Ответ на непрекращающийся вопрос: какая самая маленькая частица во Вселенной эволюционировал вместе с человечеством.

Люди когда-то думали, что песчинки были строительными блоками того, что мы видим вокруг нас. Затем был обнаружен атом, и он считался неделимым, пока он не был расщеплен, чтобы выявить протоны, нейтроны и электроны внутри. Они тоже не оказались самыми маленькими частицами во Вселенной, так как ученые обнаружили, что протоны и нейтроны состоят из трех кварков каждый.

Пока ученые не смогли увидеть никаких доказательств того, что внутри кварков что-то есть и достигнут самый фундаментальный слой материи или самая маленькая частица во Вселенной.

И даже если кварки и электроны неделимы ученые не знают, являются ли они наименьшими битами материи в существовании или если Вселенная содержит объекты, которые являются еще более мелкими.

Самые мельчайшие частицы Вселенной

Они бывают разных вкусов и размеров, некоторые имеют удивительную связь, другие по существу испаряют друг друга, многие из них имеют фантастические названия: кварки состоящие из барионов и мезонов, нейтроны и протоны, нуклоны, гипероны, мезоны, барионы, нуклоны, фотоны и т.д.

Бозон Хиггса, настолько важная для науки частица, что ее называют “частицей Бога”. Считается, что она определяет массу всем другим. Элемент был впервые теоретизирован в 1964 году, когда ученые задавались вопросом, почему некоторые частицы более массивны, чем другие.

Бозон Хиггса связан с так называемым полем Хиггса который, как полагают, заполняют Вселенную. Два элемента (квант поля Хиггса и бозон Хиггса), ответственны за то, чтобы дать другим массу. Названа в честь шотландского ученого Питера Хиггса. С помощью 14 марта 2013 г. официально объявлено о подтверждении существования Бозона Хиггса.

Многие ученые утверждают, что механизм Хиггса разрешил недостающую часть головоломки, чтобы завершить существующую “стандартную модель” физики, которая описывает известные частицы.

Бозон Хиггса принципиально определил массу всему, что существует во Вселенной.

Кварки

Кварки (в переводе бредовые) строительные блоки протонов и нейтронов. Они никогда не одиноки, существуя только в группах. По-видимому, сила, которая связывает кварки вместе, увеличивается с расстоянием, поэтому чем дальше, тем труднее их будет разнять. Поэтому свободные кварки никогда не существуют в природе.

Кварки фундаментальные частицы являются бесструктурными, точечными размером примерно 10 −16 см .

Например, протоны и нейтроны состоят из трех кварков, причем протоны содержат два одинаковых кварка, в то время как нейтроны имеют два разных.

Суперсимметричность

Известно, что фундаментальные «кирпичики» материи фермионы это кварки и лептоны, а хранители силы бозоны это фотоны, глюоны. Теория суперсимметрии говорит о том, что фермионы и бозоны могут превращаться друг в друга.

Предсказываемая теория утверждает, что для каждой известной нам частицы есть родственная, которую мы еще не обнаружили. Например, для электрона это селекрон, кварка – скварк, фотона –фотино, хиггса - хиггсино.

Почему мы не наблюдаем этой суперсимметрии во Вселенной сейчас? Ученые считают, что они намного тяжелее, чем их обычные родственные частицы и чем тяжелее, тем короче их срок службы. По сути, они начинают разрушаться, как только возникают. Создание суперсимметрии требует весьма большого количества энергии, которая только существовала вскоре после большого взрыва и возможно может быть создана в больших ускорителях как большой адронный коллайдер.

Что касается того, почему симметрия возникла, физики предполагают, что симметрия, возможно, была нарушена в каком-то скрытом секторе Вселенной, который мы не можем видеть или касаться, но можем чувствовать только гравитационно.

Нейтрино

Нейтрино легкие субатомные частицы, которые свистят везде с близкой скоростью света. На самом деле, триллионы нейтрино текут через ваше тело в любой момент, хотя они редко взаимодействуют с нормальной материей.

Некоторые происходят от солнца, в то время как другие от космических лучей, взаимодействующих с атмосферой Земли и астрономическими источниками, такими как взрывающиеся звезды на Млечном пути и другие далекие галактики.

Антивещество

Считается, что все нормальные частицы имеют антивещества с одинаковой массой, но противоположным зарядом. Когда материя и встречаются, они уничтожают друг друга. Например, частица антиматерии протона является антипротоном, в то время как партнер антиматерии электрона называется позитроном. Антивещество относится к самым дорогим веществам в мире которые смогли определить люди.

Гравитоны

В области квантовой механики все фундаментальные силы передаются частицами. Например, свет состоит из безмассовых частиц, называемых фотонами, которые несут электромагнитную силу. Точно также гравитон является теоретической частицей, которая несет в себе силу гравитации. Ученым еще предстоит обнаружить гравитоны, которые сложно найти, потому что они так слабо взаимодействуют с веществом.

Нити энергии

В экспериментах крошечные частицы, такие как кварки и электроны, действуют как одиночные точки материи без пространственного распределения. Но точечные объекты усложняют законы физики. Поскольку нельзя приблизиться бесконечно близко к точке, так как действующие силы, могут стать бесконечно большими.

Идея под названием теория суперструн может решить эту проблему. Теория утверждает, что все частицы, вместо того, чтобы быть точечными, на самом деле являются маленькими нитями энергии. Тоесть все объекты нашего мира состоят из вибрирующих нитей и мембран энергии. Ничто не может быть бесконечно близко к нити, потому что одна часть всегда будет немного ближе, чем другая. Эта “лазейка”, похоже, решает некоторые из проблем бесконечности, делая идею привлекательной для физиков. Тем не менее, у ученых до сих пор нет экспериментальных доказательств того, что теория струн верна.

Другой способ решения точечной проблемы – сказать, что само пространство не является непрерывным и гладким, а на самом деле состоит из дискретных пикселей или зерен, иногда называемых пространственно-временной структурой. В этом случае две частицы не смогут бесконечно приближаться друг к другу, потому что они всегда должны быть разделены минимальным размером зерна пространства.

Точка черной дыры

Еще одним претендентом на звание самая маленькая частица во Вселенной является сингулярность (единственная точка) в центре черной дыры. Черные дыры образуются, когда вещество конденсируется в достаточно маленьком пространстве, которое захватывает гравитация, заставляя вещество втянуть вовнутрь, в конечном итоге конденсируясь в единую точку бесконечной плотности. По крайней мере по действующим законам физики.

Но большинство экспертов не считают черные дыры действительно бесконечно плотными. Они считают, что эта бесконечность является результатом внутреннего конфликта между двумя действующими теориями – общей теорией относительностью и квантовой механикой. Они предполагают, что когда теория квантовой гравитации может быть сформулирована, истинная природа черных дыр будет раскрыта.

Планковская длина

Нити энергии и даже самая маленькая частица во Вселенной может оказаться размером с “длину планка”.

Длина планка составляет 1,6 х 10 -35 метров (число 16 перед которым 34 нуля и десятичная точка) - непонятно малый масштаб, который связан с различными аспектами физики.

Планковская длина – «естественная единица» измерения длины, которая была предложена немецким физиком Максом Планком.

Длина Планка слишком мала для любого инструмента, чтобы измерить, но помимо этого, считается, что она представляет собой теоретический предел кратчайшей измеримой длины. Согласно принципу неопределенности, ни один инструмент никогда не должен быть в состоянии измерить что-либо меньшее, потому что в этом диапазоне Вселенная вероятностная и неопределенная.

Эта шкала также считается разграничительной линией между общей теорией относительности и квантовой механикой.

Планковская длина соответствует расстоянию, где гравитационное поле настолько сильно, что оно может начать делать черные дыры из энергии поля.

Очевидно сейчас, самая маленькая частица во Вселенной примерно размером с длину планка: 1,6·10 −35 метров

Выводы

Со школьной скамьи было известно, что самая маленькая частица во Вселенной электрон имеет отрицательный заряд и очень маленькую массу, равную 9,109 х 10 – 31 кг, а классический радиус электрона составляет 2,82 х 10 -15 м.

Однако физики уже оперируют с самыми маленькими частицами во Вселенной планковского размера который равняется примерно 1,6 х 10 −35 метров.

Муниципальное бюджетное нетиповое общеобразовательное учреждение "Гимназия №1 имени Тасирова Г.Х. города Белово" Элементарные частицы Презентация к уроку физики в 11 классе (профильный уровень) Выполнила: Попова И.А., учитель физики Белово, 2012 г. ЦЕЛЬ: Ознакомление с физикой элементарных частиц и систематизация знаний по теме. Развитие абстрактного, экологического и научного мышления учащихся на основе представлений об элементарных частицах и их взаимодействиях Сколько элементов в таблице Менделеева? Всего лишь 92. Как? Там больше? Верно, но все остальные - искусственно полученные, они в природе не встречаются. Итак - 92 атома. Из них тоже можно составить молекулы, т.е. вещества! Но то, что все вещества состоят из атомов, утверждал еще Демокрит (400 лет до нашей эры). Он был большим путешественником, и его любимым изречением было: "Не существует ничего, кроме атомов и чистого пространства, все остальное - воззрение" Хронология физики частиц Демокрит Атом Дата Фамилия ученого Открытие (гипотеза) 400 лет до н.э. Начало XX 1910 г. 1928 г. 1928 г. 1929 г. в. Томсон Электрон Античастица - частица, имеющая ту Э. Резерфорд жеПротон массу и спин, но Дирак и Открытие позитрона противоположные значения зарядов Андерсон всех типов; А. Эйнштейн Фотон П. Дирак Предсказание существования 1931 г Паули Открытие нейтрино и антинейтрино 1932 г. Дж. Чедвик 1932 г 1930 г. 1935 г. античастиц Для любой Нейтрон элементарной частицы есть своя античастица - позитрон е+ В. Паули античастица Предсказание существования Юкава нейтрино n Открытие мезона Хронология физики частиц Дата Открытие (гипотеза) Перед физиками - теоретиками встала Второйупорядочить этап труднейшая задача весь 1947 г.обнаруженный Открытие π-мезона p в частиц космических "зоопарк" и лучах попытаться свести число фундаментальных До частиц начала кБыло открытодоказав, несколькочто сотен новых минимуму, другие 1960-х гг. состоят элементарных частиц, имеющих массы частицы из фундаментальных частиц в диапазоне от 140 МэВ до 2 ГэВ. Все эти частицы были нестабильными, т.е. распадались на частицы с меньшими массами, в конечном счете превращаясь в стабильные протон, электрон, фотон и нейтрино (и их античастицы). Хронология физики частиц Дата Фамилия ученого Открытие (гипотеза) Третий этап 1962 г. М. Гелл-Манн Предложили модель и независимо строения сильно Дж. Цвейг взаимодействующих частиц из фундаментальных частиц кварков 1995Эта г. модель к настоящему Открытие последнего из времени превратилась в ожидавшихся, шестого стройную теорию всех известных типов взаимодействий частиц. кварка Как обнаружить элементарную частицу? Обычно изучают и анализируют следы (траектории или треки), оставленные частицами, по фотографиям Классификация элементарных частиц Все частицы делятся на два класса: 1. Фермионы, которые составляют вещество; 2. Бозоны, через которые осуществляется взаимодействие. Классификация элементарных Кварки участвуют в сильных взаимодействиях, а частиц также в слабых и в электромагнитных. Фермионы подразделяются на лептоны кварки. Кварки Гелл-Манн и Георг Цвейг предложили кварковую модель в 1964 г. Принцип Паули: в одной системе взаимосвязанных частиц никогда не существует хотя бы две частицы с тождественными параметрами, если эти частицы обладают полуцелым спином. М. Гелл-Манн на конференции в 2007 г. Что такое спин? Спин демонстрирует, что существует Спин (от англ. spin - вертеть[-ся], пространство состояний, никак не связанное с вращение) - собственный перемещением частицы в обычном момент пространстве; импульса элементарных частиц, Спин (от англ. квантовую to spin – крутиться) частои не имеющий природу сравнивают с угловым моментом «быстро связанный с перемещением частицы вращающегося волчка» - это неверно! как целого Спин является внутренней квантовой характеристикой частицы, которая не имеет аналога в классической механике; Спины некоторых микрочастиц Спин 0 Ообщее название частиц π-мезоны, K-мезоны, хиггсовский бозон, атомы и скалярные частицы ядра 4He, чётно-чётные ядра, парапозитроний 1/2 спинорные частицы 1 векторные частицы 3/2 спин-векторные частицы 2 Примеры электрон, кварки, протон, нейтрон, атомы и ядра 3He фотон, глюон, векторные мезоны, ортопозитроний Δ-изобары тензорные частицы гравитон, тензорные мезоны Кварки Кварки участвуют в сильных взаимодействиях, а также в слабых и в электромагнитных. Заряды кварков дробные - от -1/3e до +2/3e (e - заряд электрона). Кварки в сегодняшней Вселенной существуют только в связанных состояниях - только в составе адронов. Например, протон - uud, нейтрон - udd. Четыре вида физических взаимодействий гравитационные, электромагнитные, слабые, Ядерные сильные. Механизм один: Слабое взаимодействие -взаимодействий меняет внутреннюю за счет обмена природу частиц. частицами Сильные взаимодействиядругими - обусловливают различные ядерные реакции, апереносчиками также возникновение сил, связывающих нейтроны взаимодействия. и протоны в ядрах. Четыре вида физических взаимодействий Электромагнитное И фотоны, и Взаимодействие Радиус действияКонст. взаимдств. взаимодействие: переносчик гравитоны не фотон. имеют массы Гравитационное -39 Гравитационное Бесконечно большой 6.10 взаимодействие: переносчики - (массы покоя) и кванты поля тяготения всегда движутся гравитоны. Электромагнитное Бесконечно большой 1/137 со скоростью Слабые взаимодействия: света. переносчики - векторные бозоны. Слабое Не превышает 10-16 см 10-14 Существенным отличием Переносчики сильных переносчиков слабого взаимодействий: глюоны (от-13взаимодействия от фотона Сильное Не glue превышает 10 см 1 английского слова - клей), и гравитона является их с массой покоя равной нулю. массивность. Свойства кварков Кварковые супермультиплеты (триада и антитриада ) Свойства кварков: цвет Кварки имеют свойство, называемое цветовой заряд. Существуют три вида цветового заряда, условно обозначаемые как синий, зелёный Красный. Каждый цвет имеет дополнение в виде своего антицвета - антисиний, антизелёный и антикрасный. В отличие от кварков, антикварки обладают не цветом, а антицветом, то есть противоположным цветовым зарядом. Свойства кварков: масса У кварков имеется два основных типа масс, несовпадающих по величине: масса токового кварка, оцениваемая в процессах со значительной передачей квадрата 4-импульса, и структурная масса (блоковая, конституэнтная масса); включает в себя ещё массу глюонного поля вокруг кварка и оценивается из массы адронов и их кваркового состава. Свойства кварков: аромат Каждый аромат (вид) кварка характеризуется такими квантовыми числами, как изоспин Iz, странность S, очарование C, прелесть (боттомность, красота) B′, истинность (топность) T. Свойства кварков: аромат Сим вол Название рус. англ. Заряд Масса Первое поколение d нижний down −1/3 ~ 5 МэВ/c² u верхний up +2/3 ~ 3 МэВ/c² Второе поколение s странный strange −1/3 95 ± 25 МэВ/c² c очарованный charm (charmed) +2/3 1,8 ГэВ/c² Третье поколение b прелестный beauty (bottom) −1/3 4,5 ГэВ/c² t истинный truth (top) +2/3 171 ГэВ/c² Характеристики d u кварков s c b t Характеристика Тип кварка Электрический заряд Q -1/3 +2/3 -1/3 +2/3 -1/3 +2/3 Барионное число B Спин J Четность P Изоспин I Проекция изоспина I3 Странность s Charm c Bottomness b Topness t 1/3 1/3 1/3 1/3 1/3 1/3 1/2 1/2 1/2 1/2 1/2 1/2 +1 +1 +1 +1 +1 +1 1/2 1/2 0 0 0 0 -1/2 +1/2 0 0 0 0 0 0 -1 0 0 0 0 0 0 +1 0 0 0 0 0 0 -1 0 0 0 0 0 0 +1 0.31 0.31 0.51 1.8 5 180 Масса в составе адрона, ГэВ Масса "свободного" кварка, ГэВ ~0.0 ~0.00 0.08- 1.1- 4.1- 174+ 06 3 0.15 1.4 4.9 5 РАССМОТРИМ ЗАДАЧИ Какая энергия выделяется при аннигиляции электрона и позитрона? Какая энергия выделяется при аннигиляции протона и антипротона? При каких ядерных процессах возникает нейтрино? А. При α - распаде. Б. При β - распаде. В. При излучении γ - квантов. Г. При любых ядерных превращениях При каких ядерных процессах возникает антинейтрино? А. При α - распаде. Б. При β - распаде. В. При излучении γ - квантов. Г. При любых ядерных превращениях Протон состоит из... А. . . .нейтрона, позитрона и нейтрино. Б. . . .мезонов. В. . . .кварков. Г. Протон не имеет составных частей. Нейтрон состоит из... А. . . .протона, электрона и нейтрино. Б. . . .мезонов. В. . . . кварков. Г. Нейтрон не имеет составных частей. Что было доказано опытами Дэвиссона и Джермера? А. Квантовый характер поглощения энергии атомами. Б. Квантовый характер излучения энергии атомами. В. Волновые свойства света. Г. Волновые свойства электронов. Какая из приведенных формул определяет длину волны деБройля для электрона (m и v - масса и скорость электрона)? Тест 1.Какие физические системы образуются из элементарных частиц в результате электромагнитного взаимодействия? А. Электроны, протоны. Б. Ядра атомов. В. Атомы, молекулы вещества и античастицы. 2. С точки зрения взаимодействия все частицы делятся на три типа: А. Мезоны, фотоны и лептоны. Б. Фотоны, лептоны и барионы. В. Фотоны, лептоны и адроны. 3. Что является главным фактором существования элементарных частиц? А. Взаимное превращение. Б. Стабильность. В. Взаимодействие частиц друг с другом. 4. Какие взаимодействия определяют устойчивость ядер в атомах? А. Гравитационные. Б. Электромагнитные. В. Ядерные. Г. Слабые. 5. Существуют ли в природе неизменные частицы? А. Существуют. Б. Не существуют. 6. Реальность превращения вещества в электромагнитное поле: А. Подтверждается на опыте аннигиляции электрона и позитрона. Б. Подтверждается на опыте аннигиляции электрона и протона. 7. Реакция превращения вещества в поле: А. е + 2γ→е+ Б. е + 2γ→е- В. е+ +е- =2γ. 8. Какое взаимодействие ответственно за превращение элементарных частиц друг в друга? А. Сильное взаимодействие. Б. Гравитационное. В. Слабое взаимодействие Г. Сильное, слабое, электромагнитное. Ответы: В; В; А; В; Б; А; В; Г. Литература Периодическая система элементарных частиц / http://www.organizmica.ru/archive/508/pic-011.gif; Ишханов Б.С. , Кэбин Э.И. Физика ядра и частиц, XX век / http://nuclphys.sinp.msu.ru/introduction/index.html ТАБЛИЦА ЭЛЕМЕНТАРНЫХ ЧАСТИЦ / HTTP://LIB.KEMTIPP.RU/LIB/27/48.HTM Частицы и античастицы / http://www.pppa.ru/additional/02phy/07/phy23.php Элементарные частицы. справочник > химическая энциклопедия / http://www.chemport.ru/chemical_encyclopedia_article_4519.html Физика элементарных частиц / http://www.leforio.narod.ru/particles_physics.htm Кварк / http://www.wikiznanie.ru/ruwz/index.php/%D0%9A%D0%B2%D0%B0%D1%80%D0%BA Физика ядра и элементарных частиц. Знания – сила. / http://znaniyasila.narod.ru/phisics/phisics_atom_04.htm Кварк. Материал из Википедии - свободной энциклопедии / http://ru.wikipedia.org/wiki/%CA%E2%E0%F0%EA 2.О кварках. / http://www.milogiya.narod.ru/kvarki1.htm Гармония радуги / http://www.milogiya2008.ru/uzakon5.htm

Аристотель считал вещество непрерывным, - т.е. любой кусок вещества можно бесконечно дробить на все меньшие и меньшие кусочки, так и не дойдя до такой крошечной крупинки, которая дальше бы не делилась. Однако, другие древнегреческие философы, например, Демокрит, придерживались мнения, что материя имеет зернистую структуру и что все в мире состоит из большого числа разных атомов. Проходили века, но продолжался бездоказательный спор как с той, так и с другой стороны. Спор этот длился до начала нашего века, пока английский физик Джозефер Томсон (1856-1940) не открыл в 1897г. простейшую элементарную частицу материи - электрон. Вскоре стало ясно, что электроны должны вылетать из атомов. В 1911г. английский физик Эрнст Резерфорд , доказал, что атомы вещества действительно обладают внутренней структурой: они состоят из положительно заряженного ядра и отрицательно заряженных электронов.

Сначала предполагали, что ядро атома состоит из электронов и положительно заряженных частиц, которые назвали протонами. Однако, в 1932 г. Джеймс Чэдвик обнаружил, что в ядре есть еще и другие частицы -нейтроны, масса которых почти равна массе протона, но которые не заряжены.

Как говорилось выше, частицы могут себя вести подобно волне (корпускулярно-волновой дуализм). Открытие волновой природы электрона раскрыло новый, своеобразный мир явлений. Изящная теория электрона была предложена выдающимся физиком-теоретиком П.Дираком в 1928 г. Эта теория дает нам возможность определить, когда электрон сходен с частицей, а когда - с волной. Одна из посылок теории Дирака об электроне заключалась в том, что должна существовать элементарная частица, обладающая такими же свойствами, как и электрон, но с положительным зарядом. Такая частица (или античастица) была обнаружена и названа позитроном. Из теории Дирака также следовало, что позитрон и электрон, взаимодействуя между собой (реакция аннигиляции), образуют пару фотонов, т.е. квантов электромагнитного излучения. Возможен и обратный процесс {процесс рождения), когда фотон, взаимодействуя с ядром, превращается в пару электрон-позитрон. Кроме того, электрон и позитрон могут возникать и исчезать не только совместно, но и по отдельности - при взаимных превращениях нейтронов и протонов или их античастиц, т.е. антинейтронов и антипротонов.

Характерное для волновой механики (механика, которая рассматривает частицу как волну) вероятностное распределение рассматриваемых частиц (каждой частице сопоставляется волновая функция, квадрат амплитуды которой равен вероятности обнаружить частицу в определенном объеме) относится не только к электрону. В случае атомных ядер оно позволяет составляющим эти ядра нуклонам (т.е. протонам и нейтронам) "просачиваться" через непреодолимый для них потенциальный барьер наружу - этотак называемый квантово-механический туннельный эффект.

Еще лет двадцать пять тому назад протоны и нейтроны считались элементарными частицами, но эксперименты по взаимодействию движущихся с большими скоростями протонов (нейтронов) и электронов показали, что на самом деле протоны и нейтроны состоят каждый из трех еще более мелких частиц. Впервые исследовал эти частицы американский физик-теоретик М. Гелл-Манн. Он назвал их кварками.

Известно несколько разновидностей кварков: предполагают, что существует по крайней мере шесть ароматов, которым отвечают u- кварк, d - кварк, s-кварк, c-кварк, b-кварк и t-кварк. Кварк каждого аромата может иметь еще и один из трех цветов - красный, зеленый, синий.. Это просто обозначения и цвета в обычном смысле слова у них нет. Итак, мы узнали, что ни атомы, ни находящиеся внутри атома протоны с нейтронами не являются неделимыми, а потому возникает вопрос: "Что же такое настоящие элементарные частицы?”

Поскольку длины световых волн значительно больше размеров атома, у нас нет надежды "увидеть" составные части атома обычным способом. Для этой цели необходимы значительно меньшие длины волн.

Согласно квантовой механике, все частицы являются еще и волнами и чем выше энергия частицы, тем меньше соответствующая длина волны. Следовательно, ответ на поставленный вопрос зависит от того, насколько высока энергия частиц, имеющихся в нашем распоряжении, потому что этой энергией и определится, насколько малы масштабы тех длин, которые мы сможем наблюдать.

Таким образом, разгоняя частицы в ускорителях (например, в
синхрофазотроне) мы получим значительные энергии. Взаимодействуя с
другими частицами, эти высокоэнергетические частицы позволяют "заглянуть
вглубь" тех частиц, которые считаются элементарными. Так физики узнали,
что частицы, которые лет двадцать назад считались элементарными, на самом
деле состоят из меньших частиц. А что если при переходе к еще более высоким
энергиям окажется, что и эти меньшие частицы, в свою очередь, состоят из
еще меньших? Когда эта цепочка оборвется? Правда ученые, работающие в
области физики элементарных частиц, считают, что наука уже владеет или
почти владеет сведениями об исходных "кирпичиках", из которых построено
все в природе: это кварки и электроны.

Теперь поговорим о некоторых характеристиках элементарных
частиц. Они имеют вращательную характеристику - спин . Понятие о спине можно получить из такого простого представления: возьмем детскую игрушку – волчок (юлу), поставим его вертикально и отпустим, волчок падает. Но если волчок предварительно раскрутить, то он будет располагаться вертикально. Это говорит о том, что у вращающегося тела появляется новое свойство, новое качество – способность сохранять в пространстве направление оси вращения. Вот это новое свойство и характеризуют понятием спин.

Все известные частицы во Вселенной в зависимости от спина частицы можно разделить на две группы: фермионы - частицы со спином 1/2, из которых состоит любое вещество во Вселенной (нейтроны, протоны, кварки, легкие частицы - лептоны и тяжелые частицы - гипероны) и бозоны - частицы со спином 0, 1 и 2, которые создают силы, действующие между частицами вещества (фотоны и частицы под общим названием - мезоны). Частицы вещества (фермионы) подчиняются принципу запрета Паули, открытому в 1925 г. австрийским физиком Вольфгангом Паули. Принцип Паули гласит, что две одинаковые частицы не могут существовать в одном и том же состоянии, т.е. не могут иметь координаты и скорости, одинаковые с той точностью, которая задается принципом неопределенности. Если частицы вещества имеют очень близкие значения координат, то их скорости должны быть разными и, следовательно, они не смогут долго находиться в точках с этими координатами. Если бы при возникновении Вселенной не учитывался принцип Паули, кварки не могли бы объединиться в единые, четко определенные частицы - нейтроны и протоны, а те, в свою очередь, не смогли бы вместе с электронами образовать отдельные, четко определенные атомы. Без принципа Паули все эти частицы сколлапсировали бы и превратились в более или менее однородное "желе".

В квантовой механике предполагается, что все силы или взаимодействия между частицами вещества переносятся частицами с целочисленным спином, равным 0, 1 или 2. Это происходит следующим образом. Частица вещества, например, электрон или кварк, испускает другую частицу, которая является переносчиком взаимодействия (например, фотон). В результате отдачи скорость частицы вещества меняется. Затем частица-переносчик "налетает" на другую частицу вещества и поглощается ею. Это соударение изменяет скорость второй частицы, как будто между этими двумя частицами вещества действует сила. Частицы-переносчики, которыми обмениваются частицы вещества, называются виртуальными, потому что в отличие от "реальных" их нельзя непосредственно зарегистрировать при помощи детектора частиц. Однако они существуют, потому что они создают эффекты, поддающиеся измерению.

Частицы-переносчики можно классифицировать на четыре типа в зависимости от величины переносимого ими взаимодействия и от того, с какими частицами они взаимодействовали.

1.Первая разновидность - гравитационная сила. Это означает, что любые тела, обладающие массой, взаимодействуют между собой. Это очень слабая сила, зависящая от масс взаимодействующих тел и от расстояния между ними, которую мы вообще не заметили бы, если бы не два ее специфических свойства: гравитационные силы действуют и на больших расстояниях и всегда являются силами притяжения.

В квантово-механическом подходе к гравитационному полю считается, что гравитационная сила, действующая между двумя частицами материи, переносится частицей со спином 2, которая называется гравитоном. Гравитон не обладает собственной массой и поэтому переносимая им сила является дальнодействующей. Гравитационное взаимодействие между Солнцем и Землей объясняется тем, что частицы, из которых состоят Земля и Солнце, обмениваются гравитонами. Несмотря на то, что в обмене участвуют лишь виртуальные частицы, создаваемый ими эффект безусловно поддается измерению, потому что этот эффект - вращение Земли вокруг Солнца. Пока гравитоны.зарегистрировать не удалось, они остаются гипотетическими частицами, но в их существовании физики не сомневаются.

2. Следующий этап взаимодействия создается электромагнитными силами, которые действуют между электрически заряженными частицами, но не отвечают за взаимодействие таких незаряженных частиц как нейтроны. Электромагнитные взаимодействия гораздо сильнее гравитационных: электромагнитная сила, действующая между двумя электронами, примерно в 10 40 раз больше гравитационной силы. В отличие от гравитационных сил, которые являются силами притяжения, одинаковые по знаку заряды отталкиваются, разноименно заряженные - притягиваются. Переносчиками электромагнитного взаимодействия являются фотоны.

3. Взаимодействие третьего типа называется слабым взаимодейст­вием. Оно отвечает за распад элементарных частиц, за радиоактивность и существует между всеми частицами вещества со спином 1/2, но в нем не участвуют частицы со спином 0 и 2 -фотоны и гравитоны.

В 1967 г. английский физик-теоретик Абдус Салам и американский физик из Гарварда Стивен Вайнберг одновременно предложили теорию, которая объединяла слабое взаимодействие с электромагнитным. Вайнберг и Салам высказали предположение о том, что в дополнение к фотону существует еще три частицы со спином 1, которые вместе называются промежуточным векторным бозоном и являются переносчиками слабого взаимодействия. Эти бозоны были обозначены символами W + , W - и Z 0 . Массы бозонов предсказывались большими, чтобы создаваемые ими силы имели очень маленький радиус действия. Примерно через десять лет предсказания, полученные в теории Вайнберга-Салама, подтвердились экспериментально.

4. Сильное ядерное взаимодействие представляет собой взаимодейст­вие четвертого типа, которое удерживает кварки внутри протона и нейтрона, а протоны и нейтроны внутри атомного ядра. Переносчиком сильного взаимодействия считается частица со спином 1, которая называется глюоном. Глюоны взаимодействуют только с кварками и с другими глюонами. У сильного взаимодействия есть одно необычное свойство - оно обладает конфайнментом (от англ. confinement - ограничение, удержание). Конфайнмент состоит в том, что при попытке разделить протон или нейтрон на отдельные кварки возникают мощнейшие силы притяжения, которые не позволяют это сделать. Следствием конфайнмента является то, что мы не можем наблюдать отдельный кварк или глюон.

После успешного объединения электромагнитного и слабого взаимодействий стали предприниматься попытки соединения этих двух видов с сильным взаимодействием, чтобы в результате получилась так называемая теория великого объединения. Было предложено несколько вариантов таких "великих" теорий.

Конечно, в этом названии есть некоторая доля преувеличения: во-первых, все предложенные теории на самом деле вовсе не такие уж и великие, а во-вторых, они просто не могут объединить в себе все четыре вида взаимодействий по причине того, что совсем не рассматривают гравитацион­ные взаимодействия. Темне менее, такие теории могут стать определенным шагом на пути создания полной теории объединения, охватывающей все взаимодействия. Теории великого объединения "проливают свет" и на само наше существование. Не исключено, что наше существование есть следствие образования протонов. Такая картина начала Вселенной представляется наиболее естественной. Земное вещество, в основном, состоит из протонов, но в нем нет ни антипротонов, ни антинейтронов. Эксперименты с космичес­кими лучами подтверждают, чтото же самое справедливо и для всего вещества в нашей Галактике!

Как уже говорилось, теории великого объединения не включают в себя гравитационное взаимодействие. Гравитационные силы так малы, что их влиянием можно пренебречь, когда мы имеем дело с элементарными частицами или атомами. Однако тот факт, что гравитационные силы являются дальнодействующими, да еще и всегда силами притяжения, означает, что результаты их воздействия всегда суммируются. Следовательно, если имеется достаточное количество вещества, то гравитационные силы могут стать больше всех остальных сил. Вот почему эволюция Вселенной определяется именно гравитацией.

Большинство физиков верят в создание единой теории, в которой все четыре силы оказались бы разновидностью одной.

Одним из главных свойств частиц является их способность превращаться друг в друга, рождаться и уничтожаться в результате взаимодействия.
Открытие позитрона, частицы по своим характеристикам похожей на электрон, но имеющей в отличие от электрона положительный единичный заряд, было исключительно важным событием в физике. Еще в 1928 году П. Дирак предложил уравнение для описания релятивистской квантовой механики электрона. Оказалось, что уравнение Дирака имеет два решения, как с положительной, так и с отрицательной энергией. Состояние с отрицательной энергией описывает частицу аналогичную электрону, но имеющую положительный электрический заряд. Позитрон был первой открытой частицей из целого класса частиц, которые получили название античастиц. До открытия позитрона казалась необъяснимой неодинаковая роль положительных и отрицательных зарядов в природе. Почему существует тяжелый положительно заряженный протон, и нет тяжелой частицы с массой протона и отрицательным зарядом? Зато существовал легкий отрицательно заряженный электрон. Открытие в 1932 г. позитрона по существу восстановило зарядовую симметрию для легких частиц и поставило перед физиками проблему поиска античастицы для протона. Другая неожиданность - позитрон является стабильной частицей и может в пустом пространстве существовать бесконечно долго. Однако при столкновении электрона и позитрона происходит их аннигиляция. Электрон и позитрон исчезают, и вместо них рождаются два γ -кванта

Происходит превращение частиц с массой покоя отличной от нуля в частицы с нулевой массой покоя (фотоны), т.е. масса покоя не сохраняется, а превращается в кинетическую энергию.
Наряду с процессом аннигиляции был обнаружен и процесс рождения пары электрон-позитрон. Электрон-позитронные пары легко рождались -квантами с энергией в несколько МэВ в кулоновском поле атомного ядра. В классической физике понятия частицы и волны резко разграничены - одни физические объекты являются частицами, а другие - волнами. Превращение пары электрон-позитрон в фотоны стало дополнительным подтверждением представления о том, что между излучением и веществом много общего. Процессы аннигиляции и рождения пар заставили по-новому осмыслить, что же такое частицы, которые ранее называли элементарными. Частица перестала быть неизменным "кирпичиком" в строении материи. Возникла новая чрезвычайно глубокая концепция взаимного превращения частиц. Оказалось, что частицы могут рождаться и исчезать, превращаясь в другие частицы.
В созданной Э. Ферми теории -распада было показано, что испускаемые в процессе -распада электроны не существуют в ядре, а рождаются в результате распада нейтрона. В результате этого распада исчезает нейтрон n и рождается протон p, электрон e - и электронное антинейтрино e .

В результате реакций между антипротоном и протоном p, в зависимости от энергии сталкивающихся частиц, могут рождаться различные частицы

Положительно заряженный К + -мезон, среднее время жизни которого 1.2∙ 10 -8 с, распадается одним из приведенных ниже способов (справа приведены относительные вероятности распадов.

Λ -гиперон и Δ 0 -резонанс имеют примерно одинаковые массы, распадаются на одни и те же частицы - протон и π - -мезон. Большое различие в их времени жизни обусловлено механизмом распада. Λ -гиперон распадается в результате слабого взаимодействия, а Δ 0 -резонанс - в результате сильного взаимодействия.

При распаде отрицательного мюона ( -) в конечном состоянии наряду с электроном появляются две нейтральные частицы - мюонное нейтрино ν μ и электронное антинейтрино e . Этот распад происходит в результате слабого взаимодействия.

Когда греческий философ Демок­рит назвал простейшие нерасчлени­мые далее частицы атомами (слово атом, напомним, означает “недели­мый”), то ему, вероятно, все пред­ставлялось в принципе не очень сложным. Различные предметы, рас­тения, животные построены из неде­лимых, неизменных частиц. Превра­щения, наблюдаемые в мире, - это простая перестановка атомов. Все в мире течет, все изменяется, кроме самих атомов, которые остаются не­изменными.

Но в конце XIX века было откры­то сложное строение атомов и был выделен электрон как составная часть атома. Затем, уже в XX веке, были открыты протон и нейтрон - частицы, входящие в состав атом­ного ядра. Поначалу на все эти частицы смотрели точь-в-точь, как Демокрит смотрел на атомы: их считали неделимыми и неизменными первоначальными сущностями, ос­новными кирпичиками мироздания.

Ситуация привле­кательной ясности длилась недолго. Все оказалось намного сложнее:

как выяснилось, неизменных частиц нет совсем. В самом слове элемен­тарная заключается двоякий смысл.

С одной стороны, элементарный - это само собой разумеющийся, прос­тейший. С другой стороны, под эле­ментарным понимается нечто фун­даментальное, лежащее в основе вещей (именно в этом смысле сей­час и называют субатомные частицы элементарными).

Считать известные сейчас эле­ментарные частицы подобными не­изменным атомам Демокрита ме­шает следующий простой факт. Ни одна из частиц не бессмертна. Боль­шинство частиц, называемых сей­час элементарными, не могут про­жить более двух миллионных до­лей секунды, даже в отсутствие какого-либо воздействия извне. Сво­бодный нейтрон (нейтрон, находя­щийся вне атомного ядра) живет в среднем 15 мин.

Лишь фотон, электрон, протон и нейтрино сохраняли бы свою неиз­менность, если бы каждая из них была одна в целом мире (нейтрино лишено электрического заряда и его масса покоя, по-видимому, рав­на нулю).

Но у электронов и протонов име­ются опаснейшие собратья - позит­роны и антипротоны, при столкно­вении с которыми происходит взаим­ное уничтожение этих частиц и об­разование новых.

Фотон, испущенный настольной лампой, живет не более 10~ 8 с. Это то время, которое ему нужно, чтобы достичь страницы книги и погло­титься бумагой. Лишь нейтрино почти бессмертны из-за того, что они чрезвычайно слабо взаимодействуют с другими частицами. Однако и нейтрино гиб­нут при столкновении с другими частицами, хотя такие столкновения случаются крайне редко.

Все элементарные частицы пре­вращаются друг в друга, и эти взаимные превращения - главный факт их существования.

Превращения элементарных час­тиц ученые наблюдали при столкно­вениях частиц высоких энергий.

Представления о неизменности элементарных частиц оказались не­состоятельными. Но идея об их неразложимости сохранилась.

Элементарные частицы уже да­лее неделимы, но они неисчерпаемы по своим свойствам.

Вот что заставляет так думать. Пусть у нас возникло естествен­ное желание исследовать, состоит ли, например, электрон из каких-либо других субэлементарных частиц. Что нужно сделать для того, чтобы попытаться расчленить электрон? Можно придумать только один спо­соб. Это тот же способ, к которому прибегает ребенок, если он хочет узнать, что находится внутри пласт­массовой игрушки, - сильный удар.

По современным представ­лениям элементарные частицы - это первичные, неразложимые далее частицы, из которых построена вся материя. Однако неделимость эле­ментарных частиц не означает, что у них отсутствует внутренняя струк­тура.

В 60-е гг. возникли сомнения в том, что все частицы, называемые сейчас эле­ментарными, полностью оправды­вают это название. Основание для сомнений простое: этих частиц очень много.

Открытие новой элементарной частицы всегда составляло и сей­час составляет выдающийся триумф науки. Но уже довольно давно к каждому очередному триумфу нача­ла примешиваться доля беспокой­ства. Триумфы стали следовать буквально друг за другом.

Была открыта группа так назы­ваемых “странных” частиц: К-ме- зонов и гиперонов с массами, пре­вышающими массу нуклонов. В 70-е гг. к ним прибавилась большая группа частиц с еще большими массами, названных “очарованны­ми”. Кроме того, были открыты короткоживущие частицы с време­нем жизни порядка 10~ 22 -10~ 23 с. Эти частицы были названы резонансами, и их число перевалило за двести.

Вот тогда-то (в 1964 г.) М. Гелл-Манноном и Дж. Цвейгом была предложена модель, согласно кото­рой все частицы, участвующие в сильных (ядерных) взаимодей­ствиях-адроны, построены из бо­лее фундаментальных (или пер­вичных) частиц - кварков.

Кварки имеют дробный электрический заряд. Протоны и нейтроны состоят из трех кварков.

В настоящее время в реально­сти кварков никто не сомневается, хотя в свободном состоянии они не обнаружены и, вероятно, не будут обнаружены никогда. Сущест­вование кварков доказывают опыты по рассеянию электронов очень высокой энергии на протонах и нейтронах. Число различных квар­ков равно шести. Кварки, насколько сейчас известно, лишены внутрен­ней структуры и в этом смысле могут считаться истинно элемен­тарными.

Легкие частицы, не участвующие в сильных взаимодействиях, называются лептонами. Их тоже шесть, как и кварков (электрон, три сор­та нейтрино и еще две частицы - мюон и тау-лептон с массами, зна­чительно большими массы элект­рона).

Существование двойника элек­трона - позитрона - было предска­зано теоретически английским фи­зиком П. Дираком в 1931 г. Одно­временно Дирак предсказал, что при встрече позитрона с электроном обе частицы должны исчезнуть, породив фотоны большой энергии. Может протекать и обратный про­цесс - рождение электронно-позитронной пары, например, при столк­новении фотона достаточно большой энергии (его масса должна быть больше суммы масс покоя рож­дающихся частиц) с ядром.

Спустя два года позитрон был обнаружен с помощью камеры Виль­сона, помещенной в магнитное поле. Направление искривления трека час­тицы указывало знак ее заряда. По радиусу кривизны и энергии частицы было определено отношение ее заряда к массе. Оно, оказалось, по модулю таким же, как и у электрона. На рисунке 190 вы ви­дите первую фотографию, доказав­шую существование позитрона. Час­тица двигалась снизу-вверх и, прой­дя свинцовую пластинку, потеряла часть своей энергии. Из-за этого кривизна траектории увеличилась.

Процесс рождения пары элек­трон - позитрон у-квантом в свин­цовой пластинке виден на фото­графии, приведенной на рисунке 191. В камере Вильсона, находящейся в магнитном поле, пара оставляет ха­рактерный след в виде двурогой вилки.

Исчезновение (аннигиляция) од­них частиц и появление других при реакциях между элементарными час

Энергия покоя - самый гран­диозный и концентрированный ре­зервуар энергии во Вселенной. И только при аннигиляции она пол­ностью высвобождается, превра­щаясь в другие виды энергии. По­этому антивещество - самый совер­шенный источник энергии, самое калорийное “горючее”. В состоянии ли будет человечество когда-либо это “горючее” использовать, трудно сейчас сказать.

любой частицы с соответствующей античастицей происходит их анни­гиляция. Обе частицы исчезают, превращаясь в кванты излучения или другие частицы.

Обнаружены сравнительно не­давно антипротон и - антинейтрон. Электрический заряд антипротона отрицателен. Сейчас хорошо извест­но, что рождение пар частица - античастица и их аннигиляция не составляют монополии электронов и позитронов.

Атомы, ядра которых состоят из антинуклонов, а оболочка - из по­зитронов, образуют антивещество. В 1969 г. в нашей стране был впер­вые получен антигелий.