Koncepti makrosvijeta klasične fizike i koncepti mikrosvijeta moderne nauke. Sistematika elementarnih čestica. Superelementarne čestice Problem strukture elementarnih čestica

Trenutno ih je poznato oko 400 elementarne čestice. Neki od njih “žive” veoma kratko, brzo se pretvarajući u druge čestice, uspevajući tokom svog postojanja da prelete udaljenosti jednake poluprečniku atomskog jezgra (10 -12 - 10 -13 cm). Minimalno vrijeme dostupno za eksperimentalno mjerenje karakterizira vrijednost od približno 10 -26 s. Ispostavilo se da su neke elementarne čestice neočekivano teške - čak teže od pojedinačnih atoma.

Savremeni fizičari posvećuju veliku pažnju sistematizaciji elementarnih čestica, otkrivajući unutrašnje jedinstvo kako između njih, tako i između osnovnih tipova interakcija koji im odgovaraju - jake, slabe, elektromagnetne i gravitacione.

Intenzitet slabe interakcije je 10-11 redova veličine (10 10 -10 11 puta) manji od intenziteta nuklearnih sila. Zato je nazvan slab, radijus djelovanja mu je manji od 10 -15 cm.Elektromagnetna interakcija na udaljenostima srazmjernim radijusu djelovanja nuklearnih sila je samo 10 2 -10 3 puta slabija. Najslabija na ovim udaljenostima je gravitaciona interakcija, čiji je intenzitet mnogo redova veličine niži od slabe interakcije.

Čak je i slaba interakcija mnogo redova veličine veća od gravitacione interakcije. A sila Kulonova, električnog odbijanja dva elektrona je 10 42 puta veća od veličine njihovog gravitacionog privlačenja. Ako zamislimo da elektromagnetne sile koje „privlače” elektrone u atomsko jezgro oslabe na nivo gravitacionih sila, tada bi atom vodika postao veći od nama vidljivog dijela Univerzuma. Gravitacijske sile rastu vrlo sporo kako se udaljenosti smanjuju. Oni postaju dominantni samo u fantastično malim intervalima manjim od 10 -32 cm, koji ostaju nepristupačni za eksperimentalna istraživanja. Uz pomoć eksperimenta sada je moguće „progledati“ udaljenosti blizu 10 -16 cm.

Ova četiri tipa fundamentalnih (koje leže u samom temelju materije) interakcija ostvaruju se razmjenom odgovarajućih čestica, koje služe kao svojevrsni nosioci ovih interakcija. Radijus djelovanja sila ovisi o masi čestica. Elektromagnetsku interakciju nose fotoni (masa mirovanja je nula), gravitacionu interakciju nose gravitoni (a ipak hipotetičke, eksperimentalno neutvrđene čestice, čija bi masa također trebala biti nula). Ove dvije interakcije, koje nose čestice bez mase, imaju veliki, možda beskonačan raspon djelovanja. Štaviše, samo gravitaciona interakcija stvara privlačnost između identičnih čestica, ostale tri vrste interakcija određuju odbijanje čestica istog imena. Gluoni su nosioci snažne interakcije koja veže protone i neutrone u atomskim jezgrama. Ova interakcija je karakteristična za teške čestice zvane hadroni. Slabu interakciju nose vektorski bozoni. Ova interakcija je karakteristična za svjetlosne čestice - leptone (elektrone, pozitrone itd.).

Raznolikost mikrosvijeta pretpostavlja njegovo jedinstvo kroz međukonvertibilnost čestica i polja. Posebno je važna transformacija "para" - čestice i antičestice - u čestice drugačijeg "tipa". Prvi koji je otkrio bio je transformacija elektrona i pozitrona u kvante elektromagnetskog polja - fotone i obrnuti proces "generacije" parova iz fotona s dovoljno visokom energijom.

Trenutno je razvoj problema sistematizacije elementarnih čestica povezan s idejom postojanja kvarkovi - čestice sa delimičnim električnim nabojem. Sada se smatraju "najelementarnijim" u smislu da se od njih mogu "izgraditi" sve čestice koje su u jakoj interakciji - hadroni. Iz perspektive teorije kvarkova, nivo elementarnih čestica je oblast objekata koja se sastoji od kvarkova i antikvarkova. Štaviše, iako se potonje na ovom nivou znanja smatraju najjednostavnijim, najelementarnijim od poznatih čestica, same po sebi imaju složena svojstva - naboj, "šarm" ("šarm"), "boju" i druga neobična kvantno fizička svojstva. Kao što se u hemiji ne može bez pojmova "atom" i "molekula", tako ni fizika elementarnih čestica ne može bez pojma "kvark".

Dakle, lista hadrona - teške čestice koje karakteriše jaka interakcija - sastoji se od tri čestice: kvark, antik i njihovo povezivanje gluon. Uz njih postoji desetak lakih čestica - leptons (elektroni, pozitroni, neutrini, itd.) - koji odgovaraju slaboj interakciji. Također poznat foton - nosilac elektromagnetne interakcije. I dalje hipotetički, samo teoretski predviđeno, ostaje graviton, što je povezano sa gravitacionom interakcijom. Još se ništa ne zna o unutrašnjoj strukturi leptona, fotona i gravitona. Sada već postoji manje-više specifična ideja o sintezi, odnosu slabe, jake i elektromagnetne vrste interakcije. Otkriveno je da je moguće objasniti njihov odnos gravitacionom interakcijom. Sve ovo svjedoči o postepenoj implementaciji u stvarnost suštinski ničega ograničene mogućnosti teorijsko mišljenje u poznavanju jedinstva svijeta, koje ostaje beskrajno raznoliko u svojim manifestacijama u okviru jedinstva.

Reference za Poglavlje 10

Barašenkov V. S. Postoje li granice nauke: kvantitativna i kvalitativna neiscrpnost materijalnog svijeta. - M., 1982.

Heisenberg V. Fizika i filozofija: dio i cjelina. - M., 1989.

Zeldovich Ya.B., Khlopov M.Yu. Drama ideja u poznavanju prirode: Čestice, polja, naboji. - M., 1988.

Markov M.A. O prirodi materije. - M., 1976.

Pakhomov B.Ya. Formiranje moderne fizičke slike svijeta. -M., 1985.

Sachkov Yu.V. Uvod u svijet vjerovatnoće. - M., 1971.

POGLAVLJE 11

Pošaljite svoj dobar rad u bazu znanja je jednostavno. Koristite obrazac ispod

Studenti, postdiplomci, mladi naučnici koji koriste bazu znanja u svom studiranju i radu biće vam veoma zahvalni.

Objavljeno na http://www.allbest.ru/

Uvod

1. Nastanak i razvoj ideja o kvantu

1.1 Borova teorija atoma

2. Elementarne čestice i problem njihove strukture

Zaključak

Bibliografija

Uvod

U proučavanju prirode mogu se razlikovati dvije etape: prednaučna i naučna faza. Prednaučna ili prirodno-filozofska faza obuhvata period od antičkog perioda do uspostavljanja eksperimentalne prirodne nauke u 16.-17. veku. Ideje o prirodi u ovom periodu bile su čisto prirodno-filozofske prirode; uočene prirodne pojave objašnjavane su na osnovu mentalno sklopljenih filozofskih principa. Najveće dostignuće prirodne nauke u ovom periodu bila je doktrina antičkog atomizma, koja se smatrala diskretnim konceptom strukture materije. Prema ovoj doktrini, sva tijela su formirana od atoma, koji se smatraju najmanjim česticama materije. Prema antičkom atomizmu, koji je dao primarni teorijski model atoma, atomi su nevidljive, nedjeljive i neprobojne mikročestice, koje se međusobno razlikuju samo po kvantitativnim odnosima – obliku, veličini, strukturi. Antički atomizam, koji je objasnio celinu kao mehanički skup delova koji je formiraju, bio je prvi teorijski program. Prema Demokritovom učenju, vakuum je neophodan da bi se objasnilo mehaničko postavljanje tela u prostoru i njihovo deformisanje (stiskanje, izduženje, itd.) pod uticajem spoljnih sila. Atomizam je objasnio suštinu prirodnih procesa mehaničkom interakcijom atoma, njihovim privlačenjem i odbijanjem. Mehanički program za objašnjenje prirode, prvi put predstavljen u antičkom atomizmu, realizovan je u klasičnoj mehanici, što je postavilo temelje za proučavanje prirode na naučni način. Moderne naučne ideje o strukturnim nivoima formiranja materije trebale bi početi sa konceptom klasične fizike o proučavanju mikrosvijeta, koji je nastao kao rezultat kritičkog proučavanja ideja. klasična mehanika, koji se koriste samo u mikrokosmosu. Formacija naučne ideje o strukturi materije se odnosi XVI vijek, do perioda kada je G. Galileo postavio temelje mehaničke slike svijeta. Galileo ne samo da je dokazao heliocentrični sistem N. Kopernik, otkrio je zakone inercije kretanja i slobodnog pada, razvio je i novi metodološki način opisivanja prirode – naučno-teorijski metod. Suština ove metode leži u činjenici da ih je Galileo, odabravši niz fizičkih i geometrijskih karakteristika prirode, pretvorio u predmet naučnog istraživanja. Odabir pojedinačnih karakteristika objekta pružio je mogućnost kreiranja teorijskih modela i njihovog testiranja na osnovu naučnog eksperimenta. Metodološki koncept koji je formulisao Galileo odigrao je odlučujuću ulogu u uspostavljanju klasične prirodne nauke.

1. Porijeklo irazvoj ideja o kvantu

kvantna elementarna čestica

Tokom prelaska fizike sa proučavanja makrosvijeta na proučavanje mikrosvijeta, ideje klasične fizike o materiji i polju radikalno su se promijenile. Proučavajući mikročestice, naučnici su naišli na sliku koja je izgledala paradoksalno sa stanovišta klasične fizike: isti objekat pokazuje i svojstvo talasastosti i svojstvo korpuskularnosti. Ovaj fenomen se naziva dualitet talas-čestica.

Prvi korak na polju proučavanja kontradiktorne prirode čestica napravio je njemački naučnik Max Planck. Sve je počelo pojavom u fizici u kasno XIX stoljećima takvog problema kao što je „ultraljubičasta katastrofa“. Prema proračunima zasnovanim na formulama klasične elektrodinamike, intenzitet zračenja samih tamnih objekata se neograničeno povećavao. To je bilo suprotno praksi. Iz istraživanja provedenog na zračenju topline, M. Planck je došao do zaključka da se u procesu zračenja energija emituje ne u proizvoljnoj količini i beskonačno, već u nedjeljivim dijelovima - kvantima. Kvantna energija je određena brojem oscilacija koje odgovaraju zračenju (V) i univerzalnom konstantom koja se naziva Planckova konstanta: E=hn. Kao što je Planck primijetio, dolazak ideje kvanta u fiziku još se ne može povezati sa stvaranjem kvantne teorije, međutim, 14. prosinca 1900., datum pojave formule za kvantnu energiju, postao je datum polaganja temelj iste teorije, dan rođenja atomske fizike i početak novog perioda u prirodnim naukama.

Prvi fizičar koji je otkriće uticaja elementarnog kvanta dočekao sa visokim duhovnim nadahnućem i razvio ga u kreativnosti. Bio je tu A. Einstein. 1905. primijenio je ideju o kvantitativnoj prirodi zračenja i apsorpciji energije tokom termičko zračenje na fenomene zračenja uopšte, postavio je temelj za kvantnu teoriju. Einstein je, primjenjujući Planckovu hipotezu na svjetlosne fenomene, došao do zaključka da je neophodno prihvatiti korpuskularnu strukturu svjetlosti. Kvantna teorija svjetlosti ili Ajnštajnova teorija fotona potvrdila je da, pored činjenice da je svetlost talasni fenomen širenja u prostoru, ima i kontinuiranu strukturu. Svjetlost se može smatrati nedjeljivim energetskim dijelovima, svjetlosnim kvantima i fotonima. Energija fotona je određena Planckovom konstantom (h) i brzinom odgovarajućih oscilacija (n). Monohromatsko svetlo različitih boja (crvena, žuta, zelena, plava, ljubičasta i druge) sastoji se od svetlosnih kvanta različitih energija. Ajnštajnova ideja svetlosnih kvanta pružila je priliku da se razume i vizuelno opiše fotoelektrični fenomen, čija je suština odvajanje elektrona od svetlosne materije. Eksperimenti su pokazali da postojanje fotoelektričnog efekta nije određeno intenzitetom svjetlosnog vala koji pada na metal, već frekvencijom svjetlosti. Ako pretpostavimo da je svaki fotoelektron odvojen jednim fotonom, postaje jasno da se efekat javlja kada energija fotona postane dovoljno velika da prekine međusobnu vezu materije i elektrona.

10 godina nakon nastanka interpretacije fotoelektričnog efekta u sličnoj situaciji, to su potvrdili eksperimenti američkog fizičara R.E. Milliken. Otkrio 1923. godine američki naučnik A.H. Komptonov fenomen (“Comptonov efekat”) je konačno potvrdio kvantnu teoriju. Sve u svemu, kvantna teorija svjetlost je jedna od teorija fizike koja je više puta potvrđena eksperimentima. Međutim, na ovaj način je talasna priroda svjetlosti konačno potvrđena eksperimentima na fenomenima interferencije difrakcije. S tim u vezi nastala je takva paradoksalna situacija: postalo je poznato da se svjetlost istovremeno ponaša i kao val i kao korpuskula. U ovom slučaju foton djeluje kao specifičan tip korpuskule. Glavna karakteristika diskretnosti fotona, poseban dio energije (E=hn) određen je karakteristikom čistog vala – frekvencijom (n). Kao i sva velika prirodna naučna otkrića, kvantna teorija svjetlosti dobila je značajan ideološki, teorijski i kognitivni karakter.

Ideja o fononima-kvantima elektromagnetnog polja postala je veliki dar razvoju kvantne teorije. Stoga se A. Einstein smatra jednim od velikih kreatora kvantne teorije. Ajnštajnova teorija, razvijajući stavove M. Plancka, pružila je priliku danskom naučniku N. Boru da razvije novi model atoma.

1.1 Tteorija atoma koju je predložio Bohr

1913. danski naučnik Niels Bohr, primjenjujući princip kvantiteta na rješavanje problema strukture atoma i karakteristika spektra atoma, otklonio je kontradikcije u modelu atoma koji je stvorio Rutherford. Model atoma koji je 1911. predložio Rutherford nalikovao je Sunčevom sistemu: jezgro se nalazilo u centru, a elektroni su se okretali oko njega u kružnim orbitama. Jezgro je bilo pozitivno nabijeno, elektroni su imali negativan električni naboj. Sile privlačenja u Solarni sistem u atomu su zamijenjene električnim silama. Pozitivni električni naboj atomskog jezgra, koji je bio jednak atomskom broju elementa u Mendeljejevljevom periodičnom sistemu, bio je uravnotežen negativnim električnim nabojem elektrona. Dakle, atom je bio električno neutralan.

Analiza planetarnog modela atoma u okviru klasične elektrodinamike sadržavala je dvije nemoguće kontradikcije. Prva od ovih kontradikcija je bila da elektroni, da ne bi izgubili svoju stabilnost, moraju rotirati oko jezgra. Kao što je poznato, kružno kretanje karakterizira centrifugalno ubrzanje. Prema zakonima klasične elektrodinamike, ubrzani elektroni svakako moraju emitovati elektromagnetnu energiju. Međutim, u ovom slučaju elektroni moraju pasti na jezgro u vrlo kratkom periodu (10-8 sekundi), trošeći svoju energiju na zračenje. To dobro znamo iz svakodnevnog iskustva. Ako bi elektroni pali na jezgro, tijelo koje se sastoji od njih, na primjer stol ispred nas, promijenilo bi svoju veličinu za 10 hiljada puta.

Druga kontradikcija planetarnog modela atoma povezana je s činjenicom da elektron, koji se postepeno približava jezgru kao rezultat zračenja, za kontinuiranu promjenu njegove frekvencije, spektar zračenja atoma mora biti netaknut. Iskustvo pokazuje da je emisioni spektar atoma linearan. Drugim riječima, Rutherfordov planetarni model atoma ne koegzistira s Maxwellovom elektrodinamikom.

Kvantnu teoriju atoma, koja bi mogla riješiti obje ove kontradikcije (tzv. „Bohrova teorija strukture atoma“) iznio je N. Bohr. Sadržaj ove teorije formiran je iz sljedećih odredbi, spojenih u jednu, cjelovitu ideju:

pravilnosti linearnog spektra atoma vodika;

nuklearni model atoma koji je predložio Rutherford;

kvantna priroda zračenja i apsorpcije svjetlosti.

Nova hipoteza koju je iznio N. Bohr da bi objasnio strukturu atoma bila je zasnovana na tri postulata koji nisu bili u skladu s principima klasične fizike.

Prvi postulat: u svakom atomu postoji nekoliko stacionarnih stanja elektrona (stacionarne orbite). Elektromagnetski talasi koji se kreću duž stacionarnih orbita atoma se niti emituju niti apsorbuju.

Drugi postulat: atom emituje ili apsorbira samo dio energije kada elektron prijeđe iz jednog stacionarnog stanja u drugo.

Treći postulat? Elektron se kreće oko jezgra po takvim kružnim stacionarnim orbitama u kojima je, u trenutku impulsa elektrona, Plankova konstanta potpuno slična relativnoj 2p:

gdje su m, n, r masa elektrona, brzina i polumjer stacionarne orbite u kojoj se kreće, n=1,2,3... su cijeli brojevi.

Ovi postulati su postavili temelje za novo razdoblje u proučavanju svojstava i strukture atoma.

Prvi postulat je pokazao ograničenja klasične fizike, au posebnim slučajevima neprikladnost njenih zakona stacionarnim stanjima. Nije tako lako prihvatiti ideju da elektroni emituju energiju u posebno odabranim orbitama. U ovom trenutku postavlja se pitanje: "Zašto?" Međutim, zbog činjenice da je ovaj postulat bio adekvatan eksperimentalnim rezultatima, fizičari su ga bili prisiljeni prihvatiti. Iz drugog postulata slijedi zaključak da se energija atoma emituje u dijelovima. Prijelaz elektrona iz jedne orbite u drugu nužno je praćen cijelim brojem energetskih kvanta. Dakle, stanje elektrona u atomu karakteriziraju 4 kvantna broja - glavni, orbitalni, magnetski i orbitalni kvantni broj. Glavni kvantni broj (n) određuje energiju elektrona u područjima jezgra; u kompleksnim atomima, serijski broj sloja elektrona. Orbitalni kvantni broj (l) karakterizira prilagođavanja unesena u energiju atoma istovremenim kretanjem atoma. Spin kvantni broj (s) određuje poseban mehanički moment koji karakteriše rotaciono kretanje elektrona. Borovi postulati objasnili su stabilnost atoma: u stacionarnim stanjima, elektron ne emituje elektromagnetnu energiju bez postojanja vanjskih uzroka. Tek sada je postalo jasno zašto, uz stalnu procjenu stanja, atoma hemijski elementi ne emituju elektromagnetnih talasa. Atomski model koji je predložio Bohr, uprkos činjenici da je dao tačan opis atoma vodika, koji se sastoji od jednog protona i jednog elektrona, i ovaj opis se prilično dobro slagao s eksperimentalnim činjenicama, kasnija primjena ovog modela na višeelektronske atomi su nailazili na određene poteškoće. Koliko god teoretičari precizno pokušavali da opišu kretanje i orbitu elektrona u atomu, razlika između teorijskih rezultata i eksperimentalnih podataka ostala je velika. Međutim, tokom razvoja kvantne teorije postalo je jasno da su ove razlike uglavnom povezane sa svojstvom talasastosti elektrona. Talasna dužina elektrona koji se kreće po kružnoj orbiti u atomu bila je dio mjerenja atoma i iznosila je otprilike 10-8 cm. Iako se kretanje čestica svojstveno bilo kojem sistemu može samo prilično precizno opisati kao mehaničko kretanje materijalna tačka u zatvorenoj orbiti, kada će talasna dužina čestice u poređenju sa sistemom promena biti toliko mala da neće biti uzeta u obzir. Drugim riječima, morate uzeti u obzir da elektron nije tačka, nije jaka "loptica"; on ima unutrašnju strukturu koja se može mijenjati ovisno o svojim inherentnim stanjima. Međutim, u ovom slučaju detalji unutrašnje strukture elektrona ostaju nepoznati. Ovdje postaje jasno da je u osnovi nemoguće zamisliti strukturu atoma na temelju ideja o orbitama navodno točkastih elektrona, stoga su unutrašnje orbite atoma postale idealni objekti, čak i ne postoje u stvarnosti. Prema njihovoj talasnoj prirodi, elektroni i njihov električni naboj navodno su neravnomjerno raspoređeni po atomu i imaju nisku gustinu elektrona u nekim tačkama i veću gustoću elektrona u drugim. Opis distribucije gustine naelektrisanja elektrona unutar atoma dat je u kvantnoj mehanici: u nekim tačkama gustina naelektrisanja elektrona dostiže svoj maksimum. Krivulja koja povezuje tačke maksimalnih oznaka gustine naelektrisanja elektrona formalno se naziva elektronska orbita. Putanja atoma vodika izračunata u Borovoj teoriji poklopila se sa krivuljom koja prolazi kroz tačke maksimalnih oznaka prosječne gustine naboja, što zauzvrat u potpunosti odgovara eksperimentalnim podacima. Čini se da Borova teorija ocrtava graničnu liniju prve faze razvoja moderna fizika. Bohrova atomska teorija, dodavanjem malog broja novih razmatranja, bila je posljednji pokušaj da se opiše struktura atoma na osnovu klasične fizike. Borovi postulati su pokazali da klasična fizika nije u stanju objasniti takve rezultate iz najjednostavnijih eksperimenata vezanih za strukturu atoma. Borovi postulati, tuđi klasičnoj fizici, narušili su njen integritet i, zauzvrat, mogli su objasniti samo malo područje eksperimentalnih podataka. Stoga se nameće ideja da su Borovi postulati, koji su otkrili nova, do sada nepoznata nauci svojstva materije, istovremeno djelomično i ne odražavaju ih u potpunosti. Borova teorija i njegovi postulati koji se nisu mogli primijeniti na složene atome bili su nemoćni u objašnjavanju bitnih fenomena fizike, kao što difrakcija i interferencija nisu mogli objasniti valna svojstva svjetlosti i materije. Na mnoga pitanja vezana za strukturu atoma odgovore su dobili samo kao rezultat razvoja kvantne mehanike. Utvrđeno je da se Borov model atoma ne može doslovno shvatiti kao prije. Bilo bi netačno vizuelno opisivati ​​procese atoma u obliku mehaničkih modela nastalih po analogiji sa fenomenima makrokosmosa. Ubrzo je postalo poznato da su koncepti vremena i prostora precizno definisani za makrokosmos neprikladni za opisivanje mikrofizičkih pojava. Postepeno, teoretski fizičari su atom pretvorili u još apstraktniji sistem - skup neuočljivih jednačina.

2. Elementarni dijeloviobjekata i problem njihove strukture

Problem strukture materije bio je jedan od trenutni problemi, uvek u centru pažnje prirodne nauke, posebno u njenoj naprednoj oblasti - fizici. Jasno odražavajući odnos između filozofije i prirodnih nauka, ovaj problem ima ne samo filozofski, već i praktični i industrijsko-tehnički značaj. Da bi se to postiglo, dovoljno je reći da su moderne fizičke teorije, koje čine važnu etapu u naučnoj i tehnološkoj revoluciji, uključujući kvantnu mehaniku i teoriju elementarnih čestica, usko povezane s otkrićem i upotrebom nuklearne energije, koja je postavila temelj za "atomsko doba".

Savremena fizika je postigla velika dostignuća u oblasti proučavanja strukture i svojstava materije. Međutim, unatoč tome, priroda ima mnoge još uvijek neotkrivene tajne u području strukture i svojstava materije. Prodirući u dubine teorijske kognitivne materije i otkrivajući nove nivoe njene strukture, sve više verujemo u to. Fizika uključena moderna pozornica svog razvoja stupio je na put pun naučnih otkrića koji ga vodi naprijed u pravcu još većeg ovladavanja silama ljudske prirode. Međutim, fizika nije odmah krenula ovim putem. Prije nego što je na tom putu ostvarila određena dostignuća, prošla je dug i težak put razvoja, te je u tom periodu eliminirala prirodno-filozofske metafizičke ideje o strukturi i svojstvima materije svojstvene jednoj od era.

Moderna doktrina o strukturi materije počela je da nastaje na osnovu stabilnih praktičnih činjenica, počevši tek krajem 19. i početkom 20. veka. Ne zaustavljajući se na uspjesima naučnog saznanja, ovo učenje, koje je obogaćeno i razvijano, organski je sjedinjeno srodni prijatelj s druge strane, postoje četiri strane: prvo, ovo učenje je atomističko učenje, jer se prema ovom učenju svako tijelo, svaka fizička oblast formira od mikročestica i mikroregija, drugo, ovo učenje je statističko učenje, jer ono, na osnovu statističkih ideja, utvrđuje svojstva i obrasce kretanja mikro-objekata, njihove međusobne uticaje i transformacije statističkim zakonima, treće, ovo učenje je kvantna teorija, pa se svojstva i obrasci kretanja mikročestica kvalitativno razlikuju od svojstava i obrasce kretanja mikroskopskih tijela koje određuje klasična fizika, konačno, ovo učenje je relativistička doktrina, jer se u ovoj teoriji veza između prostora, vremena i materije opisuje kroz relativističku teoriju - teoriju relativnosti.

Razvijajući ljudsko znanje, ne zaustavljajući se na polju poznavanja strukture i svojstava materije, otkrilo je njenu složenost strukture i neiscrpnost svojstava i to potvrdilo novim činjenicama. Najveće dostignuće postignuto u oblasti proučavanja strukture materije je prelazak sa atomskog nivoa na nivo elementarnih čestica. Prva elementarna čestica otkrivena krajem 19. stoljeća bio je elektron, a u prvoj polovini 20. stoljeća otkriveni su foton, proton, pozitron, neutron, neutrino i druge elementarne čestice. Trenutno se elementarne čestice smatraju najmanjim „elementarnim“ česticama među mikro-objektima koji okružuju atome i molekule. Nakon Drugog svjetskog rata, zahvaljujući korištenju savremene eksperimentalne tehnologije i prije svega moćnih akceleratora koji stvaraju uvjete visoke energije i ogromnih brzina, otkriveno je postojanje više od 300 elementarnih čestica. Jedan dio elementarnih čestica je otkriven eksperimentalno, a drugi dio (rezonancije, kvarkovi, virtualne čestice) smatrani su teorijskim.

Šta koncept "elementarne čestice" izražava u modernoj fizici? Prije nego što odgovorimo na ovo pitanje, potrebno je uočiti inherentnu stranu prirodnonaučnog koncepta koji, kao i svi fizički koncepti, pojam „elementarnog“ je relativan, u različitim fazama razvoja naučnog znanja dobija različita značenja. Sve do sredine 60-ih godina našeg veka, ideje o elementarnim česticama ličile su na jedan od tipova pogleda na atome koje je izrazio Demokrit. Međutim, ove prve naivne ideje o elementarnim česticama nisu dugo trajale: ubrzo je dokazano da ne postoje nepromjenjive, neprobojne čestice bez strukture. Pod utjecajem stvarne činjenice koncept "elementarnog" je doživio promjenu i, općenito, sve što se može nazvati "elementarnom česticom" poprimilo je neodređeni karakter. Trenutno, brojni autori s pravom primjećuju da se koncept „elementarnog“ koristi u dva značenja: s jedne strane, kao sinonim za najjednostavnije, s druge strane, kao subatomska čestica, odnosno pokazatelj fundamentalnosti. . Uzimajući u obzir svaka dva značenja izražena konceptom „elementarne čestice“, možemo reći u punom i širem smislu riječi da su takozvane „elementarne“ čestice takve materijalne formacije koje se sastoje od drugih čestica poznatih nauci i nalaze se kao jedinstvena cjelina u svim procesima u međusobnom utjecaju, koji uključuju fizičke veličine koje ih karakteriziraju - masu, naboj elektrona, spin, uparivanje, jednostrukost, izotropni spin i druge početne parametre koji se ne mogu teoretski izračunati i mogu se precizno primijeniti na fizička teorija samo eksperimentalno.

Fizika elementarnih čestica je, prema riječima naučnika akademika I. B. Tamina, glavno polje koje „vodi modernu fiziku u predvečerje značajnih promjena i revolucionarnih preokreta“. Elementarne čestice su figurativno upoređivane sa "neistraženim planetama". Nije slučajno da su značajna otkrića u fizici napravljena nakon 60-ih godina na ovim prostorima. Da bismo stekli predstavu o dostignućima u ovoj oblasti, dovoljno je reći da se u proteklih 25-30 godina broj elementarnih čestica povećao sa 35 na 340 i da se očekuje dalji porast ove brojke u budućnost. Pogotovo od 30-ih godina našeg veka, pored do tada poznatih elektrona, fotona i protona, otkrivene su mnoge dodatne nove čestice: neutron, pozitron, neutroni različitih masa i naelektrisanja (takođe neutralni), mezoni, hiperoni i njihovi tzv. odgovarajućih antičestica. Povećanje broja koji izražava broj „elementarnih“ čestica pokazalo je gubitak njegovog nekadašnje značenje koncept "elementarnog". Jer sve te čestice nisu mogle ispuniti funkciju posljednjih “cigli” u izgradnji svijeta. Nalazeći se u ovoj poziciji, elementarne čestice pokušavale su da objasne mnoštvo i raznolikost, da klasifikuju sa stanovišta obezbeđivanja razvoja, da klasifikuju sa stanovišta obezbeđivanja razvoja dostignuća naučnih saznanja u ovoj oblasti. Implementacija ovakvih klasifikacija povezana je sa opisom svojstava i glavnih karakteristika elementarnih čestica.

Trenutno je utvrđeno mnoštvo svojstava elementarnih čestica poznatih u nauci. Štaviše, mnoga od ovih svojstava nemaju analoga među poznatim svojstvima makroskopskih objekata. Glavne karakteristike elementarnih čestica opisanih apstraktnim jezikom matematike su sledeće: masa, naelektrisanje, prosečan period postojanja, spin, izotropni spin, jednostrukost, sparivanje, naelektrisanje leptina, naelektrisanje boriona, međusobni uticaj. Pokušat ćemo okarakterizirati ovo svojstvo elementarnih čestica.

Jedno od najvažnijih svojstava koja karakteriziraju elementarne čestice je masa. Imajte na umu da se masa mirovanja elementarnih čestica određuje u odnosu na masu mirovanja elektrona (me=9,1×10-31 kg). Trenutno je raširenija klasifikacija elementarnih čestica ovisno o vrijednosti njihove mase mirovanja. Prema ovoj klasifikaciji, sve elementarne čestice se dijele u 4 grupe: 1) lake elementarne čestice - leptoni. To uključuje elektron, neutrino i njihove antičestice - pozitron, antineutrino, kao i pozitivne i negativne mu-mezone. Sa izuzetkom potonjeg, leptoni su stabilni prije ulaska u međusobni utjecaj i postoje u slobodnom stanju više od 1020 godina. Mu-mezoni nisu stabilne čestice; nakon što žive dvjesto milioniti dio sekunde, raspadaju se i pretvaraju u elektron, neutron i antineutron. Masa mirovanja neutrina i antineutrina je vrlo mala; zajedno su jednake 0,0005 mase elektrona.

2) čestice Prosječna masa- mezoni. Ovo uključuje pozitivne, negativne i neutralne pi mezone sa masom od 270 me - masa mirovanja, i neke vrste ka-mezona sa masom od 970 me. Svi mezoni su nestabilni i imaju vrlo kratak period postojanja (do 7-19 sekundi).

3) teške čestice - nukleoni. To uključuje proton, neutron i njihove antičestice - antiproton i antineutron. Proton i antiproton su stabilni, neutron i antineutron su nestabilne čestice i imaju relativno dug životni vijek - 17 minuta.

4) hiperoni su najteže čestice. Ova grupa uključuje mnogo čestica i antičestica. Masa hiperona je od 2182 me do 2585 me. Životni vijek svih hiperona je isti - 10-10 sekundi.

Ponekad se nukleoni i hiperoni kombinuju u jednu grupu zvanu barioni. Ova grupa može uključivati ​​i foton, koji čini posebnu grupu i kvant je elektromagnetnog polja. Unatoč činjenici da takva klasifikacija elementarnih čestica ne otkriva osnovne zakone koji ih ujedinjuju, u svakom slučaju pruža mogućnost proučavanja brojnih svojstava i transformacija čestica, pa čak i predviđanja postojanja nekih čestica. Treba napomenuti da se struktura materije i neiscrpnost svojstava nalaze ne samo u postepenom povećanju broja poznatih čestica, već i u manje važnoj činjenici međusobnog preobražaja čestica „elementarne“ materije. Definicija općenitosti (dualizma) u svojstvima čestica materije polja također je dovela do ideje o njihovoj međusobnoj transformaciji. Već neko vrijeme nakon otkrića pozitrona (1932.) postalo je poznato da se parovi materije elektron-pozitron, kada se spoje pod određenim uvjetima, pretvaraju u kvante svjetlosti - fotone, koji su čestice elektromagnetnog polja, i nastaju iz njih. Tada je postalo poznato da se takva međusobna transformacija događa ne samo između čestica materije i polja, koje su dvije vrste materije, već i između samih čestica materije. Kao rezultat toga, postalo je jasno da čestice materije nisu nepromjenjive i jednostavne, mogu se transformirati jedna u drugu u procesu međusobnog utjecaja, a mogu se formirati i apsorbirati od strane različitih kompleksa čestica. Još jedno važno svojstvo elementarnih čestica je njihov električni naboj, koji odražava njihovu povezanost s elektromagnetnim poljem. Jedan dio poznatih čestica ima pozitivan naboj, drugi dio ima negativan naboj, a neke čestice nemaju električni naboj. Pored fotona i oba mezona, svaka čestica ima antičesticu suprotnog naboja. Razlog zašto različite elementarne čestice nemaju nužno isti električni naboj i da neke elementarne čestice nemaju električni naboj još nam nije poznat. Vrlo je moguće da je to manifestacija još neotkrivenih dubokih unutrašnjih obrazaca elementarnih čestica zajedničkog u strukturi čestica. Jedan od značajnih fizičke karakteristike elementarne čestice - period njihovog postojanja. Prema periodu postojanja, elementarne čestice se dijele na stabilne, kvazistabilne i nestabilne (rezonantne) čestice. Postoji pet stabilnih čestica: foton, elektronski neutrono, mionski neutrono, elektron i proton. U strukturi makrotijela odlučujuću ulogu imaju stabilne čestice. Preostale čestice nisu stabilne. Ove čestice, koje se kreću od prosječnog životnog vijeka od 10-10 do 10-24 sekunde, na kraju se cijepaju na druge čestice. Kvazistabilne elementarne čestice sa prosječnim periodima postojanja od 10-10 do 10-24 sekunde nazivaju se rezonancije. Zbog kratkog perioda postojanja, ove čestice ne mogu napustiti atom ili jezgro atoma i raspasti se na druge čestice. Postojanje rezonantnih čestica samo je teoretski izračunato i još ih nije moguće uočiti u stvarnom eksperimentu.

Druga važna karakteristika čestica je spin. Spin je potpuno novo svojstvo čestica koje je inherentno samo njima i nema analoga u makroskopskoj fizici; njegov opis kao momenta mehaničkog momenta je sam po sebi grub i netačan. Na spin možemo gledati kao na posebnu „rotaciju“, analognu rotaciji čestice u makrokosmosu. Spin elementarnih čestica se mjeri u jedinicama i ne može se ni povećati ni smanjiti. Spin određuje opšti karakter vrsta statistike uključene u česticu (Bose-Einstein i Fermi-Dirac statistika) i doktrina koja opisuje njeno kretanje. Spin protona, neutrona i elektrona je S-e, spin fotona je 1-e. Čestice sa pola spina pokoravaju se Fermi-Diracovoj statistici i nazivaju se fermioni, čestice sa punim spinom pokoravaju se Bose-Einstein statistici i nazivaju se bozoni. Poznato je da u istoj situaciji, kada odjednom fermion više nije moguć, može postojati nekoliko bozona u istoj situaciji. Dakle, fermioni se ponašaju kao “individualisti”, bozoni – kao “kolektivisti”. Uprkos činjenici da ovo svojstvo unutrašnje prirode elementarnih čestica još nije u potpunosti proučeno, sada je utvrđena veza ovih svojstava sa svojstvima simetrije i asimetrije prostora. Spin se smatra manifestacijom stepena unutrašnje nezavisnosti u kretanju elementarnih čestica. Dakle, svaku elementarnu česticu karakterišu 4 stepena nezavisnosti: tri od njih su stepena vanjske slobode, koji izražavaju kretanje čestice u prostoru; jedan je unutrašnji stepen slobode spina. Postojanje spina takođe ukazuje na složenu strukturu čestice i određenu vrstu unutrašnjih veza. Jedno od važnih svojstava elementarnih čestica je i magnetni moment. Ovo svojstvo se javlja i kod nabijenih i nenabijenih čestica. Pretpostavlja se da je određeni dio magnetskog momenta nabijenih čestica određen njihovom lokacijom u prostoru. Na primjer, pretpostavlja se da je magnetni moment protona i neutrona posljedica struje koju stvaraju oblaci mezona okupljeni oko njih. Pogledajmo ovaj problem šire. Poznato je da uprkos činjenici da neutron nema električni naboj, on ima određenu količinu magnetnog momenta. Ovo pokazuje da magnetni moment čestice ne treba prvenstveno biti određen njenom unutrašnjom strukturom. IN u ovom slučaju Kako bi trebalo objasniti stvaranje neutronskog magnetnog momenta? Pretpostavlja se da se zbog činjenice da je neutron nestabilna čestica, disocira na proton i na pozitivni mezonski kvant mezonskog polja, a otprilike 25% njegovog postojanja je u ovoj poziciji. Dakle, neutron dobija 25% magnetnog momenta pozitivnog pimezona. Eksperimentalno uočeni magnetni moment neutrona je vrlo blizu teoretski izračunatom broju. Elementarne čestice, osim električnog naboja, dodatno karakteriziraju naboji leptona i bariona. Leptonski naboj svih leptona uzima se kao +1, a barionski naboj svih bariona se uzima kao +1. Uparivanje je takođe jedna od važnih karakteristika elementarnih čestica. Ova vrijednost se odnosi na desnu i lijevu simetriju. U teoriji elementarnih čestica, koordinate svake čestice karakterizira valna funkcija y, koja može, ali i ne mora promijeniti oznaku ovih koordinata kao zrcalne slike (x® -x, u® -u, z® -z ). U prvom slučaju, funkcija y je asimetrična ili jedna funkcija, uparivanje odgovarajuće čestice je +1, u drugom slučaju, funkcija y je simetrična ili uparena, ali se uparivanje čestice uzima kao -1 . Jedna od veoma bitnih karakteristika elementarnih čestica je i međusobna transformacija, praćena emisijom i apsorpcijom kvanta polja koji odgovaraju elementarnim česticama tokom perioda međusobnog uticaja. Ovi procesi, koji se međusobno razlikuju po intenzitetu pojavljivanja, određuju podjelu međusobnog utjecaja svojstvenog elementarnim česticama na 4 vrste: jak, elektromagnetni, slab i gravitacijski međusobni utjecaj. Svojstva elementarnih čestica uglavnom određuju jaki elektromagnetni i slabi međusobni uticaji. Jaki međusobni uticaji se javljaju na nivou atomskog jezgra, čiji sastavni delovi se sastoje od međusobnog privlačenja i odbijanja. Sile međusobnog uticaja, koje se nazivaju nuklearne sile, prostiru se na veoma malom rastojanju - 10-13 cm.Jaki međusobni uticaji, čvrsto vezujući protone i neutrone pod određenim uslovima, stvaraju materijalni sistem koji karakteriše visoka energija vezivanja - jezgro atoma. . Uprkos činjenici da su elektromagnetski međusobni uticaji približno 1000 puta slabiji od jakih međusobnih uticaja, radijus njihovog uticaja je blizu beskonačnosti. Ova vrsta međusobnog uticaja je karakteristična za električno nabijene čestice. Nosilac elektromagnetnog međusobnog uticaja je slobodan od električnog naboja i mase mirovanja fotona. Foton je kvant elektromagnetnog polja. Elektromagnetnim međusobnim uticajima, spajanjem jezgra atoma i elektrona u unificirani sistem, atomi se stvaraju, spajanjem, atomi stvaraju molekule. Elektromagnetski međusobni uticaji su glavni međusobni uticaji praćeni hemijskim i biološkim procesima.

Između različitih čestica postoje slabi međusobni uticaji. Slabi međusobni uticaji povezani sa procesom spontanog raspada čestica, na primer, sa procesom transformacije neutrona u jezgru u proton, elektron i antineutrino (n0® p+ + e- +n), mogu se protezati na veoma mala udaljenost (10-15 - 10-22 cm). Prema savremenim naučnim saznanjima, većina čestica je nestabilna samo zbog slabih međusobnih uticaja. Gravitacioni međusobni uticaji su izuzetno slabe sile koje se uzimaju u obzir u teoriji elementarnih čestica. Poređenja radi, napominjemo da su one 1040 puta slabije od jakih sila koje se međusobno utječu. Međutim, za ultra-male udaljenosti (reda 10-33 cm) i ultra-visoke energije, gravitacijske sile postaju značajne, po svojoj snazi ​​poprimaju dostojan oblik za usporedbu s drugim vrstama međusobnog utjecaja. Na kosmičkom planu, gravitacioni međusobni uticaji igraju odlučujuću ulogu. Radijus uticaja ovih sila je neograničen. U prirodi između elementarnih čestica djeluje ne jedan, već ponekad više vrsta međusobnog utjecaja i svojstava, a struktura čestica određena je zajedništvom svih vrsta međusobnog utjecaja koji učestvuju. Na primjer, proton, koji je dio hadronskog tipa elementarnih čestica, učestvuje u snažnom međusobnom utjecaju, a u elektromagnetnom međusobnom utjecaju zbog činjenice da je električno nabijena čestica. S druge strane, proton može nastati u b raspadnom procesu neutrona, odnosno u slabim međusobnim utjecajima, pa se povezuje sa slabim međusobnim utjecajima. I konačno, proton, kao materijalna formacija sa masom, učestvuje u gravitacionim međusobnim uticajima. Za razliku od protona, određeni broj elementarnih čestica učestvuje u svim vrstama međusobnog uticaja, ali samo u nekim od njihovih tipova. Na primjer, neutron, zbog činjenice da je nenabijena čestica, ne učestvuje u elektromagnetnim međusobnim utjecajima, a elektron i mu-mezon ne učestvuju u snažnim međusobnim utjecajima. Fundamentalni međusobni uticaji razlog su transformacije čestica – njihovog uništavanja i generisanja. Na primjer, sudar neutrona i protona proizvodi dva neutrona i jedan pozitivan pimezon. Period transformacije elementarnih čestica zavisi od sile međusobnog uticaja. Nuklearne reakcije, povezane sa jakim međusobnim uticajima, javljaju se za 10-24 - 10-23 sekunde. To je period kada se elementarna čestica transformiše u česticu visoke energije i postiže brzinu blisku brzini svjetlosti, dimenzija reda 10-13 cm.Promjene uzrokovane međusobnim elektromagnetnim utjecajima nastaju u 10-21 - 10- 19 sekundi, zbog slabih međusobnih uticaja promene (npr. proces raspadanja elementarnih čestica) - za 10-10 sekundi. Period različitih promjena koje se dešavaju u mikrokosmosu može se pristupiti sa stanovišta razmišljanja o stvaranju međusobnih utjecaja. Kvanti međusobnog uticaja elementarnih čestica ostvaruju se kroz fizička polja koja odgovaraju ovim česticama. U savremenoj kvantnoj teoriji, polje se shvata kao sistem čestica koje se menjaju u broju (spolni kvanti). Stanje kada polje, i općenito, kvanti polja postoje s najnižom energijom, naziva se vakuum. Čestice elektromagnetnog polja (fotoni) u vakuumu u stanju ekscitacije gube mehanička svojstva koja sadrže i koja su svojstvena korpuskularnoj materiji (na primjer, prilikom kretanja tijelo ne osjeća trenje). Vakum ne sadrži jednostavne vrste materije, međutim, uprkos tome, on nije praznina u pravom smislu te riječi, pa u vakuumskoj pobudi nastaju kvanti elektromagnetnog polja - fotoni koji ostvaruju elektromagnetski međusobni utjecaj. U vakuumu, osim elektromagnetnog polja, postoje i druga fizička polja, uključujući i gravitaciono polje, koje još nije zabilježeno u takozvanim gravitonskim eksperimentima. Kvantno polje je skup kvanta i diskretno je po prirodi. Dakle, međusobni utjecaj elementarnih čestica, njihove međusobne transformacije, emisija i apsorpcija fotona je diskretne prirode i javlja se samo u situaciji kvantizacije. Kao rezultat, postavlja se pitanje: u čemu se tačno manifestuje kontinuitet polja, njegov kontinuitet? I u kvantnoj elektrodinamici i u kvantnoj mehanici, stanje polja se nedvosmisleno opisuje ne vidljivim stvarnim fenomenima, već samo talasnom funkcijom povezanom sa recipročnim konceptom. Kvadrat modula ove funkcije pokazuje sposobnost posmatranja fizičkih pojava koje se razmatraju. Glavni problem kvantne teorije polja je opis razne vrste međusobni uticaji čestica u odgovarajućim jednačinama. Ovaj problem je do sada našao svoje rješenje samo u kvantnoj elektrodinamici, koja opisuje međusobne utjecaje elektrona, pozitrona i fotona. Kvantna teorija polja još nije stvorena za jake i slabe međusobne utjecaje. Trenutno se ove vrste međusobnog uticaja ne opisuju strogim metodama. Iako je poznato da je nemoguće razumjeti elementarne čestice ako se ne nalaze u odgovarajućoj fizičkoj teoriji, nemoguće je razumjeti njihovu strukturu, determiniranu strukturom ovih teorija. Dakle, problem strukture elementarnih čestica još nije u potpunosti riješen. Moderna fizika trenutno dokazuje postojanje složenih čestica koje imaju unutrašnju strukturu čestica koje se smatraju "elementarnim". Postalo je poznato da proton i neutron, kao rezultat virtualnih procesa koji se odvijaju u njima, prolaze kroz unutrašnje transformacije. Kao rezultat eksperimenata provedenih za proučavanje strukture protona, utvrđeno je da je proton, koji se donedavno smatrao nedjeljivim, najjednostavnijim i najbestrukturnijim, zapravo složena čestica. U njegovom centru nalazi se gusto jezgro nazvano „jezgro“, okruženo je pozitivnim pi mezonima. Složenost strukture „elementarnih“ čestica dokazana je hipotezom kvarka koju su 1964. iznijeli američki naučnik Hel-Mann i nezavisno švedski naučnik Zweig. Prema ovoj hipotezi, elementarne čestice sa vezama koje karakterišu jaki međusobni uticaji (hadroni: proton, neutron, hiperoni) treba da budu formirane od čestica kvarka čiji je naboj jednak jednoj trećini ili dve trećine naelektrisanja elektrona. Dakle, teorija pokazuje da električni i barionski naboj označenih kvarkova koji formiraju čestice treba izraziti kao frakcijski broj. Zaista, čestice zvane kvarkovi još uvijek nisu otkrivene i ostaju hipotetički stanovnici mikrosvijeta na sadašnjem nivou naučnog razvoja.

Zaključak

Dakle, s jedne strane, jasno je da elementarne čestice imaju posebnu strukturu, s druge strane, priroda ove strukture i dalje ostaje nejasna. Iz gornjih podataka postaje jasno da elementarne čestice uopće nisu elementarne, imaju unutrašnju strukturu i mogu se podijeliti i transformirati jedna u drugu. Još uvijek znamo vrlo malo o obje strukture. Dakle, danas, na osnovu niza činjenica, možemo tvrditi da je materija elementarnih čestica nova vrsta, kvalitativno različita od složenijih čestica (jezgra, atom, molekul). Istovremeno, ova razlika je toliko značajna da se kategorije i izrazi koje koristimo prilikom proučavanja jezgara, atoma, molekula, makroskopskih tijela („jednostavna“ i „složena“, „unutrašnja struktura“, „formirana“) mogu primijeniti i na elementarne čestice. Pojmovi “jednostavno i složeno”, “komponentni dijelovi”, “struktura”, “cjelina” su općenito relativni pojmovi. Na primjer, unatoč činjenici da atom ima složenu strukturu, a njegova struktura se sastoji od nuklearnih i elektronskih slojeva, on je jednostavniji u usporedbi s njegovim sastavnim molekulom. U hijerarhiji struktura materijalnih sistema, atomsko jezgro, atom, molekula i makroskopska tela sami stvaraju jedan strukturni nivo. Stoga su elementi tijela, u poređenju sa elementima sljedećeg nivoa, jednostavniji i djeluju kao njihovi sastavni dijelovi. S druge strane, oni su složeniji u odnosu na elemente koji se nalaze na nižim nivoima i koji su njihove komponente. Svi sistemi, počevši od jezgra atoma do onih vrlo velikih veličina, imaju ovo svojstvo: u svakom od njih moguće je odvojiti strukturne elemente koji formiraju tijela koja se razmatraju i koji su jednostavniji od elemenata na nižem nivou na njihove sastavne dijelove. dijelovi. U smislu njihovog značenja, procesi konsolidacije i razdvajanja su isti. Na primjer, molekuli određene kemijske tvari sastoje se od određenog broja atoma i mogu se razbiti na njih pod određenim uvjetima. U ovom slučaju, masa složene cjeline veća je od mase svakog njenog sastavnog dijela. Ova zadnja pozicija nije tačna za elementarne čestice. Dakle, proizvodi raspada elementarnih čestica nisu jednostavniji od djeljivih, ali egzaktno „transformirajućih“ čestica. Oni su takođe elementarne čestice. Prema moderne ideje Proizvodi raspada, zajedno sa česticama koje ih stvaraju, nalaze se na jednom nivou hijerarhije. Na primjer, neutron se pod određenim uvjetima dijeli na proton, elektron i antineutron (n0 ®p+ + e- +). Iako neutron nije ništa složeniji ili jednostavniji od protona, elektrona i antineutrona. Osim toga, proton i elektron mogu se dobiti kao rezultat drugih reakcija. Stoga možemo reći da je mogućnost svake elementarne čestice da može biti „komponenta“ drugih elementarnih čestica. S druge strane, nije toliko važno da se na svakom osnovnom nivou cjelina sastoji od tako velike akumulacije. U ovom slučaju, masa cjeline može biti čak nekoliko puta manja od mase njenih komponenti. Na primjer, u brojnim slučajevima, kao rezultat spajanja nyuklona i antinyuklona, ​​dobije se mezon čija je masa manja od mase bilo kojeg od njih. Ova anomalija se objašnjava činjenicom da tokom stvaranja elementarne čestice masa koja apsorbuje oslobođenu energiju

može biti toliko velika da rezultirajući produkti reakcije uopće nisu slični izvornoj čestici. Stoga u svijetu elementarnih čestica pojmovi „jednostavno i složeno“, „komponenta“, „struktura“, „cjelina“ dobijaju potpuno drugačije značenje nego u atomskoj fizici i klasičnoj fizici. Specifičnost elementarnih čestica se manifestuje i u energetskim međusobnim uticajima. Počevši od makroskopskih objekata i završavajući jezgrom atoma, energija svih materijalnih sistema se formira od dvije komponente: posebne koja odgovara masi tijela (E=mc2) i energije vezivanja njegovih sastavnih elemenata. Iako su ove vrste energije neodvojive jedna od druge, one su po prirodi potpuno različite. Posebna energija objekata je mnogo veća od energije njihove povezanosti, ona se može razdvojiti na sve svoje sastavne dijelove. Na primjer, zbog vanjske energije, molekul se može podijeliti na atome (H2O®H+O+H), ali u tom slučaju neće doći do primjetne promjene u samim atomima. U elementarnim česticama ovaj problem poprima drugačiji oblik. Sva energija elementarnih čestica nije podijeljena na specijalnu i vezujuću. Stoga, uprkos činjenici da elementarne čestice nemaju unutrašnju strukturu, one se ne mogu podijeliti na sastavne dijelove. Elementarne čestice ne sadrže unutrašnje čestice koje ostaju manje-više nepromijenjene. Prema modernim konceptima, struktura elementarnih čestica opisuje se pomoću kontinuirano generiranih i kontinuirano dijeljenih „virtuelnih“ čestica. Na primjer, anihilacija mezona (od latinske riječi “annihilatio” - destrukcija) nastaje od kontinuirano stvaranih, a zatim nestajajućih virtualnih nukleona i virtualnih antinukleona. Formalni napredak koncepta virtuelne čestice pokazuje da se unutrašnja struktura elementarnih čestica ne može opisati pomoću drugih čestica. Teorija o porijeklu i strukturi elementarnih čestica koja zadovoljava fizičare još nije stvorena. Brojni istaknuti naučnici došli su na ideju da se ova teorija može kreirati uzimajući u obzir samo kosmičke uslove. Ideja o stvaranju elementarnih čestica iz vakuuma u sili, elektromagnetnim i gravitacionim poljima dobija značajan značaj. Jer odnos između mikro, makro i mega svijeta oličen je samo u ovoj ideji. U megasvijetu, struktura i međusobne transformacije elementarnih čestica određuju se fundamentalnim međusobnim utjecajima. Očigledno je da je za adekvatno opisivanje strukture materijalnog svijeta potrebno razviti aparaturu novih pojmova.

Bibliografija

1. Makovelsky. Drevni grčki atomisti. Baku, 1946.

2. Kudryavtsev. Kurs istorije fizike. M., Obrazovanje, 1974, str.179.

3. Filozofija prirodnih nauka. M., 1966, str.45; E.M. Balabanov. U dubine atoma, M., 1967.

4. Filozofija i prirodne nauke. M., 1964, str. 74-75; S.T. Melyukhin. Ka filozofskoj procjeni modernih koncepata polja i materije. U knjizi: Dijalektički materijalizam i moderne prirodne nauke, M., 1957, str. 124-127.

5. Kuznjecov B. Putevi fizičke misli. Ed. "Nauka", M., 1968, str. 296-298

6. Akhizer A.I., Rekalo M.P. Biografija elementarnih čestica, Kijev, 1978.

7. Stanyukovich K.P., Lapchinsky V.G. Sistematika elementarnih čestica.

8. U knjizi: O sistematici čestica, M., 1969, str. 74-75.

9. Balabanov E.M. Duboko u atom. M., 1967, str. 38-39.

10. Novozhilov Yu.V. Elementarne čestice. M., 1974; Sproul R. Moderna fizika. M., 1974;

11. Soddy F. Istorija atomske energije. M., 1979.

12. Gott V.S. O neiscrpnosti materijalnog svijeta. M., “Znanje”, 1968, str.31.

13. Knyazev V.N. Koncepti interakcije u modernoj fizici. M.

14. Svečnikov G.A. Beskonačnost materije. M., 1965, str. 17-21; Omelyanovski M

Objavljeno na Allbest.ru

Slični dokumenti

Osnovni pojmovi, mehanizmi elementarnih čestica, vrste njihovih fizičkih interakcija (gravitaciona, slaba, elektromagnetna, nuklearna). Čestice i antičestice. Klasifikacija elementarnih čestica: fotoni, leptoni, hadroni (mezoni i barioni). Teorija kvarkova.

kurs, dodato 21.03.2014


Osnovne karakteristike i klasifikacija elementarnih čestica. Vrste interakcija između njih: jaka, elektromagnetna, slaba i gravitaciona. Sastav atomskih jezgara i svojstva. Kvarkovi i leptoni. Metode, registracija i istraživanje elementarnih čestica.

kurs, dodan 12.08.2010


Fundamentalne fizičke interakcije. Gravitacija. Elektromagnetizam. Slaba interakcija. Problem jedinstva fizike. Klasifikacija elementarnih čestica. Karakteristike subatomskih čestica. Leptoni. Hadroni. Čestice su nosioci interakcija.

teza, dodana 05.02.2003


Strukture i svojstva materije prvog tipa. Strukture i svojstva materije drugog tipa (elementarne čestice). Mehanizmi raspada, interakcije i rađanja elementarnih čestica. Uništenje i implementacija zabrane naboja.

sažetak, dodan 20.10.2006


Karakteristike metoda za posmatranje elementarnih čestica. Pojam elementarnih čestica, vrste njihovih interakcija. Sastav atomskih jezgara i interakcija nukleona u njima. Definicija, istorija otkrića i vrste radioaktivnosti. Najjednostavnije i lančane nuklearne reakcije.

sažetak, dodan 12.12.2009


Svojstva svih elementarnih čestica. Veza između protona i neutrona u atomskim jezgrama. Klasifikacija elementarnih čestica. Veličina razlike između masa neutrona i protona. Gravitacijske interakcije neutrona. Eksperimentalna vrijednost životnog vijeka miona.

sažetak, dodan 20.12.2011


Scenario za razvoj Univerzuma poslije Veliki prasak. Moderne ideje o elementarnim česticama kao temeljnom principu strukture materije u Univerzumu. Klasifikacija elementarnih čestica. Dualnost talas-čestica u modernoj fizici. N. Borova teorija atoma.

sažetak, dodan 17.05.2011


Rutherfordov planetarni model atoma. Sastav i karakteristike atomskog jezgra. Masa i energija vezivanja jezgra. Energija vezivanja nukleona u jezgru. Interakcija između nabijenih čestica. Veliki hadronski sudarač. Odredbe teorije fizike elementarnih čestica.

kurs, dodato 25.04.2015


Elementarna čestica je čestica bez unutrašnje strukture, odnosno koja ne sadrži druge čestice. Klasifikacija elementarnih čestica, njihovi simboli i masa. Naboj boje i Paulijev princip. Fermioni kao osnovne sastavne čestice sve materije, njihovi tipovi.

prezentacija, dodano 27.05.2012


Klasifikacija elementarnih čestica. Fundamentalne interakcije. Rutherfordov model atoma. Borova teorija za atom vodonika. Atom vodonika u kvantnoj mehanici. Kvantnomehanička potkrepa periodičnog zakona D. Mendeljejeva. Koncept radioaktivnosti.

Sve trenutno poznate elementarne čestice mogu se podijeliti u grupe prema njihovim općim svojstvima i odnosu prema interakciji. U prirodi su poznate četiri takve interakcije: jaka, elektromagnetna, slaba i gravitaciona.

Jaka interakcija ima najveći intenzitet u odnosu na druge interakcije. Utvrđuje vezu između protona i neutrona u jezgri atoma (putem razmjene virtualnih n-mezona), što osigurava izuzetnu snagu ovih formacija.

Elektromagnetski interakcija karakteriše manje intenzivne procese. Određuje vezu atomskih elektrona sa jezgrima, vezu atoma u molekulima, kao i interakciju materije sa elektromagnetnim poljima.

Slabo interakcija karakteriše procese povezane sa samim česticama, posebno sa (β-raspadom, kao i raspadom μ, π, K-mezona i hiperona. Pokazalo se da je slaba interakcija univerzalne prirode, sve čestice učestvuju u Životni vijek većine ovih čestica je u rasponu od 10 -8 - 10 -10 s, dok je tipično vrijeme jakih interakcija 10 -23 -10 -24 s. Ilustracija takve interakcije je činjenica da neutrini , sposoban samo za slabe interakcije, može nesmetano proći na udaljenosti od ~10 14 km.

Gravitacijski interakcija, tako poznata po svojim makroskopskim manifestacijama, u slučaju elementarnih čestica proizvodi izuzetno beznačajne efekte zbog male veličine njihove mase. Međutim, ovi efekti se također značajno povećavaju u mikrokosmosu na udaljenostima reda od 10 -33 cm, budući da se povećava masa generiranih čestica. Ove interakcije igraju dominantnu ulogu u megasvijetu.

Poređenje ove četiri interakcije po bezdimenzionalnim parametrima povezanim s kvadratima odgovarajućih interakcijskih konstanti daje sljedeće omjere za jake, elektromagnetne, slabe i gravitacijske: 1:10 -3:10 -10:10 -38. Uopšteno govoreći, intenzitet različitih procesa različito zavisi od energije, pa se povećanjem energije interakcijskih čestica menja relativna uloga različitih interakcija.

U zavisnosti od njihovog učešća u određenim vrstama interakcija, sve čestice, kao što smo već naveli, mogu se podeliti u četiri grupe.

Grupa I: e, μ, τ, ν e, ν μ, ν τ - leptoni učestvuju u slabim i elektromagnetnim interakcijama; II grupa sastoje se od čestica koje su u jakoj interakciji (sada ih ima više od 300), tzv hadrona(takođe učestvuju u slabim i elektromagnetnim interakcijama).

Proučavanje adrona dovelo je do zaključka da oni imaju nešto zajedničko u svojoj strukturi. Godine 1964. M. Gell-Mann i J. Zweig su postavili hipotezu da struktura svih hadrona uključuje objekte egzotične po svojim karakteristikama, tzv. kvarkovi. Pretpostavljalo se da postoje tri tipa kvarkova u, d, s, čiji su naboji razlomak e u = + 2 / 3, e d = e s = - 1 / 3 naboja elektrona, a mase m u = m d ~300 MeV, m s ~450 MeV. Nakon toga, kako je logika razvoja teorije zahtijevala, za opisivanje slabih interakcija hadrona (slabih raspada) bilo je potrebno uvesti još jednu vrstu kvarkova, takozvane c-kvarkove sa nabojem e c = e u = + 2 / 3 elektrona naboj. Ovaj kvark karakteriše novi kvantni broj koji se zove šarm.

Novembra 1974. otkrivena je nova čestica J/ψ sa neobična svojstva(masa 3,1 GeV je otprilike tri puta veća od mase protona), životni vijek ~10 -20 s (tj. 1000 puta duži od bilo koje ranije poznate čestice s takvim velika masa). Raspada se na parove e + + e - ili μ + + μ - . Ubrzo je otkrivena i čestica, nazvana ψ" (masa 3,7 GeV).

Eksperimenti su pokazali da J/ψ, ψ" čestice pripadaju čitavoj porodici mezona, što dobro odgovara spektru čarmonijuma sa efektivnom masom koja odgovara predviđenoj masi c-kvarka (m c ≈1,6 GeV). Potvrda postojanja c-kvarka je neophodna. Bilo je moguće otkriti hadrone sa očiglednim „šarmom“. Sada su otkriveni fenomeni koji ukazuju na rađanje šarmiranih čestica.

Fizičari vjeruju da je postojanje c-kvarka eksperimentalno potvrđeno. Ali budući da je postojanje c-kvarkova bilo zasnovano na pretpostavci o postojanju lakih kvarkova - u, d, s, otkriće šarmiranih hadrona je od fundamentalne važnosti za potvrdu istinitosti cjelokupne hipoteze o kvarku.

Teoretski fizičari došli su do zaključka da kvarkovi svake vrste moraju biti u jednom od tri stanja, koja se danas obično karakterišu sa tri cveće(na primjer, žuta, plava, crvena); oni sugerišu da je jaka interakcija kvarkova interakcija njihove boje sa novim poljem, tzv. gluonski (od engleskog glue - ljepilo, jer ovo polje kao da "lijepi" kvarkove u hadronu). Kvanti gluonskog polja - gluoni- ne učestvuju u elektromagnetnim i slabim interakcijama. Oni ne samo da mijenjaju stanje boje kvarka, već i sami nose boju i stupaju u interakciju s poljem gluona. Sve je to potaknulo, po analogiji s kvantnom elektrodinamikom, novu granu fizike - takozvanu kvantnu hromodinamiku.

Važno je naglasiti da se kvarkovi i gluoni ne opažaju u slobodnom stanju, ne „izlijeću“ iz hadrona.

Postoje posebne studije koje dokazuju fundamentalnu nemogućnost postojanja kvarkova u slobodnom stanju.

Fizičari već dugo pokušavaju stvoriti konzistentnu teoriju slabih interakcija. Godine 1967. S. Weinberg i A. Salam predložili su verziju takve teorije - izgradili su model zasnovan na korištenju opšti principi simetrija. Ova teorija je predvidjela postojanje ranije nepoznatih čestica - kvanta posebnih vektorskih polja odgovornih za prijenos i slabih i elektromagnetnih interakcija.

Dvije od ovih W ± čestica moraju imati naelektrisanje i mogu se zapravo posmatrati, jer, po njihovom mišljenju, razmjena nabijenih W ± mezona dovodi do slabe interakcije takozvanih nabijenih struja. Što se tiče dvije neutralne čestice W°, B°-kvanta neutronskih polja, kvanti bilo koje njihove linearne kombinacije mogu biti fizički vidljivi:

gdje je Θ W takozvani Weinbergov ugao.

Pokazalo se da se jedna njihova kombinacija - tzv. polje A - poistovjećuje sa elektromagnetnim poljem, a razmjena neutralnih Z° mezona dovodi do novog tipa slabih interakcija - tzv. neutralne struje, koji su otkriveni 1973. Postali su prva potvrda relativne istinitosti Weinberg-Salamovog modela. Trenutno su čestice W ± i Z° otvorene.

Također je potrebno obratiti pažnju na otkrivanje novih leptona. Ovo je izuzetno rijedak događaj. Dovoljno je podsjetiti da je elektron (e) otkriven 1897. godine, a mion (μ) 1936.-1938. Godine 1975-1976 pojavili su se dokazi u prilog postojanju τ ±, takozvanog teškog leptona sa masom od 1,8 GeV (2 Mr). Proučavanje τ leptona pruža još jedan argument u korist tri stanja kvarkova. Također je sugerirano da postoji novi lepton (v τ - novi neutrino), τ-lepton ima novi leptonski kvantni broj, koji je nazvan sekvalepton(od engleskog sekvencijalno - sekvencijalno).

Dalja istraživanja su dovela do zaključka da bi za obnavljanje simetrije bilo potrebno povećati broj kvarkova. Četiri više nisu bila dovoljna za opisivanje objekata mikrosvijeta, bilo je potrebno uvesti još dva kvarka. Činjenica je da je u maju - junu 1977. grupa L. Ledermana dobila važne rezultate, naime, otkriće nove porodice teških čestica s masama od ~10 GeV.

Otkriće ovih čestica (nazvane su γ-mezoni) oživjelo je potrebu za postojanjem još težeg “b” kvarka efektivne mase m b ~5 ​​GeV s novim kvantnim brojem, nazvanim “ljepota”.

Novi γ mezoni su čestice sa skrivenim šarmom. Tako je proučavanje adrona i leptona obogatilo nauku znanjem o novim objektima, njihovim kvantitativnim i kvalitativnim karakteristikama i njihovim interakcijama. Sve ovo ukazuje na početak nova era u proučavanju neiscrpnih svojstava mikro-objekata, koji zajedno sa raznim oblastima čine fragment integralnog materijalnog svijeta.

Sada postoji nada za stvaranje jedinstvene teorije interakcije. Svojevremeno je A. Ajnštajn pokušao da stvori takvu teoriju polja. W. Heisenberg je također uložio mnogo napora da izgradi jedinstvenu (tzv. spinor) teoriju „primordijalne materije“. Sada smo svjedoci pojave još jedne verzije ujedinjene teorije interakcije, nazvane Veliko ujedinjenje.

Već je bilo moguće stvoriti jedinstvenu elektroslabu interakciju, a postignuti su ohrabrujući rezultati u kombinovanju jake i elektroslabe interakcije; Štaviše, same jake i slabe interakcije su njegova manifestacija. Izvan ujedinjenja gravitaciona interakcija i dalje ostaje, ali već postoje pristupi da se ona (supersimetrija) uključi u jedinstvenu teoriju interakcije.

Savremeni razvoj fizike elementarnih čestica omogućio je da se pokaže da poznate čestice (leptoni, hadroni, kvarkovi, gluoni, fotoni) značajno određuju specifičnosti procesa mikrosvijeta. Očigledno, ova lista je daleko od potpune, kao i sama teorija elementarnih čestica.

Kao što je navedeno, fizika elementarnih čestica ima obilje empirijskog materijala, a teorija već daje racionalno objašnjenje za značajan dio toga. Međutim, ona i dalje značajno zaostaje za eksperimentom i nije interno zatvoren sistem određenih principa i koncepata, iako je njegov konceptualni aparat mnogo prostraniji i razlikuje se od aparata prethodno postojećih teorija.

Razmotrimo sada u retrospektivi neke pokušaje da se izgradi jedinstvena teorija koja pokriva sve čestice i polja. Ovdje postoje dva glavna trenda, koji su u konačnici međusobno povezani. Prvi od njih proizlazi iz ideje Louisa de Brogliea, koja se sastoji u zasnivanju najjednostavnije valne funkcije spinornog tipa, opisujući česticu s minimalnim ugaonim momentom koji ne nestaje, tj. spinom S = 1/2 (u dijelovima od h / 2π) . Zatim, kombinujući ove talasne funkcije (konačno množeći), pod nekim dodatnim uslovima dobijamo kroz slično „spajanje“ sve druge moguće talasne funkcije čestica sa spinovima 0,1; 3/2; 2... Kombinujući dva ugaona momenta + 1/2 i - 1/2, dobijamo 0, kombinujući dva ugaona momenta + 1/2 i + 1/2, dobijamo 1 (pošto spinovi + 1/2 mogu biti samo orijentisana paralelno ili antiparalelno). Koristeći metodu fuzije, moguće je, kombinacijom dvije Diracove jednačine koje opisuju spin čestice („fermione“), dobiti Klein-Gordon i Prock jednadžbe, au posebnom slučaju nestajuće mase mirovanja - Maxwellove jednačine elektrodinamike. Na ovaj način je u principu moguće konstruisati fotone iz parova neutrino-antineutrino. Ideje o neutrinskoj teoriji svjetlosti Louisa de Brogliea razvili su Kronig, Jordan i A. Sokolov.

Slaba tačka metode spajanja je odsustvo bilo kakvih sila koje određuju samo spajanje. Ostaje nejasno šta uzrokuje, na primjer, neutrina da se pretvore u kvante elektromagnetnog polja. Takozvana nelinearna unificirana spinorska teorija materije W. Heisenberga pokušala je odgovoriti na ovo pitanje. Naziv ove teorije je očigledno nesretan. Diskusija je bila o stvaranju jedinstvene teorije elementarnih čestica i polja, a ne o teoriji materije, jer jedina teorija materije kao objektivne stvarnosti koja postoji izvan i nezavisno od subjekta koji spoznaje jeste dijalektički materijalizam. Ako uzmemo neko ujedinjeno spinorno polje kao osnovu nove teorije, onda je ono sposobno za interakciju samo sa samim sobom. To dovodi do pojave takozvanih nelinearnih članova u Diracovim jednačinama (koje je prvi uveo D. Ivanenko još 1938. godine), a zatim ih je detaljnije razmotrio W. Heisenberg (193, 441-485; 34).

Ova teorija ne daje točne vrijednosti za mase čestica i konstante spajanja, ali je nesumnjivo jedan od pokušaja koji zaslužuje pažnju, iako nije bez svojih nedostataka. Ovo je samo istraživački program koji ne treba precijeniti, kao što je to već bio slučaj u pojedinačnim tekstovima objavljenim u našoj štampi.

Mora se imati na umu da je prije nekoliko godina otkrivena neispravnost matematičke interpretacije Heisenbergove spinorne teorije, a također se pokazalo da neodređena metrika koju je uveo Heisenberg dovodi do narušavanja mikrokauzalnosti. Može se s razlogom vjerovati da je Heisenbergov konkretan pokušaj da stvori jedinstvenu teoriju elementarnih čestica do sada propao, ali ne treba odbaciti smjer istraživanja koji je odabrao. poslednjih godina Postoji svojevrsni povratak idejama W. Heisenberga.

Godine 1958. u SAD-u, kada je Pauli izvijestio o Heisenbergovoj teoriji, N. Bohr, koji je bio prisutan na diskusiji, dao je primjedbu: “Za novu teoriju, Heisenbergova teorija nije dovoljno luda” (ludo) (23, 20). N. Bohr je mislio na odsustvo neobične, neobične ideje u ovoj teoriji. Po našem mišljenju, fizičari još nemaju takvu ideju. Akademik I. Tamm smatrao je da je pravac koji najviše obećava u razvoju teorije elementarnih čestica pokušaji da se radikalno revidiraju naši prostorno-vremenski koncepti primijenjeni na ultra-male razmjere. On se poziva na izjave akademika L. T. Mandelstama o neprimjenjivosti običnih koncepata prostora i vremena na nuklearne razmjere, kao i na rad X. Snydera (1947.), koji je predložio metodu za kvantiziranje prostora i vremena, što dovodi do zaključak da je prostor diskretan. Snyder je pokazao da je kvantizirani prostor, odnosno prostor koordinata koje ne komutiraju jedna s drugom, diskretan i istovremeno izotropan. Međutim, Snyderove ideje gotovo nisu dobile daljnji razvoj, s izuzetkom djela Golfanda i Kadyshevskog.

V. G. Kadyshevsky (50. 1961. 136. (1)) je predložio uvođenje univerzalne dužine “l” u teoriju elementarnih čestica na osnovu promjena u geometriji prostor-vremena. Smatrao je da nova geometrija mora zadovoljiti sljedeće uslove:

a) oblik S 2 = X 2 0 - X 2 2 nije invarijantan u odnosu na transformaciju koordinata, a grupa kretanja bi omogućila niži stepen izotropije 4-prostora od Lorencove grupe;

b) neinvarijantnost intervala i prisustvo univerzalne dužine bili bi razlozi za neočuvanje parnosti;

c) mora postojati podgrupa za koju je S 2 invarijantna, tako da se mogu opisati simetrije velikih oblasti 4-prostora - velikih u poređenju sa elementarnom dužinom "l". Autor povezuje dužinu "l" sa vrijednošću C - univerzalnom konstantom slabe interakcije. Nakon odabira množitelja " h" i "C" za "l" prati vrijednost 7*10 -17 cm. Ovo i rad koji je uslijedio su vrlo interesantni, ali za sada su mogućnosti ove teorije ostale nejasne.

Godine 1959. kanadski fizičar H. Coish i sovjetski fizičar I. S. Shapiro su u svom istraživanju razmatrali diskretni prostor koji se sastoji od konačnog broja elemenata i pokazali dobro slaganje niza zaključaka s eksperimentalnim podacima. Ovo je također jedan od mogućih puteva pretraživanja koji nas približava stvaranju sistematike elementarnih čestica, novoj generalizirajućoj fizikalnoj teoriji. Međutim, I. S. Shapiro, govoreći 1962. na Mitingu na filozofski problemi fizičar elementarnih čestica, svoj rad je ocenio kao početnu fazu, veoma udaljenu od stvaranja teorije koja dozvoljava poređenje sa iskustvom. Filozofska analiza Ovaj problem je dao R. A. Aronov (31.1957.3).

U fizici su razmatrana pitanja o takozvanim spektralnim reprezentacijama i disperzijskim odnosima. Prema brojnim fizičarima, ovo je bila neka vrsta nova faza u njegovom razvoju, kada su proučavana analitička svojstva fizičkih veličina (na primjer, amplituda raspršenja) kako su se nastavile od stvarnih vrijednosti u kompleksno područje. Primjena teorije funkcija kompleksne varijable na ove veličine dala je izuzetno važne rezultate. Mandelstam (99) je uveo odnose dvostruke disperzije, uzimajući u obzir kompleksne vrijednosti ne samo energije, već i impulsa. Regge je predložio generalizaciju formalizma S-matrice i disperzijskih odnosa u kompleksne vrijednosti ugaonog momenta. Kao rezultat primjene "registra", utvrđeni su odnosi između amplituda vjerovatnoće različitih procesa raspršenja: ππ, πN, NN, itd. pri visokim energijama. Međutim, postoje podaci (iz oblasti fizike ultra-visokih energija) koji ograničavaju tvrdnje „registra” na sveobuhvatnost njihovih ideja.

Akademik I. Tamm smatrao je teoriju disperzije u određenoj mjeri fenomenološkom, budući da ona, ne ulazeći u mehanizam elementarnih fizičkih pojava, iz eksperimentalnih podataka izdvaja numeričke vrijednosti niza parametara koji su u nju uključeni i zatim ispravno predviđa rezultati mnogo šireg spektra eksperimenata od onih na osnovu kojih su ovi parametri određeni. U drugom izdanju ove knjige pisali smo (str. 194) da iako na prvi pogled postoji blisko jedinstvo teorije i prakse, čini nam se da je sama teorija recepturne prirode. Složili smo se sa zaključkom I. Tamma da „uspjesi teorije disperzije (i sadašnji i budući) uopće ne rješavaju glavni problem stvaranja nove fizičke teorije zasnovane na ograničenom broju općih principa i postulata“ (23, 21) . Kasniji razvoj fizike potvrdio je ove pretpostavke. Bilo je mnogo drugih pokušaja da se izgradi teorija elementarnih čestica. Pogledajmo ukratko neke od njih.

Fermi i Young su predložili da se smatra da je n-mezon nastao od nukleona i antinukleona uz pomoć nekih još nepoznatih sila koje djeluju na ekstremno kratkim udaljenostima p+¯p = π. Ogromna potencijalna energija vezivanja "pojede" gotovo cijelu masu oba nukleona, ostavljajući samo masu piona. Zanimanje je izazvao prijedlog S. Sakate, koji je teoriju zasnovao na p, π, λ i tri odgovarajuće antičestice. Zatim, kombinovanjem ovih osnovnih čestica, možete dobiti sve pione, K-mezone i hiperone. “Ovaj model,” napisao je S. Sakata, “privukao je pažnju, jer ne samo da je služio kao “značajna” osnova za strukturu jake interakcije, već je omogućio i objašnjenje masenog spektra kompozitnih čestica i predvidio postojanje rezonantnih čestica koje su tada bile otkrivene” (74, 168). Međutim, priroda sila prianjanja ostala je nejasna. Potrebne su najmanje tri osnovne čestice da bi se osiguralo prisustvo takvih osnovnih svojstava kao što su naboj, izospin, čudnost (predstavljena λ-hiperonom). Jasno je, opet, da bi osnova trebalo da bude na „rotirajućim“ spinornim česticama, fermionima, jer u nedostatku „rotacije“ ne bi bilo odakle doći. Ovdje vidimo svojevrsno oživljavanje teorije Helmholtza i Kelvina, koji su pokušali sredinom 19. vijeka. grade materiju od hipotetičkih eteričnih vrtloga.

Prilikom konstruisanja „kompozitnog” modela, Sakata je pošao od sledećeg pogleda na elementarne čestice: „... Elementarne čestice smatram jednim od beskonačnog broja nivoa strukture materije, kvalitativno različitih jedni od drugih i kolektivno tvoreći prirodu. Moje gledište se zasniva na odredbama materijalističke dijalektike... potrebno je prije svega utvrditi da li tridesetak tipova do sada otkrivenih elementarnih čestica pripada jednom ili više različitih nivoa strukture materije" (31 1962. 6, 134). Sakata i njegovi saradnici pokušali su da uključe leptone u svoju šemu. Osnovu uzimaju leptoni e - , v, μ i neko “barionsko” polje B (tzv. B-materija). Kombinacijom jednog od leptona sa B poljem dobijaju osnovne čestice. Tako se ostvaruje sličnost koju je uočio Marshak - Gamba - Okuba (203) između bariona (r, π, λ i leptona v, e -, μ -). Ista simetrija se ostvaruje u nelinearnoj spinornoj teoriji čestica.

Marshak je svoje ideje o simetriji nazvao "kijevskom simetrijom", budući da su rođene na simpozijumima Kijevske konferencije o fizici visokih energija u ljeto 1959. Govorimo (kao što smo već spomenuli) o nekoj analogiji koja je postojala između trojki barioni (p, π, λ) i leptoni (v, e - , μ -). Bilo koji član interakcije četiri fermiona, uz učešće operatora ovih čestica, može se suprotstaviti sličnom članu koji se dobija iz prvog zamenom λ sa μ-, π sa e-, p sa v. Zatim, ako je proces dozvoljen/zabranjen prije zamjene, onda ostaje dozvoljen/zabranjen nakon zamjene jedne čestice iz trijade barion/lepton sa “simetrofaktorom” iz trijade lepton/barion. Marshak ističe da je pažljivo analizirao sve eksperimentalne podatke i nije pronašao niti jedan slučaj koji je u suprotnosti sa navedenom "simetrijom", ali priroda ove simetrije ostaje nejasna. Sada kada je model kvarka već kreiran, postalo je moguće tumačiti kijevsku simetriju kao korespondenciju četiri kvarka - u, c, d, s sa četiri leptona - v e, v μ, e, μ, ali priroda ova simetrija još uvijek nije dobro poznata.

Znamo da će svaki, čak i najuspješniji pokušaj stvaranja jedinstvene teorije materije i polja neizbježno biti privremen, prolazan. Dalje teorijsko i eksperimentalno prodiranje u dubine mikrokosmosa i sve šire proučavanje pojava u svemiru, neminovno narušavajući svaku pojedinačnu sliku, dovešće do njenog raspadanja na pojedinačne elemente, sve dok se na višem nivou ne pojave tendencije ponovnog ujedinjenja.

Uvođenje različitih koncepata koji odražavaju stvarna svojstva čestica (izotopski spin, čudnost, barionski naboj, itd.) približilo nas je ispravnoj klasifikaciji čestica. Ogromna uloga u klasifikaciji mikročestica pripada principu simetrije. Lako je uočiti da elementarne čestice svake klase (fotoni, leptoni, mezoni, hiperoni) imaju određena svojstva simetrije koja im je zajednička, ali ćemo ovo pitanje detaljnije razmotriti u toku daljeg izlaganja.

J. Chu, M. Gell-Mann i I. Neeman (21, 5E) predložili su novu klasifikaciju čestica materije u jakoj interakciji, u kojoj podjela čestica na elementarne i složene (kompozitne) gubi smisao. Ovi autori su predložili da se čestice objedine u grupe (supermultipleti) tako da se čestice sa različitim masama mirovanja u svakoj grupi mogu smatrati različitim pobuđenim stanjima istog sistema. Maseni spektar čestica u ovoj shemi ima blisku analogiju sa spektrom energetskih stanja atoma. Svaka od čestica može se s jednakim osnovama smatrati i jednostavnom i kao složenom. Za pronalaženje masenog spektra predlažu se dvije metode: jedna se temelji na svojstvima simetrije i teorije grupa, a druga na korištenju takozvanih Reggeovih putanja, odnosno krivulja koje povezuju masu čestice s njenim unutrašnjim ugaoni moment (spin) u svakoj grupi.

Mnogi fizičari trenutno vjeruju da je Gell-Mann oktetna shema najuspješnija. Zasnovan je na principu S.U.(3) simetrija. Smatra se da su osam poznatih bariona supermultiplet koji odgovara višoj simetriji; ova simetrija je narušena i supermultiplet se dijeli na izotopske spin multiplete. Čestice koje su u jakoj interakciji opisane su u prostoru "jedinstvenog spina", koji ima osam komponenti: prve tri su izospin komponente, sljedeće četiri djeluju kao operatori za modifikaciju neobičnosti, a posljednja je proporcionalna hipernaboju. Kada se viša simetrija ("jedinstvena") naruši, izospin i hipernaboj su očuvani, a komponente jedinstvenog spina koje odgovaraju neobičnosti se mijenjaju; Kao rezultat toga, supermultiplet se dijeli na izotopske spin multiplete. Dakle, Gell-Manova teorija u određenoj mjeri uzima u obzir duboko dijalektičko jedinstvo simetrije i asimetrije u svijetu elementarnih čestica. To je ono što je omogućilo ovoj teoriji da ujedini snažno interagirajuće čestice u skladu s harmoničnom shemom i istovremeno odražava njihovu specifičnost (asimetriju svojstava). Gell-Mann oktetna shema još jednom demonstrira ogromnu heurističku moć principa simetrije. U okviru hipoteze „osmostrukog puta“, zasnovane na konceptima simetrije i zakona održanja, predviđeno je postojanje Ω-hiperona, koji je otkriven na Brookhaven akceleratoru u SAD (214). Svojevremeno smo pisali da nam uspjesi koji su proizašli iz uzimanja u obzir svojstva unitarne simetrije u teoriji daju nadu da eksperimentalne studijeće dovesti do otkrića drugih čestica predviđenih teorijom sa delimičnim električnim nabojem (± 1/3 i ± 2/3 naelektrisanja elektrona), takozvanih kvarkova. Kasniji razvoj fizike opravdao je ove nade.

Istaknimo još neke pokušaje sistematizacije elementarnih čestica. Tako je prije nekoliko godina M.A. Markov (204) predložio originalni model Maximonov. Na osnovu ideja opće teorije relativnosti, pokazao je da se makro- i mikrosvjetovi mogu blisko ukrštati jedan s drugim. Formalna osnova za uvođenje novih hipotetičkih elemenata bila je činjenica da se od najvažnijih svjetskih konstanti moderne fizičke teorije mogu napraviti dvije kombinacije s dimenzijom mase. Jedna od ovih veličina ima numeričku vrijednost milionitog dijela grama, a druga deset puta veću brojčanu vrijednost. Maksimoni uvedeni na ovaj način su 10 19 puta veći po masi od pravih hadrona (čestice koje su u jakoj interakciji). Maksimoni su toliko teški za svoje prostorne dimenzije da se „ove čestice ne mogu detektovati ni u jednoj posudi na površini Zemlje. One padaju u centar planete pod uticajem gravitacije... Pošto je za rođenje maksimona potrebna energija od 10 28 eV, mogućnost rađanja maksimona je čak i na akceleratorima daleke budućnosti isključeni" (53.1966.51, 878).

Analiza postojećih modela pokazuje određene razlike u pristupu njihovih autora problemu sistematizacije mikro-objekata. Neki polaze od određenih svojstava elementarnih čestica i polja i pokušavaju riješiti problem strukture mikro-objekata uvođenjem novih svojstava prostorno-vremenske simetrije, drugi, naprotiv, zadržavaju poznata svojstva prostora i vremena, ali objašnjavaju strukturu mikročestica uvode nove karakteristike svojstava materijalnih mikro-objekata i polja. Ovakva razlika u pristupima rješavanju istog problema potpuno je opravdana.

Usluga ugradnje plastičnih prozora u Tomsku po atraktivnoj cijeni kompanije BFK.

Prodor u dubine mikrosvijeta povezan je s prijelazom sa nivoa atoma na nivo elementarnih čestica. Kao prva elementarna čestica krajem 19. veka. Otkriven je elektron, a zatim u prvoj deceniji dvadesetog veka - foton, proton, pozitron i neutron. Nakon Drugog svetskog rata, zahvaljujući upotrebi savremene eksperimentalne tehnologije, a pre svega moćnih akceleratora, u kojima se stvaraju uslovi visokih energija i ogromnih brzina, došlo je do postojanja veliki broj elementarnih čestica - preko 300. Među njima ima i eksperimentalno otkrivenih i teorijski izračunatih, uključujući rezonancije, kvarkove i virtuelne čestice.

Izraz "elementarna čestica" izvorno je označavao najjednostavnije, nerazgradive čestice koje su u osnovi bilo koje materijalne formacije. Kasnije su fizičari shvatili čitavu konvenciju pojma "elementarno" u odnosu na mikro-objekte. Sada nema sumnje da čestice imaju složenu strukturu, ali istorijski utvrđeno ime i dalje postoji

Glavne karakteristike elementarnih čestica su: masa, naboj, prosječni vijek trajanja, spin i kvantni brojevi. Masa mirovanja elementarnih čestica određena u odnosu na masu mirovanja elektrona. Postoje elementarne čestice koje nemaju masu mirovanja - fotoni. Preostale čestice prema ovom kriteriju se dijele na leptons – svjetlosne čestice(elektron, mion, neutrino); mezoni – srednje čestice sa masom u rasponu od jedne do hiljadu masa elektrona (p-mezoni, K – mezoni); barioni – teške čestice,čija masa prelazi hiljadu masa elektrona (protona, neutrona, hiperona i mnogih rezonancija).

Električno punjenje je još jedna važna karakteristika elementarnih čestica. Sve poznate čestice imaju pozitivan, negativan ili nulti naboj. Svaka čestica, osim fotona i dva mezona, odgovara antičesticama sa suprotnim nabojem. 1964. godine naučnici su došli na ideju kvarkovi, one. čestice koje imaju frakcioni naboj, od kojih se sastoje sve elementarne čestice. Ova hipoteza je postala široko rasprostranjena u znanstvenom svijetu, iako još nije našla konačnu eksperimentalnu potvrdu.

Zasnovano na životnom vijeku čestica se dijele na stabilan I nestabilno. Postoji pet stabilnih čestica: fotona, dvije vrste neutrina, elektrona i protona. Upravo stabilne čestice igraju najvažniju ulogu u strukturi makrotijela. Sve ostale čestice su nestabilne, postoje oko 10 -10 - 10 -24 s, nakon čega se raspadaju. Zovu se elementarne čestice sa prosječnim životnim vijekom od 10 -23 – 10 -24 s rezonancije. Zbog svog kratkog životnog vijeka, oni se raspadaju prije nego što uspiju napustiti atom ili atomsko jezgro. Rezonantna stanja su izračunata teoretski i nisu mogla biti otkrivena u stvarnim eksperimentima.

Osim naboja, mase i životnog vijeka, elementarne čestice se opisuju i konceptima koji nemaju analoga u klasičnoj fizici: koncept "nazad", ili unutrašnji ugaoni moment mikročestice, i koncept "kvantni brojevi" izražavanje stanja elementarnih čestica.

Postoji još jedna važna ideja u karakteristikama elementarnih čestica - interakcija. Postoje četiri vrste fundamentalnih interakcija u prirodi: jake, elektromagnetne, slabe i gravitacione. Svojstva elementarnih čestica određuju uglavnom prva tri tipa interakcije.

Jaka interakcija javlja se na nivou atomskih jezgara i predstavlja međusobno privlačenje i odbijanje njihovih sastavnih dijelova. Deluje na udaljenosti od oko 10 -13 cm.Pod određenim uslovima jake interakcije veoma čvrsto vezuju čestice, što rezultira formiranjem sistema materijala sa visokom energijom vezivanja - atomska jezgra. Iz tog razloga su jezgra atoma stabilna i teško ih je uništiti.

Elektromagnetna interakcija oko hiljadu puta slabiji od jakog, ali mnogo većeg dometa. Nosilac elektromagnetne interakcije je onaj koji nema naboj foton– kvant elektromagnetnog polja. U procesu elektromagnetne interakcije, elektroni i atomska jezgra se spajaju u atome, a atomi u molekule. Ova interakcija je fundamentalna u hemiji i biologiji.

Slaba interakcija moguća između različitih čestica na udaljenosti od 10 -15 – 10 -22 cm i povezana je uglavnom sa dezintegracijom čestica. Prema sadašnjem nivou znanja, većina čestica je nestabilna upravo zbog slabe interakcije.

Gravitaciona interakcija– najslabiji, nije uzet u obzir u teoriji elementarnih čestica. Međutim, na ultra kratkim udaljenostima (reda 10-33 cm) i pri ultravisokim energijama, gravitacija ponovo postaje značajna. Na kosmičkoj skali, gravitaciona interakcija (gravitacija) je kritična. Njegov opseg djelovanja nije ograničen.

U prirodi se, po pravilu, istovremeno pojavljuje ne jedna, već više vrsta interakcija, a svojstva mnogih čestica određuju sve četiri vrste. Fundamentalne interakcije dovode do transformacije čestica: njihovog uništenja i stvaranja. Vrijeme tokom kojeg dolazi do transformacije elementarnih čestica ovisi o sili interakcije. Stoga se po vremenu različitih transformacija može suditi o snazi ​​interakcija povezanih s njima. Interakcije elementarnih čestica odvijaju se kroz odgovarajuća fizička polja, čiji su kvanti.

U savremenoj kvantnoj teoriji polja polje se shvata kao sistem sa promenljivim brojem čestica (kvanta polja). Najniže energetsko stanje polja, u kojem uopće nema kvanta polja, naziva se vakuum. U vakuumskom stanju u odsustvu ekscitacije, elektromagnetno polje ne sadrži čestice (fotone). U ovom stanju, ne posjeduje mehanička svojstva svojstvena korpuskularnoj materiji. Vakum ne sadrži obične vrste materije, ali nije prazan u doslovnom smislu riječi, jer se u njemu uz odgovarajuću pobudu pojavljuju fotoni - kvanti elektromagnetnog polja, kroz koje se vrši elektromagnetna interakcija. U vakuumu postoje i druga fizička polja, posebno gravitaciona polja, čiji kvanti, gravitoni, teoretski predviđeno, ali još nije eksperimentalno zabilježeno.

Glavni problem kvantne teorije polja je problem interakcije čestica različitih tipova. Do sada je riješen samo u Kantovoj elektrodinamici, koja opisuje interakciju elektrona, pozitrona i fotona. Kvantna teorija polja za jake i slabe interakcije još nije razvijena. Oni su opisani nerigoroznim metodama, iako je jasno da je bez odgovarajuće teorije nemoguće razumjeti strukturu elementarnih čestica, koja je određena upravo njihovom interakcijom. Dakle, pitanje strukture elementarnih čestica nije konačno riješeno. Prema modernim konceptima, struktura elementarnih čestica opisuje se kontinuirano nastajajućim i raspadajućim „virtuelnim“ česticama. Formalna upotreba virtuelnih čestica znači da se unutrašnja struktura elementarnih čestica ne može opisati kroz druge čestice.

Najvažniji pravac u razvoju moderne fizike je tzv "Veliko ujedinjenje"- pokušaj kombinovanja sva četiri tipa fizička interakcija(jaka, slaba, gravitaciona i elektromagnetna) na jednu fundamentalnu interakciju, koja bi objasnila fizički oblik kretanja materije u celini i stvorila najosnovniju fizičku teoriju. Mnogi naučnici smatraju da se takva teorija može stvoriti samo uzimajući u obzir kosmološke okolnosti, proučavajući situacije u kojima se mikrosvijet ispostavlja da je povezan s megasvijetom, ultramali sa ultravelikim, fizika s astronomijom i kosmologijom.

Federalna državna obrazovna ustanova

visoko stručno obrazovanje

"JUŽNO FEDERALNI UNIVERZITET"

Ekonomski fakultet

Elementarne čestice.

Njihova klasifikacija i osnovna svojstva.

Izvedeno

Student 1. godine, 11. grupa

Bublikova Ekaterina

Rostov na Donu – 2009

Uvod. Svijet elementarnih čestica.

Fundamentalne fizičke interakcije.

1. Gravitacija.

   Elektromagnetna interakcija.

   Slaba interakcija.

   Jaka interakcija.

Klasifikacija elementarnih čestica.

1. Karakteristike subatomskih čestica.

   Istorija otkrića elementarnih čestica.

2.5. Teorija kvarkova.

2.6. Čestice su nosioci interakcija.

3. Teorije elementarnih čestica.

3.1. Kvantna elektrodinamika.

3.2. Teorija elektroslabe interakcije.

3.3. Kvantna hromodinamika.

3.4. Na putu ka... Velikom ujedinjenju.

Spisak korišćene literature.

Svijet elementarnih čestica.

Sredinom i drugom polovinom dvadesetog veka postignuti su zaista neverovatni rezultati u onim granama fizike koje proučavaju osnovnu strukturu materije. Prije svega, to se očitovalo u otkriću čitavog niza novih subatomskih čestica. Obično se nazivaju elementarnim česticama, ali nisu sve zaista elementarne. Elementarne čestice u preciznom značenju ovog pojma su primarne, dalje nerazgradive čestice, od kojih bi se trebala sastojati sva materija, ali se mnoge od njih, pak, sastoje od još elementarnijih čestica.

Svijet subatomskih čestica je zaista raznolik. Trenutno je poznato više od 350 elementarnih čestica. To uključuje protone i neutrone koji čine atomska jezgra, kao i elektrone koji kruže oko jezgara. Ali postoje i čestice koje se praktično nikada ne nalaze u materiji oko nas. Ako je prosječno vrijeme života neutrona smještenog izvan atomskog jezgra 15 minuta, tada je životni vijek takvih kratkoživih čestica izuzetno kratak, iznosi najmanjih djelića sekunde. Nakon ovog izuzetno kratkog vremena, oni se raspadaju u obične čestice. Postoji nevjerovatan broj takvih nestabilnih kratkoživih čestica: nekoliko stotina ih je već poznato. Međutim, ne može se smatrati da se nestabilne elementarne čestice „sastoje“ od stabilnih, makar samo zato što se ista čestica može raspasti na više načina na različite elementarne čestice.

Svaka elementarna čestica (sa izuzetkom apsolutno neutralnih čestica) ima svoju antičesticu.

Fizičari su otkrili postojanje elementarnih čestica proučavajući nuklearne procese, pa je sve do sredine 20. stoljeća fizika elementarnih čestica bila grana nuklearne fizike. Trenutno su fizika elementarnih čestica i nuklearna fizika bliske, ali nezavisne grane fizike, koje objedinjuje zajedništvo mnogih razmatranih problema i korištenih istraživačkih metoda. Osnovni zadatak fizike elementarnih čestica je proučavanje prirode, svojstava i međusobnih transformacija elementarnih čestica.

Tokom 1960-ih i 1970-ih, fizičari su bili potpuno zbunjeni brojem, raznolikošću i neobičnošću novootkrivenih subatomskih čestica. Činilo se da im nema kraja. Potpuno je nejasno zašto ima toliko čestica. Da li su ove elementarne čestice haotične i nasumični fragmenti materije? Ili možda oni drže ključ za razumijevanje strukture Univerzuma? Razvoj fizike u narednim decenijama pokazao je da nema sumnje u postojanje takve strukture. Krajem dvadesetog veka fizika počinje da shvata značaj svake od elementarnih čestica.

Svijet subatomskih čestica karakterizira dubok i racionalan poredak. Ovaj poredak se zasniva na fundamentalnim fizičkim interakcijama.

1. Fundamentalne fizičke interakcije.

U vašem Svakodnevni život osoba se suočava sa mnogim silama koje djeluju na njihova tijela. Ovdje je sila vjetra ili nadolazećeg strujanja vode, tlak zraka, snažno oslobađanje eksplozivnih kemikalija, ljudska mišićna snaga, težina teških predmeta, pritisak svjetlosnih kvanta, privlačenje i odbijanje električnih naboja, seizmički valovi koje ponekad izazivaju katastrofalna razaranja, vulkanske erupcije koje su dovele do smrti civilizacije itd. Neke sile djeluju direktno na dodir s tijelom, druge, na primjer, gravitacija, djeluju na daljinu, kroz prostor. Ali, kako se pokazalo kao rezultat razvoja teorijske prirodne nauke, uprkos tako velikoj raznolikosti, sve sile koje deluju u prirodi mogu se svesti na samo četiri fundamentalne interakcije: gravitacionu, elektromagnetnu, slabu i jaku. Upravo su te interakcije u konačnici odgovorne za sve promjene u svijetu; one su izvor svih transformacija tijela i procesa. Elementarne čestice su podijeljene u grupe prema svojim sposobnostima za različite vrste fundamentalnih interakcija. Proučavanje svojstava fundamentalnih interakcija je glavni zadatak moderne fizike.

1.1. Gravitacija.

U istoriji fizike, gravitacija (gravitacija) je postala prva od četiri fundamentalne interakcije koje su bile predmet naučnog istraživanja. Nakon pojave u 17. vijeku. Newtonova teorija gravitacije - zakon univerzalne gravitacije - uspjela je po prvi put shvatiti pravu ulogu gravitacije kao sile prirode. Gravitacija ima niz karakteristika koje je razlikuju od drugih fundamentalnih interakcija.

Najiznenađujuća karakteristika gravitacije je njena niska intenzitet. Veličina gravitacijske interakcije između komponenti atoma vodonika je 10n, gdje je n = -39, na osnovu sile interakcije električnih naboja. Može izgledati iznenađujuće što uopće osjećamo gravitaciju, budući da je tako slaba. Kako ona može postati dominantna sila u Univerzumu?

Sve se radi o drugoj neverovatnoj osobini gravitacije - njenoj univerzalnosti. Ništa u Univerzumu nije slobodno od gravitacije. Svaka čestica doživljava djelovanje gravitacije i sama je izvor gravitacije. Pošto svaka čestica materije vrši gravitaciono privlačenje, gravitacija se povećava kako se formiraju veće nakupine materije. Osjećamo gravitaciju u svakodnevnom životu jer svi atomi Zemlje rade zajedno kako bi nas privukli. I iako je efekat gravitacionog privlačenja jednog atoma zanemarljiv, rezultujuća sila privlačenja svih atoma može biti značajna.

gravitacija - dalekosežna sila prirode. To znači da, iako se intenzitet gravitacijske interakcije smanjuje s rastojanjem, ona se širi u prostoru i može utjecati na tijela koja su vrlo udaljena od izvora. Na astronomskoj skali, gravitacijske interakcije imaju tendenciju da igraju glavnu ulogu. Zahvaljujući djelovanju dugog dometa, gravitacija sprječava da se Univerzum raspadne: drži planete u orbitama, zvijezde u galaksijama, galaksije u jatima, jata u Metagalaksiji.

Gravitaciona sila koja djeluje između čestica uvijek je privlačna sila: teži da čestice zbliži. Gravitaciono odbijanje nikada ranije nije primećeno (iako u tradicijama kvazinaučne mitologije postoji čitavo polje koje se zove levitacija – potraga za „činjenicama” antigravitacije). Pošto je energija pohranjena u bilo kojoj čestici uvijek pozitivna i daje joj pozitivnu masu, čestice pod utjecajem gravitacije uvijek teže približavanju.

Šta je gravitacija, određeno polje ili manifestacija zakrivljenosti prostor-vremena - još uvek nema jasnog odgovora na ovo pitanje. Postoje različita mišljenja i koncepti fizičara o ovom pitanju.

1.2. Elektromagnetna interakcija.

Električne sile su mnogo veće od gravitacionih sila. Za razliku od slabe gravitacijske interakcije, električne sile koje djeluju između tijela normalne veličine mogu se lako uočiti. Elektromagnetizam je poznat ljudima od pamtivijeka (aurore, bljeskovi munja itd.).

Dugo vremena su se električni i magnetski procesi proučavali nezavisno jedan od drugog. Odlučan korak u poznavanju elektromagnetizma napravio je sredinom 19. stoljeća J. C. Maxwell, koji je ujedinio elektricitet i magnetizam u jedinstvenu teoriju elektromagnetizma - prvu jedinstvenu teoriju polja.

Postojanje elektrona je čvrsto utvrđeno 90-ih godina prošlog veka. Sada je poznato da je električni naboj bilo koje čestice materije uvijek višestruki od osnovne jedinice naboja - svojevrsnog "atoma" naboja. Zašto je to tako je izuzetno zanimljivo pitanje. Međutim, nisu sve materijalne čestice nosioci električnog naboja. Na primjer, foton i neutrino su električno neutralni. U tom pogledu, električna energija se razlikuje od gravitacije. Sve materijalne čestice stvaraju gravitacijsko polje, dok su samo nabijene čestice povezane s elektromagnetnim poljem. Nositelj elektromagnetne interakcije između nabijenih čestica je elektromagnetno polje, odnosno kvanti polja - fotoni.

Poput električnih naboja, kao magnetni polovi se odbijaju, a suprotni se privlače. Međutim, za razliku od električnih naboja, magnetni polovi se ne javljaju pojedinačno, već samo u parovima - sjeverni pol i Južni pol. Od davnina su poznati pokušaji da se dijeljenjem magneta dobije samo jedan izolirani magnetni pol - monopol. Ali svi su završili neuspjehom. Možda je isključeno postojanje izolovanih magnetnih polova u prirodi? Još uvijek nema definitivnog odgovora na ovo pitanje. Neki teorijski koncepti dopuštaju mogućnost monopola.

Poput električnih i gravitacionih interakcija, interakcija magnetnih polova se pridržava zakona inverznog kvadrata. Posljedično, električne i magnetske sile su „dalekodometne“, a njihov učinak se osjeća na velikim udaljenostima od izvora. Tako se Zemljino magnetsko polje proteže daleko u svemir. Snažno magnetno polje Sunca ispunjava čitav Sunčev sistem. Postoje i galaktička magnetna polja.

Elektromagnetna interakcija određuje strukturu atoma i odgovorna je za veliku većinu fizičkih i hemijske pojave i procesi. Elektromagnetna interakcija takođe dovodi do emisije elektromagnetnih talasa.

1.3. Slaba interakcija.

Fizika se polako kretala ka identifikaciji postojanja slabe interakcije. Slaba sila je odgovorna za raspad čestica, pa je njena manifestacija bila suočena s otkrićem radioaktivnosti i proučavanjem beta raspada.

Beta raspad je otkrio izuzetno čudnu osobinu. Istraživanja su dovela do zaključka da ovo raspadanje krši jedan od osnovnih zakona fizike - zakon održanja energije. Činilo se da je u ovom raspadanju dio energije negdje nestao. Da bi "spasio" zakon održanja energije, W. Pauli je predložio da, zajedno sa elektronom, tokom beta raspada, još jedna čestica izleti van. Neutralan je i ima neuobičajeno visoku sposobnost prodiranja, zbog čega se nije mogao uočiti. E. Fermi je nevidljivu česticu nazvao "neutrino".

Neutrino (italijanski neutrino, umanjenik od neutrona - neutron), stabilna nenabijena elementarna čestica sa spinom 1/2 i vjerovatno nultom masom. Neutrini se klasifikuju kao leptoni. Oni sudjeluju samo u slabim i gravitacijskim interakcijama i stoga izuzetno slabo djeluju s materijom. Postoje elektronski neutrini, uvek upareni sa elektronom ili pozitronom, mionski neutrini, upareni sa mionom, i tau neutrini, povezani sa teškim leptonom. Svaki tip neutrina ima svoju antičesticu, koja se od neutrina razlikuje po predznaku odgovarajućeg leptonskog naboja i heličnosti: neutrini imaju lijevu spiralu (spin je usmjeren protiv kretanja čestice), a antineutrini desnu spiralnost ( okretanje je u smjeru kretanja).

Ali predviđanje i detekcija neutrina samo je početak problema, njegova formulacija. Bilo je neophodno objasniti prirodu neutrina, ali je tu ostalo mnogo misterije. Činjenica je da su i elektrone i neutrine emitirala nestabilna jezgra. Ali je nepobitno dokazano da takvih čestica nema unutar jezgara. Kako su nastali? Sugerirano je da elektroni i neutrini ne postoje u jezgri u "spremnom obliku", već se nekako formiraju iz energije radioaktivnog jezgra. Dalja istraživanja su pokazala da se neutroni uključeni u jezgro, prepušteni sami sebi, nakon nekoliko minuta raspadaju na proton, elektron i neutrino, tj. umjesto jedne čestice pojavljuju se tri nove. Analiza je dovela do zaključka da poznate sile ne mogu izazvati takav raspad. Očigledno ga je stvorila neka druga, nepoznata sila. Istraživanja su pokazala da ova sila odgovara nekoj slaboj interakciji.

Mnogo je slabiji od elektromagnetnog, iako jači od gravitacionog. Širi se na vrlo kratke udaljenosti. Radijus slabe interakcije je vrlo mali i iznosi oko 2*10^(-16) cm. Slaba interakcija se zaustavlja na minimalnoj udaljenosti od izvora i stoga ne može utjecati na makroskopske objekte, već je ograničena na pojedinačne subatomske čestice. Sve elementarne čestice osim fotona učestvuju u slaboj interakciji. On određuje većinu raspada elementarnih čestica, interakciju neutrina sa materijom, itd. Slabu interakciju karakteriše narušavanje pariteta, neobičnost i „šarm“. Jedinstvenu teoriju slabe i elektromagnetne interakcije stvorili su kasnih 60-ih S. Weinberg, S. Glashow i A. Salam. Opisuje interakcije kvarkova i leptona koje se odvijaju razmjenom četiri čestice: fotona bez mase (elektromagnetska interakcija) i teških međuvektorskih bozona - čestica W+, W- i Z°, koje su nosioci slabe interakcije (eksperimentalno otkrivene u 1983). Ova pojedinačna interakcija se nazvala elektroslaba. Od Maxwellove teorije elektromagnetnog polja, stvaranje ove teorije je bio najveći korak ka jedinstvu fizike.

1.4. Jaka interakcija.

Posljednja u nizu fundamentalnih interakcija je jaka interakcija, koja je izvor ogromne energije. Najtipičniji primjer energije koju oslobađa jaka sila je naše Sunce. U dubinama Sunca i zvijezda, počevši od određenog vremena, kontinuirano se odvijaju termonuklearne reakcije uzrokovane jakom interakcijom. Ali čovjek je također naučio da oslobađa snažne interakcije: stvorena je hidrogenska bomba, dizajnirane su i poboljšane tehnologije za kontrolirane termonuklearne reakcije.

Fizika je došla do ideje o postojanju jake interakcije tokom proučavanja strukture atomskog jezgra. Neka sila mora zadržati protone u jezgru, sprječavajući ih da se rasprše pod utjecajem elektrostatičkog odbijanja. Gravitacija je preslaba za ovo; Očigledno je potrebna neka nova interakcija, štaviše, jača od elektromagnetne. To je naknadno otkriveno. Ispostavilo se da, iako snažna interakcija značajno nadmašuje sve druge fundamentalne interakcije po svojoj veličini, ona se ne osjeća izvan jezgra. Pokazalo se da je radijus djelovanja nove sile vrlo mali. Jaka sila naglo opada na udaljenosti od protona ili neutrona većoj od oko 10^(-15) m.

Osim toga, pokazalo se da ne doživljavaju sve čestice snažne interakcije. To doživljavaju protoni i neutroni, ali elektroni, neutrini i fotoni nisu podložni tome. To znači da samo hadroni učestvuju u jakoj interakciji.

Jaka interakcija premašuje elektromagnetnu interakciju oko 100 puta. Teorijsko objašnjenje prirode jake interakcije bilo je teško razviti. Proboj se dogodio početkom 60-ih, kada je predložen model kvarka. U ovoj teoriji, neutroni i protoni se ne smatraju elementarnim česticama, već kompozitnim sistemima izgrađenim od kvarkova. Moderna teorija jake interakcije je kvantna hromodinamika.

Dakle, u fundamentalnim fizičkim interakcijama jasno je vidljiva razlika između sila dugog i kratkog dometa. S jedne strane postoje interakcije neograničenog dometa (gravitacija, elektromagnetizam), as druge, interakcije kratkog dometa (jake i slabe). Svijet fizičkih elemenata u cjelini odvija se u jedinstvu ova dva polariteta i oličenje je jedinstva ekstremno malog i ekstremno velikog – djelovanja kratkog dometa u mikrosvijetu i djelovanja dugog dometa u cijelom Univerzumu.

1.5. Problem jedinstva fizike.

Znanje je generalizacija stvarnosti, pa je stoga cilj nauke potraga za jedinstvom u prirodi, povezujući različite fragmente znanja u jednu sliku. Da bi se stvorio jedinstven sistem, potrebno je otvoriti vezu između različitih grana znanja, neki fundamentalni odnos. Potraga za takvim vezama i odnosima jedan je od glavnih zadataka naučnog istraživanja. Kad god je moguće uspostaviti takve nove veze, razumijevanje okolnog svijeta se značajno produbljuje, formiraju se novi načini saznanja koji upućuju put do ranije nepoznatih pojava.

Uspostavljanje dubokih veza između različitih područja prirode je i sinteza znanja i metoda koja vodi Naučno istraživanje novim, neprevaziđenim putevima. Njutnovo otkriće veze između privlačenja tela u zemaljskim uslovima i kretanja planeta označilo je rođenje klasične mehanike na osnovu koje se gradi tehnološka osnova moderne civilizacije. Uspostavljanje veze između termodinamičkih svojstava gasa i haotičnog kretanja molekula stavilo je atomsko-molekularnu teoriju materije na čvrstu osnovu. Sredinom prošlog stoljeća, Maxwell je stvorio jedinstvenu elektromagnetnu teoriju koja je pokrivala i električne i magnetne fenomene. Zatim, 20-ih godina dvadesetog veka, Ajnštajn je pokušao da spoji elektromagnetizam i gravitaciju u jednu teoriju.

Ali do sredine dvadesetog veka situacija u fizici se radikalno promenila: otkrivene su dve nove fundamentalne interakcije - jaka i slaba, tj. kada se stvara jedinstvena fizika, treba uzeti u obzir ne dvije, već četiri fundamentalne interakcije. To je donekle ohladilo žar onih koji su se nadali brzom rješenju ovog problema. Ali sama ideja nije bila ozbiljno dovedena u pitanje, a entuzijazam za ideju o jednom opisu nije nestao.

Postoji stajalište da sve četiri (ili najmanje tri) interakcije predstavljaju fenomene iste prirode i da se mora pronaći njihov jedinstveni teorijski opis. Izgledi stvaranja jedinstvene teorije svijeta fizičkih elemenata zasnovane na jednoj fundamentalnoj interakciji ostaju vrlo atraktivni. Ovo je glavni san fizičara dvadesetog veka. Ali dugo je to ostao samo san, i to vrlo nejasan.

Međutim, u drugoj polovini dvadesetog veka pojavili su se preduslovi za ostvarenje ovog sna i uverenje da to nije stvar daleke budućnosti. Čini se da bi to uskoro moglo postati stvarnost. Odlučan korak ka jedinstvenoj teoriji napravljen je 60-70-ih godina stvaranjem najprije teorije kvarkova, a potom i teorije elektroslabe interakcije. Ima razloga vjerovati da smo na pragu snažnijeg i dubljeg ujedinjenja nego ikada prije. Među fizičarima raste uvjerenje da konture jedinstvene teorije svih fundamentalnih interakcija - Velikog ujedinjenja - počinju da se pojavljuju.

2. Klasifikacija elementarnih čestica.

2.1. Karakteristike subatomskih čestica.

Otkriće na prijelazu iz devetnaestog u dvadeseto stoljeće najmanjih nosilaca svojstava materije - molekula i atoma - i utvrđivanje činjenice da su molekule građene od atoma, po prvi put je omogućilo da se opišu sve poznate supstance. kao kombinacije konačnog, iako velikog, broja strukturnih komponenti - atoma. Dalja identifikacija prisustva sastavnih atoma - elektrona i jezgara, uspostavljanje kompleksne prirode jezgara, za koje se pokazalo da su izgrađene od samo dvije vrste čestica (protona i neutrona) , značajno smanjio broj diskretnih elemenata koji formiraju svojstva materije. Nemoguće je sa sigurnošću reći da čestice koje su elementarne u smislu gornje definicije postoje. Protoni i neutroni, na primjer, koji su se dugo vremena smatrali elementarnim, kako se ispostavilo, imaju složenu strukturu. Ne može se isključiti mogućnost da je niz strukturnih komponenti materije u osnovi beskonačan. Takođe se može ispostaviti da će se izjava „sastoji se od...“ u nekoj fazi proučavanja materije ispostaviti da je lišena sadržaja. U ovom slučaju, definicija „elementarnog“ data gore moraće biti napuštena. Postojanje elementarnih (subatomskih) čestica je svojevrsni postulat, a ispitivanje njegove validnosti jedan je od najvažnijih zadataka fizike.

Karakteristike subatomskih čestica su masa, električni naboj, spin (unutarnji ugaoni moment), životni vek čestice, magnetni moment, prostorni paritet, paritet naboja, leptonski naboj, barionski naboj, neobičnost, „šarm“ itd.

Kada se govori o masi čestice, misli se na njenu masu mirovanja, jer ta masa ne zavisi od stanja kretanja. Čestica s nultom masom mirovanja kreće se brzinom svjetlosti (foton). Ne postoje dvije čestice iste mase. Elektron je najlakša čestica sa masom mirovanja različitom od nule. Proton i neutron su skoro 2000 puta teži od elektrona. A najteža poznata elementarna čestica (Z - čestica) ima masu 200.000 puta veću od mase elektrona.

Električni naboj varira u prilično uskom rasponu i uvijek je višekratnik osnovne jedinice naboja - naboja elektrona (-1). Neke čestice, poput fotona i neutrina, uopće nemaju naboj.

Važna karakteristika čestice je spin. Nema klasičnog analoga i, naravno, ukazuje na „unutarnju složenost“ mikroobjekta. Istina, ponekad pokušavaju uporediti s konceptom okretanja model objekta koji rotira oko svoje ose (sama riječ "spin" je prevedena kao "vreteno"). Ovaj model je vizuelan, ali netačan. U svakom slučaju, ne može se shvatiti doslovno. Termin „rotirajući mikroobjek“ koji se nalazi u literaturi ne označava rotaciju mikroobjekta, već samo prisustvo specifičnog unutrašnjeg ugaonog momenta. Da bi se ovaj momenat „pretvorio“ u klasični ugaoni moment (i time bi objekat zapravo počeo da se okreće), potrebno je da se zahteva ispunjenje uslova s >> 1 (mnogo više od jednog). Međutim, ovaj uslov nikada nije ispunjen. Spin je također uvijek višekratnik neke osnovne jedinice, koja je odabrana da bude ½. Sve čestice istog tipa imaju isti spin. Tipično, spinovi čestica se mjere u jedinicama Planckove konstante ć. Može biti cijeli broj (0, 1, 2,...) ili polucijeli broj (1/2, 3/2,...). Dakle, proton, neutron i elektron imaju spin od S, a spin fotona je jednak 1. Poznate su čestice sa spinom od 0, 3/2, 2. Čestica sa spinom od 0 izgleda isto pod bilo kojim uglom rotacije. Čestice sa spinom 1 poprimaju isti oblik nakon pune rotacije od 360°. Čestica sa spinom 1/2 poprima svoj prethodni izgled nakon rotacije od 720°, itd. Čestica sa spinom 2 vraća se na svoju prethodnu poziciju nakon pola okreta (180°). Čestice sa spinom većim od 2 nisu otkrivene, a možda i ne postoje. Poznavanje spina mikroobjekta omogućava nam da prosudimo prirodu njegovog ponašanja u grupi svoje vrste (drugim rečima, omogućava nam da procenimo statistička svojstva mikroobjekta). Pokazalo se da su, prema svojim statističkim svojstvima, svi mikroobjekti u prirodi podijeljeni u dvije grupe: grupu mikroobjekata sa cjelobrojnim spinom i grupu mikroobjekata sa polucijelim spinom.

Mikroobjekti prve grupe sposobni su da „napune“ isto stanje u neograničenom broju, a što je to stanje jače „naseljeno“, to je broj veći. Za takve mikroobjekte se kaže da se povinuju Bose-Einstein statistici. Ukratko, oni se jednostavno zovu bozoni. Mikroobjekti druge grupe mogu „naseliti“ stanja samo jedno po jedno. A ako je dotično stanje zauzeto, onda nijedan mikroobjekat ovog tipa ne može ući u njega. Za takve mikro-objekte se kaže da se povinuju Fermi-Diracovoj statistici, a radi kratkoće se nazivaju fermioni. Od elementarnih čestica, bozoni uključuju fotone i mezone, a fermioni uključuju leptone (posebno elektrone), nukleone i hiperone.

Čestice također karakterizira njihov vijek trajanja. Na osnovu ovog kriterija, čestice se dijele na stabilne i nestabilne. Stabilne čestice su elektron, proton, foton i neutrino. Neutron je stabilan kada se nalazi u jezgru atoma, ali slobodni neutron se raspada za oko 15 minuta. Sve ostale poznate čestice su nestabilne, njihov životni vijek se kreće od nekoliko mikrosekundi do 10n sekundi (gdje je n = -23). To znači da kada ovo vrijeme istekne, oni se spontano, bez ikakvih vanjskih utjecaja, raspadaju, pretvarajući se u druge čestice. Na primjer, neutron se spontano raspada u proton, elektron i elektronski antineutrino. Nemoguće je tačno predvideti kada će se desiti naznačeni raspad određenog neutrona, jer je svaki određeni događaj raspada nasumičan. Svaka nestabilna elementarna čestica ima svoj životni vijek. Što je životni vek kraći, veća je verovatnoća raspada čestica. Nestabilnost je svojstvena ne samo elementarnim česticama, već i drugim mikro-objektima. Fenomen radioaktivnosti (spontana transformacija izotopa jednog hemijskog elementa u izotope drugog, praćena emisijom čestica) pokazuje da atomska jezgra mogu biti nestabilna. Atomi i molekuli u pobuđenim stanjima takođe se ispostavljaju kao nestabilni: oni spontano prelaze u osnovno ili manje pobuđeno stanje.

Nestabilnost, određena vjerojatnosnim zakonima, je, uz prisustvo spina, drugo visoko specifično svojstvo svojstveno mikroobjektima. Može se smatrati i indikacijom određene „unutrašnje složenosti“ mikro-objekta.

Međutim, nestabilnost je specifično, ali nikako obavezno svojstvo mikroobjekta. Uz nestabilne, postoji mnogo stabilnih mikro-objekata: foton, elektron, proton, neutrino, stabilna atomska jezgra, kao i atomi i molekuli u osnovnom stanju.

Leptonski naboj (leptonski broj) je unutrašnja karakteristika leptona. Označava se slovom L. Za leptone je +1, a za antileptone -1. Postoje: elektronski leptonski naboj, koji poseduju samo elektroni, pozitroni, elektronski neutrini i antineutrini; mionski leptonski naboj, koji poseduju samo mioni i mionski neutrini i antineutrini; leptonski naboj teških leptona i njihovih neutrina. Algebarski zbir leptonskog naboja svakog tipa se čuva sa vrlo visokom preciznošću u svim interakcijama.

Barionski naboj (barionski broj) je jedna od unutrašnjih karakteristika bariona. Označava se slovom B. Svi barioni imaju B = +1, a njihove antičestice imaju B = -1 (za ostale elementarne čestice B = 0). Algebarski zbir barionskih naboja uključenih u sistem čestica je očuvan pod svim interakcijama.

Čudnost je cijeli (nula, pozitivan ili negativan) kvantni broj koji karakterizira hadrone. Neobičnost čestica i antičestica je suprotnog predznaka. Hadroni sa S jednakim 0 nazivaju se čudnim. Neobičnost je očuvana u jakoj i elektromagnetnoj interakciji, ali je narušena u slaboj interakciji.

“Šarm” (čar) je kvantni broj koji karakterizira hadrone (ili kvarkove). Očuvano je u jakim i elektromagnetnim interakcijama, ali je narušeno slabom interakcijom. Čestice sa vrijednošću šarma različitom od nule nazivaju se "očarane" čestice.

Magneton je jedinica mjerenja magnetnog momenta u fizici atoma, atomskog jezgra i elementarnih čestica. Magnetski moment, uzrokovan orbitalnim kretanjem elektrona u atomu i njihovim spinom, mjeri se u Bohrovim magnetonima. Magnetski moment nukleona i jezgara mjeri se u nuklearnim magnetonima.

Paritet je još jedna karakteristika subatomskih čestica. Parnost je kvantni broj koji karakterizira simetriju valne funkcije fizičkog sistema ili elementarne čestice pod nekim diskretnim transformacijama: ako tokom takve transformacije funkcija ne promijeni predznak, onda je parnost pozitivna; ako ima, onda paritet je negativan. Za apsolutno neutralne čestice (ili sisteme) koje su identične svojim antičesticama, pored prostornog pariteta, mogu se uvesti koncepti pariteta naelektrisanja i kombinovanog pariteta (za ostale čestice, njihova zamena antičesticama menja i samu talasnu funkciju).

Prostorni paritet je kvantno mehanička karakteristika koja odražava svojstva simetrije elementarnih čestica ili njihovih sistema tokom refleksije ogledala (prostorna inverzija). Ovaj paritet je označen slovom P i očuvan je u svim interakcijama osim u slabim.

Paritet naplate - paritet apsolutno neutralne elementarne čestice ili sistema, koji odgovara operaciji konjugacije naelektrisanja. Paritet naboja je također očuvan u svim interakcijama osim u slabim.

Kombinovani paritet je paritet apsolutno neutralne čestice (ili sistema) u odnosu na kombinovanu inverziju. Kombinovani paritet je očuvan u svim interakcijama, sa izuzetkom raspada dugovječnog neutralnog K mezona uzrokovanog slabom interakcijom (razlog za ovo narušavanje kombinovanog pariteta još nije razjašnjen).

2.2. Istorija otkrića elementarnih čestica.

Ideja da je svijet napravljen od osnovnih čestica ima dugu istoriju. Po prvi put, ideju o postojanju najmanjih nevidljivih čestica koje čine sve okolne objekte iznio je 400 godina prije Krista grčki filozof Demokrit. Te je čestice nazvao atomima, odnosno nedjeljivim česticama. Nauka je počela da koristi koncept atoma tek u početkom XIX veka, kada je na osnovu toga bilo moguće objasniti niz hemijskih pojava. Tridesetih godina 19. vijeka, u teoriji elektrolize koju je razvio M. Faraday, pojavio se koncept jona i izmjeren je elementarni naboj. Ali otprilike od sredine 19. stoljeća počele su se pojavljivati ​​eksperimentalne činjenice koje dovode u sumnju ideju ​​nedjeljivosti atoma. Rezultati ovih eksperimenata sugeriraju da atomi imaju složenu strukturu i da sadrže električno nabijene čestice. To je potvrdio i francuski fizičar Henri Becquerel, koji je otkrio fenomen radioaktivnosti 1896. godine.

Nakon toga uslijedilo je otkriće prve elementarne čestice od strane engleskog fizičara Thomsona 1897. godine. Upravo je elektron konačno stekao status pravog fizičkog objekta i postao prva poznata elementarna čestica u ljudskoj istoriji. Njegova masa je otprilike 2000 puta manja od mase atoma vodika i jednaka je:

m = 9,11*10^(-31) kg.

Negativni električni naboj elektrona naziva se elementarnim i jednak je:

e = 0,60*10^(-19) Cl.

Analiza atomskih spektra pokazuje da je spin elektrona jednak 1/2, a njegov magnetni moment jednak jednom Borovom magnetonu. Elektroni se pokoravaju Fermijevoj statistici jer imaju polucijeli spin. Ovo je u skladu s eksperimentalnim podacima o strukturi atoma i ponašanju elektrona u metalima. Elektroni učestvuju u elektromagnetnim, slabim i gravitacionim interakcijama.

Druga otkrivena elementarna čestica bio je proton (od grčkog protos - prvi). Ovu elementarnu česticu je 1919. otkrio Rutherford, proučavajući produkte fisije atomskih jezgara različitih hemijskih elemenata. Doslovno, proton je jezgro atoma najlakšeg izotopa vodonika - protijuma. Spin protona je 1/2. Proton ima pozitivan elementarni naboj +e. Njegova masa je:

m = 1,67*10^(-27) kg.

ili otprilike 1836 masa elektrona. Protoni su dio jezgara svih atoma hemijskih elemenata. Nakon toga, 1911. godine, Rutherford je predložio planetarni model atoma, koji je pomogao naučnicima u daljim istraživanjima sastava atoma.

Godine 1932. J. Chadwick je otkrio treću elementarnu česticu, neutron (od latinskog neuter - ni jedno ni drugo), koja nema električni naboj i ima masu približno 1839 puta veću od mase elektrona. Spin neutrona je takođe 1/2.

Zaključak o postojanju čestice elektromagnetnog polja - fotona - potiče iz rada M. Plancka (1900). Pod pretpostavkom da je energija elektromagnetnog zračenja iz apsolutno crnog tijela kvantizirana (tj. sastoji se od kvanta), Planck je dobio ispravnu formulu za spektar zračenja. Razvijajući Planckovu ideju, A. Ajnštajn (1905) je pretpostavio da je elektromagnetno zračenje (svetlost) zapravo tok pojedinačnih kvanta (fotona) i na osnovu toga objasnio zakone fotoelektričnog efekta. Direktne eksperimentalne dokaze o postojanju fotona dali su R. Millikan 1912. - 1915. i A. Compton 1922. godine.

Otkriće neutrina, čestice koja jedva dolazi u interakciju s materijom, datira iz teorijske pretpostavke W. Paulija iz 1930. godine, koja je omogućila, zbog pretpostavke o rođenju takve čestice, otklanjanje poteškoća sa zakonom održanja. energije u procesima beta raspada radioaktivnih jezgara. Postojanje neutrina su eksperimentalno potvrdili tek 1953. F. Reines i K. Cowan.

Ali materija se sastoji od više od čestica. Postoje i antičestice - elementarne čestice koje imaju istu masu, spin, životni vijek i neke druge unutrašnje karakteristike kao i njihovi "blizanci" - čestice, ali se razlikuju od čestica po znacima električnog naboja i magnetnog momenta, barionskog naboja, leptonskog naboja, čudnosti i sl. Sve elementarne čestice, osim apsolutno neutralnih, imaju svoje antičestice.

Prva otkrivena antičestica bila je pozitron (od latinskog positivus - pozitivan) - čestica mase elektrona, ali pozitivnog električnog naboja. Ovu antičesticu je u kosmičkim zracima otkrio američki fizičar Carl David Anderson 1932. godine. Zanimljivo je da je postojanje pozitrona teoretski predvidio engleski fizičar Paul Dirac skoro godinu dana prije eksperimentalnog otkrića. Štaviše, Dirac je predvidio takozvane procese anihilacije (nestanka) i rađanja para elektron-pozitron. Sama anihilacija para je jedna od vrsta transformacija elementarnih čestica do koje dolazi kada se čestica sudari sa antičesticom. Tokom anihilacije, čestica i antičestica nestaju, pretvarajući se u druge čestice, čiji su broj i vrsta ograničeni zakonima očuvanja. Obrnuti proces uništenja je rođenje para. Sam pozitron je stabilan, ali u materiji postoji vrlo kratko zbog anihilacije elektronima. Anihilacija elektrona i pozitrona je da kada se sretnu, oni nestaju, pretvarajući se u γ- kvanti (fotoni). I to u sudaru γ- Kada se kvant pojavi sa bilo kojim masivnim jezgrom, rađa se par elektron-pozitron.

Godine 1955. otkrivena je još jedna antičestica - antiproton, a nešto kasnije - antineutron. Antineutron, kao i neutron, nema električni naboj, ali nesumnjivo spada u antičestice, jer sudjeluje u procesu anihilacije i rađanja neutron-antineutronskog para.

Mogućnost dobijanja antičestica dovela je naučnike do ideje o stvaranju antimaterije. Atome antimaterije treba graditi na ovaj način: u središtu atoma nalazi se negativno nabijeno jezgro, koje se sastoji od antiprotona i antineutrona, a pozitroni s pozitivnim nabojem kruže oko jezgra. Općenito se ispostavlja da je i atom neutralan. Ova ideja dobila je briljantnu eksperimentalnu potvrdu. Godine 1969., u akceleratoru protona u gradu Serpuhovu, sovjetski fizičari su dobili jezgra atoma antihelijuma. Takođe 2002. godine proizvedeno je 50.000 atoma antivodika u CERN akceleratoru u Ženevi. Ali, uprkos tome, nakupine antimaterije u Univerzumu još nisu otkrivene. Također postaje jasno da će pri najmanjoj interakciji antimaterije sa bilo kojom supstancom doći do njihovog uništenja, što će biti popraćeno ogromnim oslobađanjem energije, nekoliko puta veće od energije atomskih jezgri, što je krajnje nesigurno za ljude i okolinu. .

Trenutno su eksperimentalno otkrivene antičestice gotovo svih poznatih elementarnih čestica.

Veliku ulogu u fizici elementarnih čestica imaju zakoni održanja koji uspostavljaju jednakost između određenih kombinacija veličina koje karakterišu početno i konačno stanje sistema. Arsenal zakona održanja u kvantnoj fizici je veći nego u klasičnoj fizici. Dopunjen je zakonima očuvanja različitih pariteta (prostornih, nabojnih), naboja (leptonskih, barionskih, itd.), Unutrašnjih simetrija karakterističnih za jednu ili drugu vrstu interakcije.

Izolacija karakteristika pojedinih subatomskih čestica je važna, ali samo početna faza razumijevanja njihovog svijeta. U sljedećoj fazi još uvijek moramo razumjeti koja je uloga svake pojedinačne čestice, koje su njene funkcije u strukturi materije.

Fizičari su otkrili da su, prije svega, svojstva čestice određena njenom sposobnošću (ili nesposobnošću) da učestvuje u jakim interakcijama. Čestice koje učestvuju u jakim interakcijama čine posebnu klasu i nazivaju se hadroni. Čestice koje učestvuju u slaboj interakciji, a ne učestvuju u jakoj interakciji nazivaju se leptoni. Osim toga, postoje čestice koje nose interakcije.

2.3. Leptoni.

Leptoni se smatraju zaista elementarnim česticama. Iako leptoni mogu, ali i ne moraju imati električni naboj, svi imaju spin od 1/2. Među leptonima najpoznatiji je elektron. Elektron je prva od otkrivenih elementarnih čestica. Kao i svi drugi leptoni, elektron se čini elementarnim (u pravom smislu riječi) objektom. Koliko je poznato, elektron se ne sastoji od drugih čestica.

Još jedan dobro poznati lepton je neutrino. Neutrini su najčešće čestice u Univerzumu. Univerzum se može zamisliti kao bezgranično neutrinsko more, u kojem se povremeno nalaze ostrva u obliku atoma. Ali uprkos takvoj rasprostranjenosti neutrina, veoma ih je teško proučavati. Kao što smo već napomenuli, neutrini su gotovo neuhvatljivi. Bez učešća u jakim ili elektromagnetnim interakcijama, oni prodiru kroz materiju kao da je uopšte nema. Neutrini su neka vrsta "duhova fizičkog svijeta".

Mioni su prilično rasprostranjeni u prirodi, čineći značajan dio kosmičkog zračenja. U mnogim aspektima, mion liči na elektron: ima isti naboj i spin, učestvuje u tim interakcijama, ali ima veliku masu (oko 207 elektronskih masa) i nestabilan je. Za otprilike dva milionitog dijela sekunde, mion se raspada na elektron i dva neutrina. Krajem 1970-ih otkriven je treći naelektrisani lepton, nazvan tau lepton. Ovo je veoma teška čestica. Njegova masa je oko 3500 masa elektrona. Ali u svim ostalim aspektima ponaša se kao elektron i mion.

Šezdesetih godina, lista leptona se značajno proširila. Utvrđeno je da postoji nekoliko vrsta neutrina: elektronski neutrina, mionskih neutrina i tau neutrina. Dakle, ukupan broj varijeteta neutrina je tri, a ukupan broj leptona šest. Naravno, svaki lepton ima svoju antičesticu; tako da je ukupan broj različitih leptona dvanaest. Neutralni leptoni učestvuju samo u slabim interakcijama; nabijeni - u slabim i elektromagnetnim. Svi leptoni učestvuju u gravitacionim interakcijama, ali nisu sposobni za jake.

2.4. Hadroni.

Ako postoji nešto više od desetak leptona, onda postoje stotine adrona. Takvo mnoštvo adrona sugerira da hadroni nisu elementarne čestice, već da su građeni od manjih čestica. Svi hadroni se nalaze u dvije varijante - električno nabijeni i neutralni. Među hadronima, najpoznatiji i najrašireniji su neutron i proton, koji pak pripadaju klasi nukleona. Preostali hadroni su kratkog vijeka i brzo se raspadaju. Hadroni učestvuju u svim fundamentalnim interakcijama. Dijele se na barione i mezone. Barioni uključuju nukleone i hiperone.

Da bi se objasnilo postojanje nuklearnih sila interakcije između nukleona, kvantna teorija je zahtijevala postojanje posebnih elementarnih čestica čija je masa veća od mase elektrona, ali manja od mase protona. Ove čestice, predviđene kvantnom teorijom, kasnije su nazvane mezoni. Mezoni su otkriveni eksperimentalno. Ispostavilo se da ih je cijela porodica. Ispostavilo se da su sve one kratkotrajne nestabilne čestice koje žive u slobodnom stanju milijardni dio sekunde. Na primjer, nabijeni pi-mezon ili pion ima masu mirovanja od 273 mase elektrona i životni vijek:

t = 2,6*10^(-8) s.

Nadalje, tokom studija na akceleratorima nabijenih čestica otkrivene su čestice čija je masa veća od mase protona. Ove čestice su nazvane hiperoni. Otkriveno ih je čak više od mezona. Porodica hiperona uključuje: lambda-, sigma-, xi- i omega-minus hiperone.

Postojanje i svojstva većine poznatih hadrona utvrđeni su eksperimentima na akceleratorima. Otkriće mnogo različitih hadrona 50-60-ih godina uvelike je zbunilo fizičare. Ali tokom vremena, hadroni su klasifikovani po masi, naelektrisanju i spinu. Postepeno je počela da se pojavljuje manje-više jasna slika. Pojavile su se specifične ideje o tome kako sistematizirati haos empirijskih podataka i otkriti misteriju adrona u naučna teorija. Odlučujući korak ovdje je napravljen 1963. godine, kada je predložena teorija kvarkova.

2.5. Teorija kvarkova.

Teorija kvarkova je teorija strukture adrona. Glavna ideja ove teorije je vrlo jednostavna. Svi hadroni su napravljeni od manjih čestica koje se nazivaju kvarkovi. To znači da su kvarkovi više elementarne čestice od hadrona. Kvarkovi su hipotetičke čestice jer nisu primećene u slobodnom stanju. Barionski naboj kvarkova je 1/3. Oni nose delimični električni naboj: imaju naelektrisanje čija je vrednost ili -1/3 ili +2/3 osnovne jedinice - naelektrisanja elektrona. Kombinacija dva i tri kvarka može imati ukupan naboj od nula ili jedan. Svi kvarkovi imaju spin S, pa su klasifikovani kao fermioni. Osnivači teorije kvarkova, Gell-Mann i Zweig, da bi uzeli u obzir sve hadrone poznate 60-ih godina, uveli su tri vrste (boje) kvarkova: u (od gore - gore), d (od dole - niže) i s (od čudno - čudno) .

Kvarkovi se mogu kombinovati jedan s drugim na jedan od dva moguća načina: ili u tripletima ili u parovima kvark-antikvark. Relativno teške čestice - barioni - sastoje se od tri kvarka. Najpoznatiji barioni su neutron i proton. Lakši parovi kvark-antikvark formiraju čestice koje se nazivaju mezoni – „međučestice“. Na primjer, proton se sastoji od dva u-kvarka i jednog d-kvarka (uud), a neutron se sastoji od dva d-kvarka i jednog u-kvarka (udd). Da se ovaj „trio“ kvarkova ne bi raspao potrebna je sila zadržavanja, određeni „ljepak“.

Ispostavilo se da je nastala interakcija između neutrona i protona u jezgri jednostavno rezidualni efekat snažnije interakcije između samih kvarkova. Ovo je objasnilo zašto jake interakcije izgledaju tako složene. Kada se proton "zalijepi" za neutron ili drugi proton, interakcija uključuje šest kvarkova, od kojih svaki stupa u interakciju sa svim ostalima. Značajan dio sile se troši na čvrsto lijepljenje trojke kvarkova, a mali dio se troši na pričvršćivanje dva tria kvarkova jedan za drugi. Ali kasnije se pokazalo da i kvarkovi učestvuju u slabim interakcijama. Slaba interakcija može promijeniti boju kvarka. Ovako dolazi do raspada neutrona. Jedan od d-kvarkova u neutronu pretvara se u u-kvark, a višak naboja odnosi elektron koji se rađa u isto vrijeme. Slično, promjenom okusa, slaba interakcija dovodi do raspada drugih hadrona.

Činjenica da su se svi poznati hadroni mogli dobiti iz različitih kombinacija tri fundamentalne čestice bila je trijumf teorije kvarkova. Ali 70-ih godina otkriveni su novi hadroni (psi čestice, ipsilon mezon, itd.). To je zadalo udarac prvoj verziji teorije kvarka, jer u njoj više nije bilo mjesta ni za jednu novu česticu. Sve moguće kombinacije kvarkova i njihovih antikvarkova su već iscrpljene.

Problem je riješen uvođenjem tri nove boje. Nazvane su c - kvark (čar), b - kvark (odozdo - dole, a češće ljepota - ljepota, ili šarm), a potom je uvedena još jedna boja - t (od vrha - vrh).

Do sada, kvarkovi i antikvarkovi nisu posmatrani u slobodnom obliku. Međutim, praktički nema sumnje u stvarnost njihovog postojanja. Štaviše, u toku je potraga za „pravim“ elementarnim česticama koje prate kvarkove – gluone, koji su nosioci interakcija između kvarkova, jer Kvarkovi se drže zajedno snažnom interakcijom, a gluoni (naboji u boji) su nosioci jake interakcije. Područje fizike čestica koje proučava interakciju kvarkova i gluona naziva se kvantna hromodinamika. Kao što je kvantna elektrodinamika teorija elektromagnetne interakcije, kvantna hromodinamika je teorija jake interakcije. Kvantna kromodinamika je kvantna teorija polja snažne interakcije kvarkova i gluona, koja se odvija razmjenom između njih - gluona (analozi fotona u kvantnoj elektrodinamici). Za razliku od fotona, gluoni međusobno djeluju, što posebno dovodi do povećanja jačine interakcije između kvarkova i gluona kako se oni udaljavaju jedan od drugog. Pretpostavlja se da upravo to svojstvo određuje djelovanje nuklearnih sila kratkog dometa i odsustvo slobodnih kvarkova i gluona u prirodi.

Prema modernim konceptima, hadroni imaju složenu unutrašnju strukturu: barioni se sastoje od 3 kvarka, mezoni - od kvarka i antikvarka.

Iako postoji određeno nezadovoljstvo kvarkovom šemom, većina fizičara smatra da su kvarkovi zaista elementarne čestice – točkaste, nedjeljive i bez unutrašnje strukture. U tom pogledu oni liče na leptone, i dugo se pretpostavljalo da mora postojati duboka veza između ove dvije različite, ali strukturno slične porodice.

Dakle, najvjerovatniji broj istinski elementarnih čestica (ne računajući nosioce fundamentalnih interakcija) na kraju dvadesetog vijeka je 48. Od toga: leptona (6x2) = 12 i kvarkova (6x3)x2 = 36.

2.6. Čestice su nosioci interakcija.

Spisak poznatih čestica nije ograničen samo na navedene čestice - leptone i hadrone, koji čine građevinski materijal materije. Ova lista ne uključuje, na primjer, foton. Postoji i druga vrsta čestica koje nisu direktno građevni materijal materije, ali pružaju sve četiri fundamentalne interakcije, tj. formiraju neku vrstu "ljepka" koji sprečava da se svijet raspadne. Takve čestice se nazivaju nosiocima interakcija, a određena vrsta čestica prenosi svoje interakcije.

Nositelj elektromagnetne interakcije između nabijenih čestica je foton. Foton je kvant elektromagnetnog zračenja, neutralna čestica nulte mase. Spin fotona je 1.

Teoriju elektromagnetne interakcije uvela je kvantna elektrodinamika.

Nosioci jake interakcije su gluoni. Ovo su hipotetičke električno neutralne čestice sa nultom masom i spinom 1. Kao i kvarkovi, gluoni imaju kvantnu karakteristiku "boje". Gluoni su nosioci interakcije između kvarkova, jer vežite ih u parove ili troje.

Nosioci slabe interakcije su tri čestice - W+, W- i Z° bozon. Otkrivene su tek 1983. Radijus slabe interakcije je izuzetno mali, tako da njeni nosioci moraju biti čestice sa velikom masom mirovanja. Prema principu nesigurnosti, životni vijek čestica sa tako velikom masom mirovanja trebao bi biti izuzetno kratak - samo oko 10n sec (gdje je n = -26). Radijus interakcije koje nose ove čestice je vrlo mali jer takve kratkovječne čestice nemaju vremena da se pomaknu jako daleko.

Sugerira se da je moguće i postojanje nosioca gravitacionog polja - gravitona (u onim teorijama gravitacije koje ga smatraju ne (samo) posljedicom zakrivljenosti prostor-vremena, već kao polje). Teoretski, graviton je kvant gravitacionog polja, koji ima nultu masu mirovanja, nulti električni naboj i spin 2. U principu, gravitoni se mogu detektovati u eksperimentu. Ali pošto je gravitaciona interakcija veoma slaba i praktično se ne manifestuje u kvantnim procesima, veoma je teško direktno detektovati gravitone, a do sada nijedan naučnik nije uspeo.

Klasifikacija čestica na leptone, hadrone i nosioce interakcija iscrpljuje nam poznat svijet subatomskih čestica. Svaka vrsta čestica igra svoju ulogu u oblikovanju strukture materije i Univerzuma.

3. Teorije elementarnih čestica.

3.1. Kvantna elektrodinamika (QED).

Kvantna teorija kombinuje kvantnu mehaniku, kvantnu statistiku i kvantnu teoriju polja.

Kvantna mehanika (talasna mehanika) je teorija koja uspostavlja metodu opisa i zakone kretanja mikročestica u datim vanjskim poljima. Omogućava nam da opišemo kretanje elementarnih čestica, ali ne i njihovo stvaranje ili uništenje, odnosno koristi se samo za opisivanje sistema sa konstantnim brojem čestica. Kvantna mehanika je jedna od glavnih grana kvantne teorije. Kvantna mehanika je po prvi put omogućila da se opiše struktura atoma i razumeju njihovi spektri, utvrdi priroda hemijskih veza, objasni periodični sistem elemenata, itd. Pošto su svojstva makroskopskih tela određena kretanjem i interakcijom čestice koje ih formiraju, zakoni kvantne mehanike su u osnovi razumijevanja većine makroskopskih fenomena. Tako je kvantna mehanika omogućila razumijevanje mnogih svojstava čvrste materije, objašnjavaju fenomene supravodljivosti, feromagnetizma, superfluidnosti i još mnogo toga Kvantnomehanički zakoni su u osnovi nuklearne energije, kvantne elektronike itd. Za razliku od klasične teorije, sve čestice djeluju u kvantnoj mehanici kao nosioci korpuskularnih i valnih svojstava, što nije isključeno , ali se međusobno nadopunjuju. Valna priroda elektrona, protona i drugih čestica potvrđena je eksperimentima difrakcije čestica. Stanje kvantnog sistema opisuje se talasnom funkcijom, čiji kvadrat modula određuje verovatnoću datog stanja i, posledično, verovatnoće za vrednosti fizičkih veličina koje ga karakterišu. Iz kvantne mehanike proizilazi da ne mogu sve fizičke veličine istovremeno imati tačne vrijednosti. Talasna funkcija se pokorava principu superpozicije, što posebno objašnjava difrakciju čestica. Posebnost kvantne teorije je diskretnost mogućih vrijednosti za niz fizičkih veličina: energija elektrona u atomima, kutni moment i njegova projekcija na proizvoljan smjer, itd.; u klasičnoj teoriji, sve ove veličine mogu se mijenjati samo kontinuirano. Fundamentalnu ulogu u kvantnoj mehanici igra Plankova konstanta - jedna od glavnih skala prirode, koja odvaja oblasti fenomena koje može opisati klasična fizika od oblasti za čije je pravilno tumačenje neophodna kvantna teorija. Plankova konstanta je nazvana po M. Plancku. To je jednako:

Ć = h/2π ≈ 1,0546. 10 ^(-34) J. s

Generalizacija kvantne mehanike je kvantna teorija polja - ovo je kvantna teorija sistema sa beskonačnim brojem stupnjeva slobode (fizičkih polja). Kvantna teorija polja je glavni aparat fizike elementarnih čestica, njihovih interakcija i međukonverzija. Potrebu za takvom teorijom generira kvantno-valni dualizam, postojanje valnih svojstava u svim česticama. U kvantnoj teoriji polja interakcija je predstavljena kao rezultat razmjene kvanta polja. Ova teorija uključuje teoriju elektromagnetnih (kvantna elektrodinamika) i slabih interakcija, koje se u modernoj teoriji pojavljuju kao jedinstvena cjelina (elektroslaba interakcija), te teoriju jake (nuklearne) interakcije (kvantna hromodinamika).

Kvantna statistika je statistička fizika kvantnih sistema koji se sastoje od velikog broja čestica. Za čestice sa cjelobrojnim spinom ovo je Bose Einstein statistika, a za čestice sa polucijelim spinom, ovo je Fermi-Diracova statistika.

Sredinom dvadesetog stoljeća stvorena je teorija elektromagnetne interakcije - kvantna elektrodinamika QED - ovo je teorija interakcije između fotona i elektrona, promišljena do najsitnijih detalja i opremljena savršenim matematičkim aparatom. QED se zasniva na opisu elektromagnetne interakcije koristeći koncept virtuelnih fotona – njegovih nosilaca. Ova teorija zadovoljava osnovne principe i kvantne teorije i relativnosti.

U središtu teorije je analiza činova emisije ili apsorpcije jednog fotona od strane jedne nabijene čestice, kao i anihilacija para elektron-pozitron u foton ili generiranje takvog para fotonima.

Ako su u klasičnom opisu elektroni predstavljeni kao čvrsta točkasta lopta, onda se u QED-u elektromagnetno polje koje okružuje elektron smatra oblakom virtuelnih fotona koji nemilosrdno prati elektron, okružujući ga energetskim kvantima. Nakon što elektron emituje foton, on proizvodi (virtualni) par elektron-pozitron, koji može anihilirati i formirati novi foton. Potonji se može apsorbirati originalnim fotonom, ali može generirati novi par, itd. Dakle, elektron je prekriven oblakom virtuelnih fotona, elektrona i pozitrona, koji su u stanju dinamičke ravnoteže. Fotoni se pojavljuju i nestaju vrlo brzo, a elektroni se ne kreću u prostoru duž dobro definiranih putanja. Još uvijek je moguće na ovaj ili onaj način odrediti početnu i završnu točku puta - prije i nakon raspršivanja, ali sama staza u intervalu između početka i kraja kretanja ostaje neizvjesna.

Opis interakcije pomoću čestice nosača doveo je do proširenja koncepta fotona. Uvode se koncepti realnog (kvant svetlosti vidljivog nama) i virtuelnog (prolaznog, sablasnog) fotona, koji „vide“ samo naelektrisane čestice koje se raspršuju.

Kako bi provjerili da li se teorija slaže sa stvarnošću, fizičari su se fokusirali na dva efekta koja su bila od posebnog interesa. Prvi se odnosio na nivoe energije atoma vodika, najjednostavnijeg atoma. Prema QED-u, nivoi bi trebali biti malo pomjereni u odnosu na poziciju koju bi zauzeli u odsustvu virtuelnih fotona. Drugi odlučujući test QED-a odnosio se na izuzetno malu korekciju sopstvenog magnetnog momenta elektrona. Teorijski i eksperimentalni rezultati ispitivanja QED-a poklapaju se s najvećom preciznošću - više od devet decimalnih mjesta. Ovakva upečatljiva korespondencija daje pravo da se QED smatra najnaprednijom od postojećih prirodnih naučnih teorija.

Nakon ovog trijumfa, QED je usvojen kao model za kvantni opis druge tri fundamentalne interakcije. Naravno, polja povezana sa drugim interakcijama moraju odgovarati drugim česticama nosača.

3.2. Teorija elektroslabe interakcije.

Sedamdesetih godina dvadesetog veka dogodio se izuzetan događaj u prirodnim naukama: dve fundamentalne interakcije od četiri fizike su spojene u jednu. Slika osnovnih principa prirode postala je nešto jednostavnija. Elektromagnetne i slabe interakcije, naizgled veoma različite prirode, zapravo su se ispostavile kao dvije varijante jedne elektroslabe interakcije. Teorija elektroslabe interakcije imala je odlučujući uticaj na dalji razvoj fizike elementarnih čestica krajem dvadesetog veka.

Osnovna ideja u konstruisanju ove teorije bila je da se opiše slaba interakcija jezikom koncepta mernog polja, prema kojem je ključ za razumevanje prirode interakcija simetrija. Jedna od fundamentalnih ideja u fizici druge polovine dvadesetog veka je verovanje da sve interakcije postoje samo da bi se održao određeni skup apstraktnih simetrija u prirodi. Kakve veze ima simetrija sa fundamentalnim interakcijama? Na prvi pogled, sama pretpostavka o postojanju takve veze izgleda paradoksalno i neshvatljivo.

Prije svega, o tome šta se podrazumijeva pod simetrijom. Općenito je prihvaćeno da objekt ima simetriju ako objekt ostane nepromijenjen kao rezultat jedne ili druge operacije transformacije. Dakle, sfera je simetrična jer izgleda isto kada se rotira pod bilo kojim uglom u odnosu na njen centar. Zakoni elektriciteta su simetrični u pogledu zamjene pozitivnih naboja negativnim i obrnuto. Dakle, pod simetrijom podrazumijevamo invarijantnost prema određenoj operaciji.

Postoje različite vrste simetrija: geometrijske, zrcalne, negeometrijske. Među negeometrijskim postoje takozvane gauge simetrije. Gauge simetrije su apstraktne prirode i nisu direktno fiksne. Oni su povezani sa promjenom referentnog nivoa, skale ili vrijednosti neke fizičke veličine. Sistem ima mjernu simetriju ako njegova priroda ostane nepromijenjena pod ovom vrstom transformacije. Tako, na primjer, u fizici rad ovisi o visinskoj razlici, a ne o apsolutnoj visini; napon - od razlike potencijala, a ne od njihovih apsolutnih vrijednosti itd. Simetrije na kojima se zasniva revizija razumijevanja četiri fundamentalne interakcije su upravo ove vrste. Transformacije mjerača mogu biti globalne ili lokalne. Gauge transformacije koje variraju od tačke do tačke poznate su kao "lokalne" transformacije kalibra. U prirodi postoji niz lokalnih simetrija kalibra i potreban je odgovarajući broj polja da se kompenziraju ove transformacije kalibra. Polja sila mogu se smatrati sredstvom pomoću kojeg priroda stvara svoj inherentni lokalni mjerač simetrija. Značaj koncepta mjerne simetrije je u tome što on teorijski modelira sve četiri fundamentalne interakcije koje se nalaze u prirodi. Svi se oni mogu smatrati mjernim poljima.

Predstavljajući slabu interakciju kao mjerno polje, fizičari polaze od činjenice da sve čestice koje učestvuju u slaboj interakciji služe kao izvori novog tipa polja – polja slabih sila. Čestice sa slabom interakcijom, poput elektrona i neutrina, nose „slab naboj“, koji je analogan električnom naboju i vezuje te čestice za slabo polje.

Da bi se polje slabe interakcije predstavilo kao kalibraciono polje, prvo je potrebno uspostaviti tačan oblik odgovarajuće kalibarske simetrije. Činjenica je da je simetrija slabe interakcije mnogo složenija od elektromagnetne. Uostalom, sam mehanizam ove interakcije ispada složeniji. Prvo, u raspadu neutrona, na primjer, slaba interakcija uključuje čestice najmanje četiri različita tipa (neutron, proton, elektron i neutrino). Drugo, djelovanje slabih sila dovodi do promjene njihove prirode (transformacije jednih čestica u druge zbog slabe interakcije). Naprotiv, elektromagnetna interakcija ne mijenja prirodu čestica koje u njoj učestvuju.

Ovo određuje činjenicu da slaba interakcija odgovara složenijoj mjernoj simetriji povezanoj s promjenom prirode čestica. Pokazalo se da su za održavanje simetrije ovdje potrebna tri nova polja sile, za razliku od jednog elektromagnetnog polja. Dobijen je i kvantni opis ova tri polja: trebalo bi da postoje tri nove vrste čestica - nosilaca interakcije, po jedna za svako polje. Kolektivno se nazivaju spin-1 teški vektorski bozoni i nosioci su slabe sile.

W+ i W- čestice su nosioci dva od tri polja povezana sa slabom interakcijom. Treće polje odgovara električno neutralnoj čestici nosioca, koja se zove Z čestica. Postojanje Z čestice znači da slaba interakcija možda neće biti praćena prijenosom električnog naboja.

U stvaranju teorije elektroslabe interakcije, koncept spontanog narušavanja simetrije odigrao je ključnu ulogu: ne mora svako rješenje problema imati sva svojstva svog prvobitnog nivoa. Dakle, čestice koje su potpuno različite pri niskim energijama mogu se zapravo pokazati kao jedna te ista čestica pri visokim energijama, ali u različitim stanjima. Na osnovu ideje o spontanom narušavanju simetrije, autori teorije elektroslabe interakcije, Weinberg i Salam, uspjeli su riješiti veliki teorijski problem - spojili su naizgled nespojive stvari: značajnu masu nositelja slabe interakcije, na jednoj ruku, i ideju mjerne invarijantnosti, koja pretpostavlja daleku prirodu mjernog polja, i znači nultu masu mirovanja čestica nosača, s druge strane. Tako su elektromagnetizam i slaba interakcija spojeni u jedinstvenu teoriju mjernog polja.

Ova teorija predstavlja samo četiri polja: elektromagnetno polje i tri polja koja odgovaraju slabim interakcijama. Osim toga, kroz prostor je uvedeno konstantno skalarno polje (vrsta Higgsovog polja), s kojim čestice različito djeluju, što određuje razliku u njihovim masama. Kvanti skalarnog polja su nove elementarne čestice sa nultim spinom. Zovu se Higgs (nazvani po fizičaru P. Higgsu, koji je sugerirao njihovo postojanje). Broj takvih Higgsovih bozona može doseći nekoliko desetina. Takvi bozoni još nisu eksperimentalno otkriveni. Štaviše, određeni broj fizičara smatra njihovo postojanje nepotrebnim, ali savršen teorijski model bez Higgsovih bozona još nije pronađen. U početku, W i Z kvanti nemaju masu, ali kršenje simetrije uzrokuje da se neke Higgsove čestice spoje sa W i Z česticama, dajući im masu.

Teorija objašnjava razlike u svojstvima elektromagnetnih i slabih interakcija kršenjem simetrije. Da simetrija nije narušena, tada bi obje interakcije bile uporedive po veličini. Kršenje simetrije povlači za sobom naglo smanjenje slabe interakcije. Možemo reći da je slaba interakcija tako mala jer su W i Z čestice vrlo masivne. Leptoni se retko sastaju na tako malim udaljenostima (r 10n cm, gdje je n = -16). Ali pri visokim energijama ( > 100 GeV), kada se W i Z čestice mogu slobodno proizvesti, razmjena W i Z bozona se odvija jednako lako kao i razmjena fotona (čestice bez mase). Razlika između fotona i bozona se briše.U ovim uslovima treba da postoji potpuna simetrija između elektromagnetne i slabe interakcije – elektroslaba interakcija.

Testiranje nove teorije sastojalo se od potvrđivanja postojanja hipotetičkih W i Z čestica. Njihovo otkriće postalo je moguće tek stvaranjem vrlo velikih akceleratora najnoviji tip. Otkriće W i Z čestica 1983. godine značilo je trijumf teorije elektroslabe interakcije. Više nije bilo potrebe da se govori o četiri fundamentalne interakcije. Ostalo ih je troje.

3.3. Kvantna hromodinamika.

Sljedeći korak na putu ka Velikom ujedinjenju fundamentalnih interakcija je spajanje jake interakcije s elektroslabom interakcijom. Da biste to učinili, potrebno je snažnoj interakciji dati karakteristike mjernog polja i uvesti generaliziranu ideju izotopske simetrije. Snažna interakcija može se smatrati rezultatom razmjene gluona, koji osiguravaju vezivanje kvarkova (u parovima ili tripletima) u hadrone.

Ideja je sljedeća. Svaki kvark ima analogni električni naboj, koji služi kao izvor gluonskog polja. Zvala se boja (naravno, ovo ime nema nikakve veze sa običnom bojom). Ako se elektromagnetno polje generiše naelektrisanjem samo jedne vrste, tada su bila potrebna tri različita naboja da bi se stvorilo složenije polje gluona. Svaki kvark je “obojen” u jednu od tri moguće boje, koje su sasvim proizvoljno nazvane crvenom, zelenom i plavom. I prema tome, antikviteti su anticrveni, antizeleni i antiplavi.

U sljedećoj fazi, teorija jake interakcije se razvija po istoj shemi kao i teorija slabe interakcije. Zahtjev za lokalnom mjernom simetrijom (tj. invarijantnost u odnosu na promjene boje u svakoj tački u prostoru) dovodi do potrebe za uvođenjem kompenzacijskih polja sile. Potrebno je ukupno osam novih kompenzacionih polja sile. Nosioci ovih polja su gluoni, pa teorija implicira da mora postojati čak osam različitih vrsta gluona, dok je nosilac elektromagnetne sile samo jedan (foton), a nosioca slabe sile su tri . Gluoni imaju nultu masu mirovanja i spin 1. Gluoni također imaju različite boje, ali ne čiste, već mješovite (na primjer, plavo-anti-zelene). Stoga je emisija ili apsorpcija gluona praćena promjenom boje kvarka („igra boja“). Tako se, na primjer, crveni kvark, koji gubi crveno-anti-plavi gluon, pretvara u plavi kvark, a zeleni kvark, apsorbirajući plavo-anti-zeleni gluon, pretvara se u plavi kvark. U protonu, na primjer, tri kvarka stalno izmjenjuju gluone, mijenjajući svoju boju. Međutim, takve promjene nisu proizvoljne prirode, već podliježu strogom pravilu: u svakom trenutku „ukupna“ boja tri kvarka mora biti bijela svjetlost, tj. zbir "crveno + zeleno + plavo". Ovo se takođe odnosi na mezone koji se sastoje od para kvark-antikvark. Budući da je antikvark karakteriziran antibojom, takva kombinacija je očigledno bezbojna („bijela“), na primjer, crveni kvark u kombinaciji sa anticrvenim kvarkom formira bezbojni mezon.

Sa stajališta kvantne hromodinamike (kvantne teorije boja), snažna interakcija nije ništa drugo nego želja da se održi određena apstraktna simetrija prirode: održavanje bijele boje svih hadrona uz promjenu boje njihovih sastavnih dijelova. Kvantna hromodinamika savršeno objašnjava pravila koja regulišu sve kombinacije kvarkova, međusobnu interakciju gluona, složenu strukturu hadrona koji se sastoji od kvarkova "obučenih" u oblake, itd.

Možda je preuranjeno vrednovati kvantnu hromodinamiku kao konačnu i potpunu teoriju snažne interakcije, ali njena dostignuća su ipak obećavajuća.

3.4. Na putu ka... Velikom ujedinjenju.

Sa stvaranjem kvantne hromodinamike, pojavila se nada u stvaranje jedinstvene teorije svih (ili barem tri od četiri) fundamentalnih interakcija. Modeli koji opisuju najmanje tri od četiri fundamentalne interakcije na jedinstven način nazivaju se Grand Unified modeli. Teorijske šeme koje kombinuju sve poznate vrste interakcija (jake, slabe, elektromagnetne i gravitacione) nazivaju se modeli supergravitacije.

Iskustvo uspješnog kombiniranja slabih i elektromagnetnih interakcija zasnovanih na ideji mjernih polja sugeriralo je moguće puteve daljeg razvoja principa jedinstva fizike i objedinjavanja temeljnih fizičkih interakcija. Jedna od njih se zasniva na neverovatnoj činjenici da konstante interakcije elektromagnetne, slabe i jake interakcije postaju jedna drugoj jednake pri istoj energiji. Ova energija se zvala energija ujedinjenja. Pri energijama iznad 10n GeV, gdje je n = 14, ili na udaljenostima r 10n cm, gdje je n = -29, jake i slabe interakcije su opisane jednom konstantom, tj. imaju zajedničku prirodu. Kvarkovi i leptoni se ovdje praktično ne razlikuju.

U 70-90-im godinama razvijeno je nekoliko konkurentskih teorija Velikog ujedinjenja. Svi su zasnovani na istoj ideji. Ako su elektroslabe i jake sile zapravo samo dvije strane velike ujedinjene sile, onda bi potonja također trebala imati povezano mjerno polje s nekom složenom simetrijom. Ona (simetrija) mora biti dovoljno opšta, sposobna da pokrije sve merne simetrije sadržane i u kvantnoj hromodinamici i u teoriji elektroslabe interakcije. Pronalaženje takve simetrije glavni je zadatak za stvaranje jedinstvene teorije jakih i elektroslabih interakcija. Postoje različiti pristupi koji dovode do konkurentskih verzija teorija Velikog ujedinjenja.

Međutim, sve ove hipotetičke verzije Velikog ujedinjenja imaju niz zajedničkih karakteristika:

Prvo, u svim hipotezama, kvarkovi i leptoni - nosioci jakih i elektroslabih interakcija - uključeni su u jednu teorijsku shemu. Do sada su se smatrali potpuno različitim objektima.

Drugo, korištenje apstraktnih mjernih simetrija dovodi do otkrića novih tipova polja koja imaju nova svojstva, na primjer, sposobnost transformacije kvarkova u leptone. U najjednostavnijoj verziji Velike ujedinjene teorije, potrebno je dvadeset i četiri polja da se kvarkovi transformišu u leptone. Već je poznato dvanaest kvanta ovih polja: foton, dvije W čestice, Z čestica i osam gluona. Preostalih dvanaest kvanta su novi superteški međubozoni, ujedinjeni pod zajedničkim imenom X i Y - čestice (sa električnim nabojem od 1/3 i 4/3). Ovi kvanti odgovaraju poljima koja održavaju širu simetriju i miješaju kvarkove s leptonima. Posljedično, kvanti ovih polja (tj. X i Y čestice) mogu transformirati kvarkove u leptone (i obrnuto).

Na osnovu Grand Unified teorija, predviđaju se najmanje dva važna obrasca koji se mogu i trebaju eksperimentalno testirati: nestabilnost protona i postojanje magnetnih monopola. Eksperimentalno otkrivanje raspada protona i magnetnih monopola moglo bi pružiti snažan argument u korist teorija Velikog ujedinjenja. Eksperimentalni napori su usmjereni na testiranje ovih predviđanja. Ali još uvijek nema čvrsto utvrđenih eksperimentalnih podataka o ovom pitanju. Činjenica je da se Grand Unified teorije bave energijama čestica iznad 10n GeV, gdje je n = 14. Ovo je vrlo visoka energija. Teško je reći kada će biti moguće dobiti čestice tako visokih energija u akceleratorima. Ovo posebno objašnjava poteškoće u otkrivanju X i Y bozona. Stoga je glavno područje primjene i testiranja teorija Velikog ujedinjenja kosmologija. Bez ovih teorija nemoguće je opisati ranu fazu evolucije Univerzuma, kada je temperatura primarne plazme dostigla 10n K, gdje je n = 27. U takvim uslovima su se superteške čestice mogle roditi i uništiti.

Tako postaje jasno da je dokazivanje teorije Velikog ujedinjenja glavni zadatak današnjih fizičara, jer ova teorija ne samo da će pomoći u povezivanju različitih fragmenata ljudskog znanja u jednu sliku, već će i napraviti korak ka razumijevanju porijekla Univerzuma.

Bibliografija.

Priručnik za učenike. 5-11 razredi. 2004

Kompjuterska enciklopedija Ćirila i Metodija. 2005

I. L. Rosenthal “Elementarne čestice i struktura svemira.” 1984