром.

Не все они выдерживали испытание временем (например попытки доказать, что закон сохранения энергии имеет статистический характер). Для подтверждения других требовались десятилетия (экспериментальное подтверждение существования нейтрино, предсказанное Паули). Третьим везло больше, и не смотря казалось бы полушуточное к ним отношение физиков (введение в число истинно элементарных частиц очарованного кварка), они рекордно быстро находили экспериментальное подтверждение (одновременное независимое открытие сразу в двух лабораториях мира -очарованного мезона). Возможно, именно по этим причинам в конце 1960 годов был популярный афоризм, приписываемый Жолио-Кюри: «Чем дальше эксперимент от теории, тем он ближе к Нобелевской премии».

Современная физика Микромира фактически началась с открытия электрона и дальнейшего открытия явления радиоактивности, т.е. конец 19 – начало 20-го столетий. В современной космомикрофизике материя Вселенной представляется состоящей из элементарных частиц, как наименьших структурных единиц вещества, своеобразных «атомов», если использовать греческий язык (атом – от древнегреческого άτομος – неделимый).

Твердо установлено существование 35 сравнительно стабильных частиц (живущих не менее 10–22…10–23 секунды), из которых только девять условно «вечные» (два сорта нейтрино, электрон, протон и их античастицы и фотон). Даже нейтрон может существовать долго только в окружении протонов. Оставшись «наедине с собой», он примерно через 15 минут превращается в электрон, протон и электронное нейтрино. Число же всех известных частиц, которые принято называть элементарными, перевалило за 300. Так же как и химические элементы, предпринимались неоднократные попытки их классификации.

Оказалось, что наиболее приемлемым с точки зрения классификации элементарных частиц являются особенности их взаимодействия между собой, и, прежде всего их отношение к так называемым слабым и сильным взаимодействиям.

Поле сильных взаимодействий обычно проявляется на расстояниях не более 10–13 см. Сильное взаимодействие испытывают не все частицы. Например, электроны, нейтрино и фотоны не участвуют в сильных взаимодействиях. Вообще в сильном взаимодействии участвует только класс достаточно тяжелых частиц, называемых адронами. К адронам относятся все барионы (в том числе нуклоны) и мезоны, включая резонансные частицы (короткоживущие возбужденные состояния адронов), часто называемые просто – резонансы.

В обычном стабильном веществе при не слишком высокой температуре сильное взаимодействие не вызывает никаких процессов и его роль сводится к созданию прочной связи между нуклонами в ядрах. Однако при столкновениях адронов, обладающих достаточно высокой энергией, сильное взаимодействие приводит к многочисленным ядерным реакциям. Особенно важную роль в природе играют реакции слияния легких ядер (термоядерный синтез), в результате которых, в частности, два ядра дейтерия (тяжелого водорода) превращаются в ядро атома гелия.

Вследствие своей большой величины сильное взаимодействие является источником огромной энергии. Наиболее важный пример энергии, высвобождаемой сильным взаимодействием, – это свечение Солнца. В недрах Солнца и звезд непрерывно протекают термоядерные реакции, вызываемые сильным взаимодействием. Именно в результате этого взаимодействия высвобождается энергия водородной бомбы.

Представление о том, что такое сильного взаимодействия складывалось постепенно по мере того, как прояснялась структура атомного ядра.

Что-то должно было удерживать протоны в ядре, не позволяя им разлетаться под действием электростатического отталкивания. Необходимо было наличие какого-то взаимодействия, более сильного, чем электромагнитное, не ощущаемого за пределами ядра, т.е. по своей величине существенно превосходящего все остальные фундаментальные взаимодействия, но не проявляющегося непосредственно в макроскопических телах. Переносчиками поля долгое время считались предсказанные Х. Юкавой и впоследствии экспериментально обнаруженные вир­туальные пи-мезоны.

Однако первые попытки построить относительно удовлетворительное математическое описание процесса взаимодействия, основанные на этой идее, не увенчались успехом. Сильное взаимодействие довольно сложным образом зависело от расстояния, поэтому приходилось вводить в расчеты много произвольных параметров.

Проблему удалось разрешить в начале 60-х годов, когда была предложена кварковая модель строения адронов. В этой модели нейтроны, протоны и другие адроны рассматриваются не как элементарные частицы, а как составные системы, построенные из трех кварков. Чтобы это «трио» кварков не распадалось, необходима удерживающая их сила, некий «клей» (глюон). В результате оказалось, что результирующее взаимодействие между нейтронами и протонами, рассмотренное Юкавой, представляет собой просто остаточный эффект более мощного взаимодействия между кварками. Поэтому взаимодействие между нуклонами в ядре и 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 сил тратится на прочное склеивание трио кварков, а небольшая – на скрепление двух трио кварков друг с другом.

Поле слабых взаимодействий гораздо слабее сильного взаимодействия. Большинство известных частиц участвуют в слабом взаимодействии. Основные свойства слабых взаимодействий известны с 1931 г., благодаря работам Э. Ферми[3].

Именно с наличием слабых взаимодействий обычно связывают радиоактивный распад и взаимные превращения элементарных частиц, в частности то, что нейтрон в свободном состоянии существует в среднем не более 15 мин, превращаясь с испусканием антинейтрино в более легкие протон и электрон.

К мысли о существовании слабого взаимодействия ученые продвигались медленно, прежде всего, потому, что оно ощутимо только в областях пространства чрезвычайно малой протяженности (не более 10–16 см). Следовательно, оно не может влиять на макроскопические объекты, а ограничивается отдельными субатомными частицами.

Современную классификацию элементарных частиц открывает сверхлегкая частица – фотон, единственная, не имеющая античастицы, и занимающая особое место в классификации частиц.

Следующая группа – лептоны – легкие частицы, не участвующие в сильных взаимодействиях. Всего имеется 12 лептонов (6 лептонов и 6 их античастиц) с полуцелым (1/2) спином[4]. Все они объединяются парами. Первая, самая «легкая» пара – электрон и его напарник – электронное нейтрино, вторая и третья суть мю-мезон (мюон) и тау-мезон (тау-частица) в паре с соответствующими мюонным и тау-мезонным нейтрино. Каждая пара обладает особой характеристикой – своим, так называемым лептонным зарядом (можно считать, что он аналогичен электрическому заряду, хотя пока не понятно как его можно использовать для практических нужд). Этот лептонный заряд, также как и электрический, при любых превращениях всегда сохраняется. Этим сегодня объясняют относительную стабильность электрона.

Считается, что лептоны – истинно элементарные частицы, не имеющие внутреннего строения.

Третья группа – самая многочисленная – адроны (от греч. hadros – большой, сильный) – класс элементарных частиц, участвующих в сильных взаимодействиях.

Адроны в свою очередь подразделяются на частицы с полуцелым спином – барионы (с массой не менее массы протона), являющиеся основой для образования материального мира, и целым спином – мезоны (пи-мезоны, К-мезоны и т.д.). Последним отводится главная роль в переносе ядерных взаимодействий. В частности ответственными за стабильность ядер в атомах химических элементов являются именно пи-мезоны ( – мезоны, несущие соответственно единичный положительный и отрицательный электрические заряды и не имеющий такового).

Среди барионов исторически выделяют 4 нуклона, как составные части ядра атома – протон и нейтрон и их две античастицы, и гипероны (λ, Σ, Θ, Ω). Название гипероны происходит от греческого «гипер» – выше, так как они тяжелее протона, барионы – от греческого «барис» – тяжелый. Барионы при любых реакциях могут превращаться в протоны или из них получаться. Барионам приписывается кроме электрического, еще один свой тип заряда – барионный, равный +1, антибарионы имеют барионный заряд –1. 

Среди адронов выделяют странные частицы, которым также приписывают специфический тип заряда (по предложению Гелл-Манна и Нишиджимы, 1953 г.) – странность, частицы очарованные, красивые и истинные, каждая со своим типом заряда.

Самое удивительное, что из всех частиц устойчивыми оказались лишь электрон, протон фотон и нейтрино, все остальные частицы через относительно небольшое время «распадались»[5], превращаясь в одну или несколько вышеперечисленных частиц. Самым долгоживущим из остальных частиц оказался нейтрон. В свободном состоянии от может существовать около 15 минут. Потом он распадается в протон, электрон и электронное антинейтрино.

Часть частиц оказалась столь маложивущими, что их стали называть резонансами.

      Число известных частиц, которые принято называть элементарными, перевалило за 300. Так же как и для химических элементов, предпринимались неоднократные попытки их классификации. Сначала адроны удалось классифицировать по так называемым зарядовым мультиплетам с близкими массами внутри мультиплета. Из наиболее известных это мезонный и барионный октеты. Если по горизонтальной оси отложить значения проекций изотопического спина, которая характеризует заряд, а по вертикали – значения странности, то получаются любопытные фигуры правильной геометрической формы, напоминающие грани правильных Платоновых многогранников (см.ниже). Еще в один мультиплет объединяются барионные резонансы со спином 3/2, а все частицы со спином 3/2 в супермультиплет в виде пирамиды. Это наводит на мысль, что возможно все частицы есть некоторая проекция (часть) гигантского супермультиплета. В результате анализа таких мультиплетов Гелл-Ману и Цвейгу (см. ниже) удалось свести все известные частицы к комбинации сначала трех, а позднее всего шести кварков.

Эта модель, в которой кварки выступают как истинно элементарные частицы (древнегреческие атомы) сегодня считается практически единственной общепризнанной.

К истокам атомизма.
Необходимость существования «квантов» как следствие учения о гармонии пифагорейцев. Еще немного мистики: распадаться на А и Б, еще не значит состоять из А и Б!

Герман сошел с ума. Он сидит в Обуховской больнице в 17-м нумере, не отвечает Нина какие вопросы и бормочет необыкновенно скоро: «Тройка, семерка, туз!...»

А.Пушкин, «Пиковая дама».


Идея опыта Резерфорда – с помощью бомбардировки одной частицы материи другой частицей (у Резерфорда – атом и альфа-частицы), попытаться понять ее внутреннее строение спровоцировала физиков на попытку изучить внутреннее строение протона. Для этого в качестве мишени решили использовать многочисленные ядра водорода (это и есть протон), содержащиеся в толстом слое парафина, а в качестве бомбардирующей частицы тот же протон (ионизированный атом водорода), разгоняемый в электрическом или электромагнитном поле.

При малых скоростях столкновения протоны разлетались как шарики. Когда же удалось превысить некоторую критическую энергию движения, один из протонов стал «разваливаться» на две новые, ранее не известные частицы. Одна из них (-частица) оказалась электрически нейтральная, другая (-частица) имела положительный электрический заряд в точности равный заряду исчезнувшего протона: . Последующее поведение этих частиц было столь странно с позиций здравого смысла, что их стали называть странными, и по аналогии с электрическим зарядом, стали считать, что они несут еще одну разновидность заряда – «странность», которая, подобно электрическому заряду, может принимать относительные значения . Но самое главное – оказалось, что это не осколки протона, т.к. ни одна из появившихся частиц не могла быть его составной частью. Протон как элементарная частица исчез, а вместо него появились две совершенно новые элементарные частицы со своими «характером» и свойствами.
      При дальнейшем увеличении энергии столкновения состав осколков изменялся, например, вместо одного из протонов могло появиться три элементарных частицы , причем частица имела странность –2, в то время, как частицы К0 и К+ – по +1.
      Аналогичная ситуация наблюдалась и для нейтрона. Оказалось, что в свободном состоянии нейтрон (обычно обозначаемы как n) может «жить» в среднем около 15 минут, после чего исчезает (хотя традиционно физики говорят – распадается), а вместо него возникают две другие частицы положительно заряженный протон р и отрицательно заряженный электрон е–, которые также не могли содержаться внутри нейтрона: n p + e–.

Как видно, обнаруженные элементарные частицы оказались не просто нестабильными. В природе они имеют тенденцию к превращениям, как в народных сказках (вспомните хотя бы сказку «Царевна-лягушка» или как Иванушка, выпив воды из болотца, превратился в козленочка). Правда, эти превращения происходят с жестким соблюдением некоторых правил, формулируемых не совсем привычно для нашей жизни по принципу: «Все можно, кроме…». И эти правила называются законами сохранения. Сегодня известно 7 таких законов сохранения:

      – электрического заряда,
      – массы-энергии (Е = mc2),
      – импульса,
      – момента импульса,
      – барионного заряда,
      – лептонного заряда,
      – комбинированной четности.

Например, электрон не может потерять массу или исчезнуть, так несет электрический заряд. Он может превратиться только в другие частицы так, чтобы их суммарный электрический и лептонный заряды не изменились. Закон сохранения барионного заряда объясняет, почему невозможна аннигиляции протона и электрона в атоме с исчезновением электрического заряда (потому что протон – это барион, а электрон – лептон). Странность, как оказалось, сохраняется не всегда, а только в так называемых сильных (ядерных) взаимодействиях.

Самым интересным и загадочным оказался закон сохранения комбинированной четности. Фактически он означает, что если мы хотим построить некоторый объект. который зеркально повторял все свойства нашего объекта, и при этом не противоречил законам природы, мы должны заменить все элементарные частицы, его составляющие на их антиподы, т.е. античастицы.

Эти законы позволяют прогнозировать природу взаимодействия различных элементарных частиц. И вместе с тем они отражают определенную симметрию нашего мира.
      Так закон сохранения импульса вытекает из однородности пространства, а закон сохранения момента импульса из изотропности свойств пространства (т.е. независимости свойств пространства от направления). Энергия будет сохраняться только, если время однородно и т.д.
      Однако чтобы объяснить все перечисленные законы сохранения оказывается необходимо предположить, что наше пространство имеет не менее 10-ти пространственных измерений. Вместе со временем получаем 11 измерений.

Но почему же нам доступно только 3 измерения (наш мир) и куда делись остальные 7 измерений?

      В 1917 г. физик Пауль Эренфест написал статью под названием «Каким образом в фундаментальных законах физики отражается тот факт, что пространство трехмерно?». Оказывается, что уравнения, описывающие гравитационное или электрическое поле точечного источника, можно легко обобщить на случай пространства с другим числом измерений и найти их решения для этого случая. Эренфест показал, что, даже если принять во внимание квантовые эффекты, у электронов не будет устойчивых орбит в пространстве с числом измерений больше трех, как и не будет устойчивого движения планет. А без устойчивых атомных орбит. Математик Г. Дж. Уитроу в 1955 г. пришел к выводу, что высшие формы жизни были бы невозможны в пространствах четной размерности.
      Эти исследования отнюдь не доказывают невозможность другого числа измерений пространства; они лишь говорят о том, что в мире с числом измерений, отличным от трех, физика была бы совершенно другой и, возможно, такой мир был бы значительно менее упорядочен по сравнению с тем, который мы реально воспринимаем.

Тем не менее, исходя из известных законов природы, считается сомнительным, чтобы в пространстве отличном от трехмерного, могла существовать жизнь. Живые организмы имеют чрезвычайно тонкую организацию и их существование, по-видимому, критически зависит от единственно гармоничного сочетания взаимодействий, которое характерно для нашей Вселенной. Мы самим своим существованием выбрали область пространства-времени с тремя пространственными измерениями, доступными непосредственному восприятию. Мы просто не смогли бы жить в области с иным числом измерений.

Но остаются еще 7 измерений. Еще в 1926 г. шведский физик Оскар Клейн предложил блестящий по простоте ответ на вопрос о том, куда же исчезли остальные измерения. Клейн предположил, что мы не замечаем дополнительных измерений потому, что они в некотором смысле «свернулось» до очень малых размеров. По современным представлениям считается, что вследствие неустойчивости они свернулись в семимерные сферы.

И здесь мы опять попадаем в область мистики, цифрологии, возвращаясь на новом витке к идеям древних греков. До наших дней число четыре (три пространственных измерения + время) – число сторон квадрата – хранит следы того, что в древности связывалось с честностью и справедливостью, – как в английском выражении a square deal (честная сделка)[6].

      Крохотный семимерный «гипершар» – 7-сфера привлекла внимание математиков более полувека назад в связи с тем, что она обладает рядом уникальных геометрических свойств. Нет необходимости входить в детали этого, но если бы природе понадобилась замкнутая геометрическая структура, допускающая существование в реальном мире всех известных фундаментальных взаимодействий, то простейшей из них была бы 7-сфера. Все наблюдаемые нами структуры – от атомов до галактик — нельзя получить с помощью более простой математической конструкции.
      7-мерная сфера обладает многими дополнительными симметриями, не свойственными обычной сфере. Именно с их помощью удается смоделировать основополагающие симметрии силовых полей. 7-мерная сфера считается сейчас наиболее вероятной конфигурацией дополнительных компактифицированных измерений пространства. Насколько неизбежно, чтобы семь из десяти измерений свернулись, став невидимыми, или возможны и другие разбиения, например на шесть и четыре? Оказалось, что это неизбежно, если исходить из известных сегодня физикам законов. Физические системы всегда стремятся к состоянию с наименьшей энергией. И именно слегка сплюснутая 7-сфера в некотором смысле воплощает в себе конфигурацию пространства-времени с наименьшей энергией.
      И так, уже ставшие классикой – тройка, семерка. Ну а в качестве туза остается фотон, уникальная и единственная частица, не имеющая ни массы покоя, ни античастицы (см. ниже). 

Живой вакуум

Ученые-ядерщики считают, что именно в пустом пространстве скрыт ключ к полному пониманию существующих в природе взаимодействий. Вакуум довольно легко представить наглядно. Это область пространства, из которой удалено все частицы, поля, волны. Достичь абсолютного вакуума в реальной ситуации практически невозможно. Однако ничто не мешает нам рассматривать идеализированный вакуум.

      Когда физики приступили к разработке квантовой теории поля, оказалось, что вакуум совсем не пустое безжизненное пространство, лишенное вещества. Вакуум регулярно показывает всевозможные «трюки», источником которых является принцип неопределенности Гейзенберга. В течение небольшого промежутка времени энергия может быть взята «взаймы» на различные цели, в том числе на рождение частиц. Все возникающие при этом частицы будут короткоживущие, так как израсходованная на них энергия должна быть возвращена спустя ничтожную долю секунды. Тем не менее, частицы могут возникнуть из ничего, обретя мимолетное бытие, прежде чем снова исчезнуть. И эту скоротечную деятельность невозможно предотвратить, как бы мы ни старались. 
      Эти частицы-призраки нельзя наблюдать, хотя они могут оставить следы своего кратковременного существования. Они представляют собой разновидность «виртуальных» частиц[7], аналогичных переносчикам взаимодействий, но не предназначенных для получения или передачи сигналов. Возникнув из пустоты, они снова превращаются в нее, являя собой наглядное доказательство существования силового поля и оставаясь при этом бесплотными призраками.
      Вакуум не безжизнен и безлик, а полон энергии. Любую «реальную» частицу необходимо всегда необходимо рассматривать на фоне этой непрерывной активности. Перемещаясь в пространстве, эта частица в действительности оказывается в окружности частиц-призраков – виртуальных лептонов, кварков и переносчиков взаимодействий. Своим присутствием он вносит возмущение в непрерывную активность вакуума, которая в свою очередь оказывает воздействие на электрон. Даже в состоянии покоя электрон не знает покоя: со всех сторон его непрерывно штурмуют другие частицы, появившиеся из вакуума.
      На первый взгляд, кажется, что бесконечная сложность всего происходящего исключает всякую надежду на понимание характера взаимодействий между реальными частицами, не говоря уже о возможности вычислений. К счастью, это впечатление обманчиво. Оказывается – во всяком случае, в квантовой электродинамике, – что по мере усложнения процессов их влияние на реальные частицы ослабевает. Это вселяет надежду в возможности предсказания поведения частиц. Однако это никак не соответствует нашим обычным представлениям о пустом пространстве, называемом «вакуумом». Вакуум оказывается вполне материальным.

"Три кварка для мистера Кларка"

Уже концу 50-х годов нашего века численность и разнообразие элементарных частиц настолько выросли, что классификация их только по массе, заряду и спину, даже с учетом упомянутых законов сохранения барионного числа и странности, вызывала у физиков-теоретиков значительное неудовлетворение. Появлялись даже идеи, что за этим разнообразием скрывается лишь некий закон сохранения числа более фундаментальных частиц – составных частей обычных элементарных частиц?

Эта идея оказалась весьма плодотворной и позволила очень наглядно представить себе систематику сильно взаимодействующих частиц, созданную в последнее время. Первый и самый главный вопрос. Сколько таких субэлементарных частиц должно быть? Конечно, хотелось бы, чтобы их было поменьше.

Американскому физику Гелл-Манну удалось построить все известные к тому времени (начало 1960-х годов) тяжелые частицы (адроны[8]), используя всего лишь три субэлементарных частицы. Независимо от него, идея о существовании субэлементарных частиц пришла уроженцу СССР, американцу Цвейгу. Гипотеза о том, что адроны построены из специфических субъединиц была выдвинута ими в 1964 году. Марри Гелл-Манн «за открытия, связанные с классификацией элементарных частиц и их взаимодействий» в 1969 году получил Нобелевскую премию по физике

Цвейг называл эти субатомные частицы тузами (поскольку считал, что кварков всего четыре), но данное название не прижилось и забылось.

Гелл-Манн обозначил три кварка как p, n, . Сейчас эти кварки обозначают символами и, d, s в соответствии с английскими словами up (верхний), down (нижний), sideways (боковой). Название последнего кварка, несущего странность, в последнее время принято связывать с английским словом strange (странный). Необычайность кварков в том, что они имеют дробные электрические и барионные заряды. В таблице приведены значения зарядов и странностей кварков. Спин всех трех кварков равен ½. Каждому кварку соответствует свой антикварк, для обозначения которого, как обычно в физике элементарных частиц, используется знак «тильда»: .


Символ кварка
Электрический заряд 
Странность
Барионный заряд
cтарый
новый
 в ед.заряда электрона

p
u
+2/3
0
1/3
n
d
-1/3
0
1/3
~
s-1/31 1/3

Нетрудно сообразить, что из трех кварков можно получить множество комбинаций с различными зарядами и спинами, среди которых выделим, {uud}, {udd}, , или – соответствующие протону (электрический заряд +1), нейтрону (электронейтрален) и трем частицам, переносчикам ядерного взаимодействия – -мезонам.
      Несмотря на кажущуюся абсурдность этой идеи, уже первые бомбардировки протонов и нейтронов пучками электронов, обнаружили внутри как внутри электронейтрального нейтрона, так и внутри протона распределение электрических зарядов, соответствующее наличию в них трех кварков, предсказанных Гелл-Манном. Так экспериментально была подтверждена гипотеза существования субэлементарных частиц.
      Однако в свободном состоянии кварков обнаружить до сих пор не удалось. Считается, что это связано с особенностями их взаимодействий между собой. Развивается несколько теорий, объясняющих невозможность разделения адронов на кварки. Однако все они исходят из посылки, что свободных кварков в природе не существует и не может существовать. Кварки не могут вылетать из адронов.
      В основе всех этих теорий лежит утверждение о том, что межкварковые силы, в отличие от всех других сил в природе, не убывают с расстоянием. При увеличении расстояния они не только не остаются постоянными, но может быть даже и возрастают. Если это справедливо, то извлечь кварк из адрона нельзя. 
      Удаление электрона из атома (ионизация атома) требует энергии порядка 10 эВ. Расщепление ядра требует гораздо большей энергии – несколько миллионов электрон-вольт. Удаление же одного кварка на расстояние 3 см от протона требует энергии около 1013 миллиардов электрон-вольт. Этой энергии достаточно для того, чтобы поднять человека на высоту 10 м над Землей.
      Однако задолго до этого начнет действовать особый механизм рождения частиц. Когда при удалении кварка из нуклона потенциальная энергия достигнет достаточно высокого уровня, за счет этой энергии начнут образовываться реальные пары кварк-антикварк. Кварк остается в нуклоне и восстанавливает эту частицу, а антикварк объединяется с удаляемым кварком и образует элементарную частицу, известную как переносчик взаимодействия между адронами – мезон. Вместо удаления кварка из нуклона происходит рождение мезона.

«Если эта интерпретация ненаблюдаемости кварков верна, – замечает американский физик Ш. Глэшоу, – то она дает интересную возможность ограничить бесконечное дробление структуры материи. Атомы можно разложить на электроны и ядра, ядра – на протоны и нейтроны, а протоны и нейтроны на кварки, но теория неразделимости кварков предполагает, что на этом все кончается. Трудно представить себе, как частица может иметь внутреннюю структуру, если даже она не может быть образована».

Реальны ли кварки в действительности как истинно элементарные частицы, или эта модель служит лишь удобным средством описания элементарных частиц, но лишена физического реального смысла? Пока это неизвестно. Кстати, недавно появились работы, в которых утверждается, что кварки не являются самыми «неделимыми». Должны существовать протокварки.

Однако идеи симметрии и гармонии привели к пониманию того, что в природе должно существовать более трех кварков.

      В современной теории элементарных частиц существует так называемая «стандартная модель». Согласно этой модели существует три пары кварков: u (от up – верхний) – заряд по отношению к заряду протона + 2/3, масса около 4 МэВ, d (от down – нижний) – заряд –1/3, масса около 4 МэВ, s (от strange – странный) – заряд –1/3, масса около 150 МэВ, с (от charm – очарованный) – заряд +2/3, масса около 1,5 ГэВ, b (от beauty – красивый, или bottom – дно) – заряд –1/3, масса 4,5 ГэВ, t (от truth – истинный, или tоp – вершина, высший) – заряд +2/3, масса 175 ГэВ. 
      Кроме того, кварки разделяются еще по одному параметру, который назвали «цветом». Для каждого кварка существует три «цвета»: красный, желтый и синий. Ясно, что к реальному цвету, этот признак не имеет никакого отношения. Поскольку в исходной пьесе, из которой было взято имя кварков, их было всего три, а в физике их ввели 6, кварки стали называть также «ароматами». Так же как и цвет, «аромат» не имеет никакого отношении к реальному обычному запаху. 
      К трем парам кварков еще добавляют три пары лептонов (электрон и электронное нейтрино, мю-мезон и мю-мезонное нейтрино, тау-лептон и тау-лептонное нейтино), также истинно элементарных частиц, не имеющих внутреннего строения. Предполагается, что согласно принципу кварк-лептонной симметрии каждому лептону должен соответствовать определенный кварк. Таким образом, согласно существующим квантовомеханическим представлениям существуют пределы делимости вещества снизу.
      Не вдаваясь в детальный анализ проблемы, укажем, что истинно элементарными частицами, образующими материальный мир считаются 6 лептонов и 6 кварков, которые образуют трехуровневый Мир. Для существования нашего мира достаточно 4-х самых легких частиц (I). Если же мы хотим создать Мир, более плотно упакованный нам потребуются следующие, более тяжелые 2 кварка и 2 лептона. И самый «плотноупакованный» Мир, который может выдержать наше 3-х мерное пространство должен состоять из 4-х самых тяжелых частиц третьего уровня. Если бы существовали более тяжелые кварки, то плотность образованной ими материи превысила бы критическую, и в этом месье пространства образовалась бы «черная дыра». 
     
      Кроме этого мы должны ввести в рассмотрение элементарные частицы-переносчики взаимодействия.
Особое место занимает фотон – переносчик электромагнитного взаимодействия. Это единственная частица, совпадающая со своей античастицей, не имеющая также как и нейтрино массы покоя, поэтому перемещающаяся в пространстве со скоростью света. 
      Основу взаимодействий составляют сильные взаимодействия (самые мощные из всех) связывающие между собой кварки внутри адронов. Переносчиком сильных взаимодействий считают безмассовые частицы с целым спином – глюоны (от англ. glue – клей). Их всего восемь.
     Сильное взаимодействие испытывают не все частицы. Например, электроны, нейтрино и фотоны не участвуют в сильных взаимодействиях. Вообще в сильном взаимодействии участвует только класс достаточно тяжелых частиц, называемых адронами. В обычном стабильном веществе при не слишком высокой температуре сильное взаимодействие не вызывает никаких процессов и его роль сводится к созданию прочной связи между нуклонами (протоном и нейтроном) в ядрах. Однако при столкновениях адронов, обладающих достаточно высокой энергией, сильное взаимодействие приводит к многочисленным ядерным реакциям. Особенно важную роль в природе играют реакции слияния легких ядер (термоядерный синтез), в результате которых, в частности, два ядра дейтерия (тяжелого водорода) превращаются в ядро атома гелия.
      В зависимости от ситуации сильное взаимодействие проявляется как обычное притяжение, не позволяющее разваливаться ядру, или как слабая сила, вызывая распад некоторых нестабильных частиц. Вследствие своей большой величины сильное взаимодействие является источником огромной энергии. По-видимому, наиболее важный пример энергии, высвобождаемой сильным взаимодействием, – это свечение Солнца. В недрах Солнца и звезд непрерывно протекают термоядерные реакции, вызываемые сильным взаимодействием. Именно в результате этого взаимодействия высвобождается энергия водородной бомбы.

Согласно этой модели свободных кварков в Природе не существует. Глюоны объединяют кварки в «тройки», из которых собственно и состоят все тяжелые частицы. Любые попытки оторвать один из кварков с помощью внешних усилий приводит лишь к возникновению дополнительных пар кварк–антикварк (пи-мезоны) за счет прикладываемой внешней энергии, которые собственно и образуют пи-мезонную «шубу» вокруг протонов и нейтронов. Глюоны в адроне могут порождать пары кварк-антикварк, которые вне адронов мы воспринимаем как мезоны (в частности, предсказанные Юкавой пи-мезоны[9], осуществляющие взаимодействия между протонами и нейтронами в ядрах атомов). Таким образом, известная еще из школьного курса ядерная сила взаимного притяжения протонов и нейтронов в ядре атома представляет лишь слабые отголоски мощного межкваркового глюонного взаимодействия.

Следующий тип взаимодействия – слабые.

Они гораздо слабее не только сильного, но и электромагнитного взаимодействий, но гораздо сильнее гравитационного.

      Большинство известных частиц участвуют в слабом взаимодействии. Основные свойства слабых взаимодействий известны с 1931 г., благодаря работам Э. Ферми[10]. Переносчиками взаимодействия считаются векторные бозоны W+, W – и Z0 (последний, не имеющий электрического заряда, обычно называют нейтральным током). Именно с наличием слабых взаимодействий обычно связывают радиоактивный распад и взаимные превращения элементарных частиц, в частности то, что нейтрон в свободном состоянии существует в среднем не более 15 мин, превращаясь с испусканием антинейтрино в более легкие протон и электрон.
      Во-первых, если не считать таких явлений, как взрывы сверхновых, оно не создает тянущих или толкающих усилий в том смысле, как это принято понимать в механике. Слабое взаимодействие вызывает превращения одних частиц в другие, часто приводя продукты реакции в движение с высокими скоростями. 
      Во-вторых, слабое взаимодействие ощутимо только в областях пространства чрезвычайно малой протяженности. Обычно слабое взаимодействие прекращается на расстоянии, большем 10–16 см от источника. Следовательно, оно не может влиять на макроскопические объекты, а ограничивается отдельными субатомными частицами. 

Однако, несмотря на малую величину и короткодействие, слабые взаимодействия играют очень важную роль в природе. Если бы удалось выключить слабые взаимодействия, то погасло бы Солнце и большинство звезд, т.к. невозможен был бы процесс превращения протона в нейтрон, позитрон и нейтрино, были бы стабильны и широко распространены в обычном веществе мюоны, пи-мезоны, странные, «очарованные» и др. частицы, которые распадаются под действием слабых взаимодействий. Столь большая роль слабых взаимодействий связана с тем, что оно не подчиняется ряду запретов, характерных для сильного и электромагнитного взаимодействий. В частности, слабое взаимодействие превращает заряженные лептоны в нейтрино, а кварки одного типа («аромата») в кварки других типов.

      Хотя разработанная Ферми и другими физиками в 30-е годы теория слабого взаимодействия непрерывно совершенствовалась, некоторые глубокие противоречия в ней все же не удалось устранить, и стало очевидно, что она не обеспечивает подлинного понимания слабого взаимодействия. Новая теория, заимствовавшая основные идеи Ферми, но дополненная рядом принципиально новых соображений, была создана в конце 60-х годов американскими физиками Ш. Глэшоу и С. Вайнбергом. Их идея основана на одном из экспериментальных фактов, заключающемся в том, что интенсивность процессов, обусловленных слабым взаимодействием, быстро растет с ростом энергии, так что при достаточно больших энергиях интенсивности слабого и электромагнитного взаимодействий становятся практически одинаковыми.  Согласно теории Вайнберга–Салама существует не два взаимодействия (электромагнитное и слабое), а только одно – электрослабое, переносчикам которого являются 4 типа частиц – три векторных бозона W+, W–, Z и фотон g. При испускании или поглощении первых двух типов квантов поля, природа частицы тут же изменяется. Электрон может превратиться в нейтрино, нейтрино – в электрон, нейтрон – в протон и т.д. Именно так и происходит под действием слабых сил.
     При больших энергиях все частицы не имеют массы покоя, т.е. формально электрослабое взаимодействие простирается, как и электромагнитное или гравитационное, на бесконечное расстояние. Однако, при малых энергиях, согласно остроумной идее Вайнберга и Салама, происходит спонтанное нарушение симметрии, в результате которого три кванта поля W+, W– и Z приобретают значительную массу (например, квант поля Z – около 50 масс протона), и радиус их действия резко сокращается примерно до 2.10–16 см. 
     Успешное объединение слабого и электромагнитного взаимодействий Саламом и Вайнбергом подсказало возможность дальнейшего объединения физических полей и вместе с тем стимулировало у физиков идею, что все известные физические поля – суть проявление одного фундаментального. В этом и состоит суть идеи Великого объединения. В 1973 г. Ш. Глэшоу и Г. Джорджи опубликовали теорию, в которой новое злектрослабое взаимодействие сливалось с сильным (глюонным) в великое единое взаимодействие. Это была первая теория Великого объединения (ТВО). 

     Если описанные выше физические поля в действительности представляют собой лишь разные стороны единого взаимодействия, то последнему должно соответствовать некоторое калибровочное поле с достаточно широкой симметрией, чтобы охватить все симметрии всех полей (электромагнитного, сильного, слабого, гравитационного). Однако единой симметрии, которая обладала бы всеми нужными свойствами, пока отыскать не удалось, поэтому в настоящее время существует обилие конкурирующих теорий. Однако требование, чтобы в природе соблюдалась более широкая калибровочная симметрия, приводит нас к необходимости ведения новых типов полей, обладающих новыми свойствами (например, способностью превращать кварки в лептоны). Для этого в простейшем варианте требуется двадцать четыре переносчика поля. Двенадцать квантов этих полей уже известны: фотон, две W-частицы, Z-частица и восемь глюонов. Остальные двенадцать квантов – новые, объединенные общим названием Х-частицы. Это так называемые частицы Хиггса, формирующие новое поле – поле Хиггса. Эти кванты и превращают кварки в лептоны и обратно, если те обмениваются ими как переносчиками взаимодействия.
     Однако, если поле Хиггса существует, должны наблюдать также и некоторые явления, существование которых до сих пор как правило отвергалось. Одно из них связано с вытекающей из ТВО нестабильностью протона. 

      На протяжении всей истории физики элементарных частиц незыблемым правилом всегда оставалась абсолютная стабильность протона. Ведь обычное вещество построено из протонов. Предсказание ТВО, что протон может оказаться нестабильным и распадаться, было ошеломляющим. Из него следует, что все вещество, в конечном счете, нестабильно и, следовательно, не вечно. ТВО обладают и некоторыми неожиданными преимуществами. Одно из них – возможность объяснить старую загадку: почему электрические заряды всегда кратны одной и той же фундаментальной единице? До создания ТВО было неясно, почему не могут существовать частицы с любым другим зарядом. Единая теория не допускает существования таких зарядов. Жесткие правила отбора допустимых зарядов обусловлены тем, что все частицы принадлежат большим семействам, члены которых могут обмениваться частицами – переносчиками взаимодействия, имеющими заряды, равные фиксированному числу единиц заряда. Вся арифметика должна сходиться. Это означает, что все частицы семейства должны иметь заряды, равные небольшим целым кратным друг друга (или вообще не иметь заряда).


Что же получило человечество, изучая микромир? Микро- и нанотехнологии.


…С каменного века в человеческом мозгу ничего не изменилось, и теперь получается страшный раздрай: людям с интеллектом каменного века дают в руки невероятную энергию.
Человечество – это множество людей, а у множества людей есть «выбросы» и вверх, и вниз. Люди все глубже и глубже изучают природу разрушения, ставят все больше физических опытов... А теперь представьте себе, что физики в процессе экспериментов сделали шаг, после которого стала гореть вся материя. И сгорела Земля, сгорели люди – сгорело все! Дорасщеплялись...


Б.Раушенбах. Постскриптум






[1] Это утверждение в философии естествознания известно как принцип редукционизма.

[2] Более подробно об этом мы расскажем в следующих статьях.

[3] Энрико Ферми (1901-1954) – итальянский физик, лауреат Нобелевской премии. Построил первый ядерный реактор и 2 декабря 1942 г. впервые осуществил его запуск. В 1934 г., развивая гипотезу В.Паули (1930 г.) о новой частице, уносящей часть энергии при распаде нейтрона, предложил назвать ее нейтрино.

[4] Спин – особая квантовая характеристика частицы, первоначально связывавшаяся с внутренним движением (вращением частицы). Для элементарных частиц имеет значения, кратные ½ постоянной Планка, т.е.

[5] Напомним, что распадаться на А и В, это не обязательно состоять из А и В. Поэтому слово «распадались» взято в кавычки.

[6] Square в английском языке означает, с одной стороны, «квадрат, прямоугольник, а с другой — «честный», «прямой», а также «ровный», «точный».

[7] Виртуальные частицы – в квантовой физике, частицы, которые имеют такие же квантовые числа (спин, электрический и барионный заряды и пр.), что и соответствующие реальные частицы, но для которых не выполняется обычная (справедливая для реальных частиц) связь между энергией, импульсом и массой. Поэтому виртуальные частицы могут существовать только в промежуточных (имеющих малую длительность) состояниях (так называемые виртуальные состояния) и не могут быть экспериментально зарегистрированы. Возможность такого нарушения вытекает из соотношений неопределенности Гейзенберга. Особая роль виртуальных частиц состоит в том, что они являются переносчиками взаимодействий по механизму, предложенному Юкавой. В рамках этой идеи, например, два электрона взаимодействуют путем испускания одним электроном и поглощения другим виртуального фотона, нуклоны в ядре – путем обмена виртуальными пи-мезонами, Адроны при высоких энергиях в основном взаимодействуют друг с другом путем обмена комплексом виртуальных частиц, называемого реджеоном.

[8] Адроны (от греч. hadros – большой, сильный) – класс элементарных частиц, участвующих в сильных взаимодействиях (см.ниже). К адронам относятся все барионы (группа «тяжелых» элементарных частиц с полуцелым спином и массой не менее массы протона – нуклоны, гипероны, часть резонансов и «очарованных» частиц и др.).

[9] Экспериментально предсказанные Х. Юкавой частицы были обнаружены в 1947 г. и названы пи-мезонами (B+-, B–- и B0-мезоны, обладающие соответственно электрическим зарядом +1, –1 и 0 в единицах заряда электрона).

[10] Энрико Ферми (1901-1954) – итальянский физик, лауреат Нобелевской премии. Построил первый ядерный реактор и 2 декабря 1942 г. впервые осуществил его запуск. В 1934 г., развивая гипотезу В.Паули (1930 г.) о новой частице, уносящей часть энергии при распаде нейтрона, предложил назвать ее нейтрино.


Источник: http://kvarks.narod.ru/quark/micromir.htm#_ftn1
Категория: Исследования | Добавил: kavia (05.02.2012)
Просмотров: 1449 | Рейтинг: 0.0/0
Всего комментариев: 0
Форма входа

Поиск

Друзья сайта
  • Заработок в Интернете
  • Партнеры в Internet
  • Где хранить деньги?

  • Статистика

    Реклама

          Счетчик тИЦ и PR     Яндекс.Метрика
            
                  Copyright©2017