Мир элементарных частиц

Мир элементарны х частиц В сере дине и второй половине ХХ века в тех разделах физики , которые заняты изучени ем фундаментальной структуры материи , были по лучены поистине удивительные результаты . Прежде всего это проявилось в открытии целого множества новых субатомных частиц . Их обычно называют элементарными частицами , но д а леко не все из них действите льно элементарны . Многие из них в свою очередь состоят из еще более элементарных частичек. Мир субатомных частиц поистине многообраз ен . К ним относятся протоны и нейтроны , составляющие атомные ядра , а также обращающ иеся вокруг я дер электроны . Но есть и такие частицы , которые в окружающем н ас веществе практически не встречаются . Время их жизни чрезвычайно мало , оно составляет мельчайшие доли секунды . По истечении это го чрезвычайно короткого времени они распадаю тся на обычные част и цы . Таких нестабильных короткоживущих частиц поразительно много : их известно уже несколько сотен . В 60-70-е годы физики были совершенно сбиты с толку многочисленностью , разнообразием и необычностью вновь открытых субатомных ч астиц . Казалось , им не будет к онца . Совершенно непонятно , для чего столько частиц . Являются ли эти элементарные частицы хао тическими и случайными осколками материи ? Или , возможно , они таят в себе ключ к познанию структуры Вселенной ? Развитие физики в последующие десятилетия показало , ч то в существовании такой структуры не т никаких сомнений . В конце ХХ в . физик а начинает понимать , каково значение каждой из элементарных частиц. Миру субатомных частиц присущ глубокий и рациональный порядок . В основе этого порядка - фундаментальные физическ ие взаимодей ствия. 1.Фундам ентальные физические взаимодействия В свой повседневной жизни человек сталкивается с множеством сил , действующих на тела . Здесь и сила ветра или набегающего потока воды , давление воздуха , мощный выброс взрывающ ихся химических вещ еств , мускульная сила человека , вес тяжелых объектов , давление квантов света , притяжение и отталкивание элек трических зарядов , сейсмические волны , вызывающие подчас катастрофические разрушения , и вулкан ические извержения , приводившие к гибели циви лизации, и т . д . Одни силы дейст вуют непосредственно при контакте с телом , другие , например , гравитация , действуют на р асстоянии , через пространство . Но , как выяснило сь в результате развития теоретического естес твознания , несмотря на столь большое разнообр азие , все действующие в природе силы можно свести всего лишь к четырем фундаментальным взаимодействиям. Именно эти взаимодействия в конечном счете отвечают за все изменения в мире , именно они являются источником всех прео бразований тел и процессов . Изучение свойст в фундаментальных взаи модействий составляет главную задачу современной физики . 1.1. Грав итация В исто рии физики гравитация (тяготение ) стала первым из четырех фундаментальных взаимодействий пр едметом научного исследования . После появления в Х VII в . ньютон овской теории гравита ции - закона всемирного тяготения - удалось впер вые осознать истинную роль гравитации как силы природы . Гравитация обладает рядом осо бенностей , отличающих ее от других фундамента льных взаимодействий . Наиболее удивительной особенностью гравитации является ее малая интенсивность . Величина грави тационного взаимодействия между компонентами ато ма водорода составляет 10n , где n = - 3 9 , от силы в заимодействия электрических зарядов . (Если бы размеры атома водорода определялись гравитацией , а не взаимодействием между электрическ ими зарядами , то низшая (самая близкая к ядру ) орбита электрона по размерам превосхо дила бы доступную наблюдению часть Вселенной !) (Если бы размеры атома водорода определя лись гравитацией , а не взаимодействием между э л ектрическими зарядами , то низша я (самая близкая к ядру ) орбита электрона по размерам превосходила бы доступную на блюдению часть Вселенной !) . Может показаться удивительным , что мы вообще ощущ аем гравитацию , коль скоро она так слаба . Как она может оказаться господствующей силой во Вселенной ? Все дело во второй удивительной черте гравитации - ее универсальности . Ничто во Вселенной не избавлен о от гравитации . Каждая частица испытывает на себе действие гравитации и сама явл яется источником гравитации . Поскольку кажда я частица вещества вызывает гравитационное пр итяжение , гравитация возрастает по мере образ ования все больших скоплений вещества . Мы ощущаем гравитацию в повседневной жизни потом у , что все атомы Земли сообща притягивают нас . И хотя действие гравитацио н ного притяжения одного атома пренебрежимо мало , но результирующая сила притяжения с о стороны всех атомов может быть значител ьной . Гравитация - дальнодействующая сила природы . Это означает , ч то , хотя интенсивность гравитационного взаимодейс твия убывает с р асстоянием , оно распро страняется в пространстве и может сказываться на весьма удаленных от источника телах . В астрономическом масштабе гравитационное взаи модействие , как правило , играет главную роль . Благодаря дальнодействию гравитация не позволя ет Вселен н ой развалиться на части : она удерживает планеты на орбитах , звезд ы в галактиках , галактики в скоплениях , ск опления в Метагалактике. Сила гравитации , действующая между частиц ами , всегда представляет собой силу притяжения : она стремится с близить частицы . Гра витационное отталкивание никогда еще не наблюдалось (Хотя в тр адициях квазинаучной мифологии есть целая обл асть , которая называется левитация - поиск "факт ов " антигравитации ). Поскольку энергия , запасенная в любой частице , всегда положительна и наделяет е е положительной массой , частицы под действием гравитации всегда стре мятся сблизиться. Чем является гравитация , не ким полем или проявлением искривления простра нства-времени , - на этот вопрос по ка еще однозначного ответа нет . Как уже отмечалось нами , существу ют разные мнен ия и концепции физиков на сей счет . 1.2. Элек тромагнетизм По вел ичине электрические силы намного превосходят гравитационные . В отличие от слабого гравитац ионного взаимодействия , электрические силы , действ ующие между телами обычных размеров , мож но легко наблюдать . Электромагнетизм известен людям с незапамятных времен (полярные сияния , вспышки молнии и др .). В течение долгого времени электрические и магнитные процессы изучались независимо друг от друга . Как мы уже знаем , реш ающий шаг в познани и электромагнетизма сделал в середине XIX в . Дж . К . Максвелл , объединивший электричество и магнетизм в е диной теории электромагнетизма - первой единой теории поля . Существование электрона было твердо устан овлено в 90-e годы прошлого столетия . Ныне из вестн о , что электрический заряд любой частицы вещества всегда кратен фундаментальной единице заряда - своего рода "атому " заряда . Почему это так - чрезвычайно интересный воп рос . Однако не все материальные частицы яв ляются носителями электрического заряда . Напр и мер , фотон и нейтрино электрическ и нейтральны . В этом отношении электричество отличается от гравитации . Все материальные частицы создают гравитационное поле , тогда как с электромагнитным полем с вязаны только заряженные частицы. Как и электрические заряды , одноимен ные магнитные полюса отталкиваются , а разноим енные - притягиваются . Однако в отличие от электрических зарядов магнитные полюса встречают ся не по отдельности , а только парами - северный полюс и южный полюс . Еще с древнейших времен известны попы тки п олучить посредством разделения магни та лишь один изолированный магнитный полюс - монополь . Но все они заканчивались неудаче й . Может быть , существование изолированных маг нитных полюсов в природе исключено ? Определен ного ответа на этот вопрос пока не су щест в ует . Некоторые теоретические кон цепции допускают возможность существования моноп оля. Как электрическое и гравитационное взаимо действия , взаимодействие магнитных полюсов подчин яется закону обратных квадратов . Следовательно , электрическая и магнитная силы "д альнодействующие ", и их действие ощути мо на больших расстояниях от источника. Так , магнитное поле Земли прости рается далеко в космическое пространство . Мощ ное магнитное поле Солнца заполняет всю С олнечную систему . Существуют и галактические магнитные поля. Электромагнитное взаимодействие определяет с труктуру атомов и отвечает за подавляющее большинство физических и химических явлений и процессов (за исключением ядерных ). 1.3. Слаб ое взаимодействие К выяв лению существования слабого взаимодействия физик а прод вигалась медленно . Слабое взаимодей ствие ответственно за распады частиц ; и по этому с его проявлением столкнулись с отк рытием радиоактивности и исследованием бета-распа да. У бета-распада обнаружилась в высшей с тепени странная особенность . Исследования приво дили к выводу , что в этом распаде нарушается один из фундаментальных законов физики - закон сохранения энергии . Казалось , что в этом распаде часть энергии куда-т о исчезала . Чтобы "спасти " закон сохранения энергии , В . Паули предположил , что вместе с электр о ном при бета -распаде вылетает еще одна частица . Она - нейтральн ая и обладающая необычайно высокой проникающе й способностью , вследствие чего ее не удав алось наблюдать . Э . Ферми назвал частицу-невиди мку "нейтрино ". Но предсказание и обнаружение нейтрино - это только начало проблемы , ее постано вка . Нужно было объяснить природу нейтрино , но здесь оставалось много загадочного . Дело в том , что и электроны и нейтрино испускались нестабильными ядрами . Но было н еопровержимо доказано , что внутри ядер таких частиц н ет . Как же они возн икали ? Было высказано предположение , что элект роны и нейтрино не существуют в ядре в "готовом виде ", а каким-то образом образую тся из энергии радиоактивного ядра . Дальнейши е исследования показали , что входящие в со став ядра нейтроны , пр е доставленные самим себе , через несколько минут распадают ся на протон , электрон и нейтрино , т.е . вместо одной частицы появляются три новые . Анализ приводил к выводу , что известные силы не могут вызвать такой распад . Он , видимо , порождался какой-то иной , не и звестной силой . Исследования показали , что этой силе соответствует некоторое слабое взаимодействие . Оно гораздо слабее электромагнитного , хот я и сильнее гравитационного . Оно распространя ется на очень незначительных расстояниях . Рад иус слабого взаимодейств ия очень мал. Слабое взаимодействие прекращается на расстоянии , большем 10n см (где n = - 1 6 ) от ис точника и потому не может влиять на м акроскопические объекты , а ограничивается отдельн ыми субатомными частицами . Впоследствии выяснилос ь , что большинство н естабильных элементар ных частиц участвует в слабом взаимодействии. Теория слабого взаимодействия была создан а в конце б0-х годов С . Вайнбергом и А . Саламом . С момента построения Максвеллом теории электромагнитного поля создание этой теории явилось самым кр упным шагом на пути к единству физики. 10.1.4. Сил ьное взаимодействие Последнее в ряду фундаментальных взаимодействий - сильн ое взаимодействие , которое является источником огромной энергии . Наиболее характерный пример энергии , высвобождаемой сильным взаимо де йствием , - это наше Солнце . В недрах Солнца и звезд , начиная с определенного времени , непрерывно протекают термоядерные реакции , в ызываемые сильным взаимодействием . Но и челов ек научился высвобождать сильное взаимодействие : создана водородная бомба , ско н ст руированы и совершенствуются технологии управляе мой термоядерной реакции . К представлению о существовании сильного взаимодействия физика шла в ходе изучени я структуры атомного ядра . Какая-то сила д олжна удерживать протоны в ядре , не позвол яя им разлетат ься под действием элект ростатического отталкивания . Гравитация для этого слишком слаба ; очевидно , необходимо какое-то новое взаимодействие , причем , более сильное , чем электромагнитное . Впоследствии оно было о бнаружено . Выяснилось , что хотя по своей в еличи н е сильное взаимодействие сущест венно превосходит все остальные фундаментальные взаимодействия , но за пределами ядра оно не ощущается . Радиус действия новой силы оказался очень малым . Сильное взаимодействие резко падает на расстоянии от протона или нейтрона , превышающем примерно 10n см (где n = - 13). Кроме того , выяснилось , что сильное вз аимодействие испытывают не все частицы . Его испытывают протоны и нейтроны , но электроны , нейтрино и фотоны не подвластны ему . В сильном взаимодействии участвуют только бол е е тяжелые частицы . Теоретическое объяснение природы сильного взаимодействия развивалось трудно . Прорыв намет ился в начале 60-х годов , когда была пре дложена кварковая модель . В этой теории не йтроны и протоны рассматриваются не как э лементарные частицы , а к ак составные с истемы , построенные из кварков . Таким образом , в фундаментальных физическ их взаимодействиях четко прослеживается различие сил дальнодействующих и близкодействующих . С одной стороны , имеют место взаимодействия неограниченного радиуса действия (гравитация , электромагнетизм ), а с другой - взаимодействия малого радиуса действия (сильное и слабое ). Мир физических элементов в целом развер тывается в единстве этих двух полярностей и является воплощением единства предельно малого и предельно большого - близкод ействия в микромире и дальнодействия во в сей Вселенной. 1.5. Проб лема единства физики Познание есть обобщение действительности , и поэтому цель науки - поиск единства в природе , связ ывание разрозненных фрагментов знания в едину ю картину . Для того ч тобы создать единую систему , нужно открыть связующее звено между различными отраслями знания , некоторое фундаментальное отношение . Поиск таких связе й и отношений - одна из главных задач н аучного исследования . Всякий раз , когда удаетс я установить такие нов ы е связи , значительно углубляется понимание окружающего мира , формируются новые способы познания , кото рые указывают путь к не известным ранее явлениям . Установление глубинных связей между разли чными областями природы - это одновременно и синтез знания , и м етод , направляющий научные исследования по новым , непроторенным дорогам . Выявление Ньютоном связи между при тяжением тел в земных условиях и движение м планет ознаменовало собой рождение классиче ской механики , на основе которой построена технологическая баз а современной цив илизации . Установление связи термодинамических св ойств газа с хаотическим движением молекул поставило на прочную основу атомно-молекулярную теорию вещества . В середине прошлого стол етия Максвелл создал единую электромагнитную теорию , охват и вшую как электрические , так и магнитные явления . Затем в 20-х г . нашего века Эйнштейн предпринимал попытк и объединить в единой теории электромагнетизм и гравитацию. Но к середине ХХ в . положение в физике радикально изменилось : были открыты два новых фундам ентальных взаимодействия - сильное и слабое , т.е . при создании единой физики приходится считаться уже не с двумя , а с четырьмя фундаментальными взаимо действиями . Это несколько охладило пыл тех , кто надеялся на быстрое решение данной проблемы . Но сам замыс е л под сомнение всерьез не ставился , и увлеченност ь идеей единого описания не прошла . Существует точка зрения , что все четыре (или хотя бы три ) взаимодействи я представляют собой явления одной природы и должно быть найдено их единое теорет ическое описание . Перспектива создания едино й теории мира физических элементов на осн ове одного-единственного фундаментального взаимодейст вия остается весьма привлекательной . Это глав ная мечта физиков ХХ в . Но долгое врем я она оставалась лишь мечтой , и очень неопределенной. Однако во второй половине ХХ в . по явились предпосылки осуществления этой мечты и уверенность , что это дело отнюдь не отдаленного будущего . Похоже , что вскоре она вполне может стать реальностью . Решающий ша г на пути к единой теории был сделан в 6О -70-х гг . с созданием сначала теории кварков , а затем и теории элек трослабого взаимодействия . Есть основания для мнения , что мы стоим на пороге более м огущественного и глубокого объединения , чем к огда-либо ранее . Среди физиков усиливается убе ждение , что начинают в ырисовываться контуры единой теории всех фундаментальных вз аимодействий - Великого объединения. 2. Класси фикация элементарных частиц 2.1. Характеристики субатомных части ц Историческ и первыми экспериментально обнаруженными элемент арными частицами были элект рон , протон , а затем нейтрон . Казалось , что этих част иц и фотона (кванта электромагнитного поля ) достаточно для построения известных форм в ещества - атомов и молекул . Вещество при та ком подходе строилось из протонов , нейтронов и электронов , а фотоны осуще с твляли взаимодействие между ними . Однако , вско ре выяснилось , что мир устроен значительно сложнее . Было установлено , что каждой частиц е соответствует своя античастица , отличающаяся от нее лишь знаком заряда . Для частиц с нулевыми значениями всех зарядов ан т ичастица совпадает с частицей (пр имер - фотон ). Далее , по мере развития экспер иментальной ядерной физики к этим частицам добавилось еще свыше 300 частиц (!). Характеристиками субатомных частиц являются масса , электрический заряд , спин (собственный момент к оличества движения ), время жи зни частицы , магнитный момент , пространственная четность , лептонный заряд , барионный заряд и др. Когда говорят о массе частицы , имеют в виду ее массу покоя , поскольку эта масса не зависит от состояния движения . Частица , имеющая нулевую массу покоя , движется со скоростью света (фотон ). Нет дв ух частиц с одинаковыми массами . Электрон - самая легкая частица с ненулевой массой покоя . Протон и нейтрон тяжелее электрона почти в 2000 раз . А самая тяжелая из извес тных элементарных част и ц (Z -частицы ) обладает массой в 200 000 раз больше массы э лектрона. Электрический заряд меняется в довольно узком диапазоне и всегда кратен фундамен тальной единице заряда - заряду электрона (-1). Нек оторые частицы (фотон , нейтрино ) вовсе не и меют заряда. Важная характеристика частицы - спин . Он также всегда кратен некоторой фундаментальной единице , которая выбрана равной Ѕ . Так , протон , нейтрон и электрон имеют спин Ѕ , а спин фотона равен 1. Известны частицы со спином 0, 3 / 2 , 2. Частица со спином 0 п р и любом угле поворота выглядит одинак ово . Частицы со спином 1 принимают тот же вид после полного оборота на 360° . Частиц а со спином 1/2 приобретает прежний вид посл е оборота на 720° и т.д . Частица со с пином 2 принимает прежнее положение через пол-о борота (180° ). Частиц со спином боле е 2 не обнаружено , и возможно их вообще не существует . В зависимости от спина , все частицы делятся на две группы : · бозоны - частицы со спинами 0,1 и 2; · фермионы - частицы с полуцелыми спина ми (Ѕ ,3 / 2 ) Частицы характери зуются и временем их жизни . По это му признаку частицы делятся на стабильные и нестабильные . Стабильные частицы - это эле ктрон , протон , фотон и нейтрино . Нейтрон ст абилен , когда находится в ядре атома , но свободный нейтрон распадается примерно за 15 минут. Все остальные известные частиц ы - нестабильны ; время их жизни колеблется от нескольких микросекунд до 1 0 n сек (где n = - 2 3 ). Большую роль в физике элементарных ча стиц играют законы сохранения , устанавливающие равенство между определенными комбинациям и величин , характеризующих начальное и конечно е состояние системы . Арсенал законов сохранен ия в квантовой физике больше , чем в кл ассической . Он пополнился законами сохранения различных четностей (пространственной , зарядовой ), зарядов (лептонного , барионно г о и др .), внутренних симметрий , свойственных тому ил и иному типу взаимодействия. Выделение характеристик отдельных субатомных частиц - важный , но только начальный этап познания их мира . На следующем этапе нужно еще понять , какова роль каждой отдел ьной част ицы , каковы ее функции в и структуре материи. Физики выяснили , что прежде всего свой ства частицы определяются ее способностью (ил и неспособностью ) участвовать в сильном взаим одействии . Частицы , участвующие в сильном взаи модействии , образуют особый класс и назы ваются адронами. Част ицы , участвующие в слабом взаимодействии и не участвующие в сильном , называются лептонами . Кроме того , су ществуют частицы - переносчики взаи модействий . Рассмотрим свойства этих основных типов частиц. 2.2. Лепт оны Хотя л ептоны могут иметь электрический заряд , а могут и не иметь , спин у всех у них равен Ѕ . Среди лептонов наиболее известен электрон . Электрон - это первая из открытых элементарных частиц . Как и все остальные лептоны , электрон , по-видимому , являетс я элементарным (в собс т венном смыс ле этого слова ) объектом . Насколько известно , электрон не состоит из каких-то других частиц. Другой хорошо известный лептон - нейтрино . Нейтрино являются наиболее распространенными частицами по Вселенной . Вселенную можно пре дставить безбрежным н ейтринным морем , в котором изредка встречаются острова в виде атомов . Но несмотря на такую распростране нность нейтрино , изучать их очень сложно . Как мы уже отмечали , нейтрино почти неулов имы . Не участвуя ни в сильном , ни в электромагнитном взаимодействиях, они проника ют через вещество , как будто его вообще нет . Нейтрино - это некие "призраки физическо го мира ". Достаточно широко распространены в природ е мюоны , на долю которых приходится значит ельная часть космического излучения . Во многи х отношениях мюон на поминает электрон : имеет тот же заряд и спин , участвует в тех те взаимодействиях , но имеет боль шую массу и нестабилен . Примерно за две миллионные доли секунды мюон распадается н а электрон и два нейтрино . В конце 70-х годов был обнаружен третий заряженный л ептон , получивший название "тау - л ептон ". Это очень тяжелая частица . Ее масса около 3500 масс электрона . Но во всем ост альном он ведет себя подобно электрону и мюону . В 60-х годах список лептонов значительн о расширился . Было установлено , что существует н есколько типов нейтрино : электронное нейтрино , мюонное нейтрино и тау-нейтрино . Таким образом , общее число разно видностей нейтрино равно трем , а общее чис ло лептонов - шести . Разумеется , у каждого л ептона есть своя античастица ; таким образом , общее число р азличных лептонов равно двенадцати. Нейтральные лептоны у частвуют только в слабом взаимодействии ; заря женные - в слабом и электромагнитном. Таблица ( Античастицы в таблицу не включены ) Название Масса Заряд Электрон 1 -1 Мюон 206,7 -1 Тау-лептон 3536,0 -1 Электронное нейтрин о 0 0 (Имеются данные , свидетельствующие о том , что нейтрино могут обладать небольшой массой ) Мюонное нейтрино 0 0 Тау-нейтрино 0 0 2.3. Адроны Если лептонов существует чуть свыше десятка , то адронов сотни . Такое множество адронов н аводит на мысль , что адроны не эле ментарные частицы , а построены из более ме лких частиц. Все адроны встречаю тся в двух разновидностях - электрически заряж енные и нейтральные . Среди адронов наиболее известны и широко распространены нейтрон и протон . Остальн ые адроны короткоживущие и быстро распадаются . Это класс т.н . б арионов (тяжелые частицы гипероны ) и большое семейство мезонов (мезонные резонансы ).Адроны участвуют в сильном , слабом и электромагнит ном взаимодействиях. Существование и свойства большинства и звестных адронов были установлены в о пытах на ускорителях . Открытие множества разн ообразных адронов в 50-60-x годах крайне озадачило физиков . Но со временем адроны удалось классифицировать по массе , заряду и спину . Постепенно стала выстраиваться более или менее четкая картина . Появились к онкретные идеи о том , как систематизировать хаос эмпирических данных , раскрыит тайну ад ронов в научной теории . Решающий шаг здесь был сделан в 1963 г ., когда была предложе на теория кварков. 2.4. Част ицы - переносчики взаимо действий Перечень известных частиц не исчерпывается перечисленны ми частицами - лептами и адронами - образующих строительный материал вещества . В этот пе речень не включен , например фотон . Есть еще один тип частиц , которые не являются непосредственно строите льным материалом материи , а обеспечивают четыре фун даментальных взаимодействия , т.е . образуют своего рода "клей ", не позволяющий миру распадать ся на части . Переносчиком электромагнитного взаимодействия выступает фотон . Те ория электромагнитного взаимодейст вия была представлена квантовой электродинамикой . Переносчики сильного взаимодействия - глюоны . Глюоны - переносчики взаимодействия между кварками , связывающие и х попарно или тройками. Переносчики слабого взаимодействия три ча стицы - W ± и Z ° бозоны . Они были открыты лишь в 1983 г . Радиус слабого взаимодействия чрезвычайно мал , поэтому его переносчиками должны быть частицы с большими массами покоя . В соо тветствии с принципом неопределенности время жизни частиц с такой большой массой покоя должно быть чре з вычайно коротким - всего лишь около 10 n сек (где n = - 2 6 ). Радиус переносимого этими взаимодействия очень мал потому , что столь короткоживущие частицы не успевают отойти особенно далеко . Высказывается мнение , что возможно сущест вование и переносчика г равитационного пол я - гравитона (в тех теориях гравитации , которые рассматривают ее не (только ) как следствие искривления п ространства-времени , а как поле ). Спин гравитона равен 2. В принципе гравитоны можно зафикс ировать в эксперименте . Но поскольку грави тационное взаимодействие очень слабое и в квантовых процессах практически не про является , то непосредственно зафиксировать гравит оны очень сложно. Классификация частиц на лептоны , адроны и переносчики взаимодействий исчерпывает мир известных нам субатомных частиц . Каждый вид частиц играет свою роль в формиров ании структуры материи и Вселенной . 3. Теории элементарных частиц 3.1. Квантовая электродинамика (КЭД ) Квантовая механика позволяет описывать движение элемен тарных частиц , но не их порождение или уничт ожение , т . е . применяется лишь д ля описания систем с неизменным числом ча стиц . Обобщением квантовой механики является квантовая теория поля - это квантовая теория систем с бесконечным числом степеней свобо ды (физических полей ). Потребность в такой теории п орождается квантово-волновым дуа лизмом , существованием волновых свойств у все х частиц . В квантовой теории поля взаимоде йствие представляют как результат обмена кван тами поля. В середине ХХ в . была создана теор ия электромагнитного взаимодействия - квантовая электродинамика КЭД - это продуманная до мельчайших деталей и оснащенн ая совершенным математическим аппаратом теория взаимодействия фотонов и электронов . В осно ве КЭД - описание электромагнитного взаимодействия с использованием понятия виртуальных фотонов - его переносчиков . Эта тео рия удовлетворяет основным принципам как кван товой теории , так и теории относительности. В центре теории анализ актов испускан ия или поглощения одного фотона одной зар яженной частицей , а также аннигиляции электро нно-позитронной пары в фотон или порожде ние фотонами такой пары. Если в классическом описании электроны представляются в виде твердого точечного ш арика , то в КЭД окружающее электрона элект ромагнитное поле рассматривается как облако в иртуальных фотонов , которое неотступно следу ет за электроном , окружая его квантами эне ргии . После того , как электрон испускает ф отон , тот порождает (виртуальную ) электрон-позитрон ную пору , которая может аннигилировать с о бразованием нового фотона . Последний может по глотиться исходным фотоном , н о может породить новую пару и т.д . Таким образ ом электрон покрывается облаком виртуальных ф отонов , электронов и позитронов , находящихся в состоянии динамического равновесия . Фотоны в озникают и исчезают очень быстро , а электр оны движутся в пространстве не п о вполне определенным траекториям . Еще можно тем или иным способом определить начальную и конечную точки пути - до и после рассеяния , но сам путь в промежутке между началом и концом движения остается неопределенным . Описание взаимодействия с помощью части цы-переносчика привело к расширению понят ия фотона . Вводятся понятия реального (кванта видимого нами света ) и виртуального (скор отечного , призрачного ) фотона , который "видят " т олько заряженные частицы , претерпевающие рассеяни е . Чтобы проверить , согласуетс я ли те ория с реальностью , физики сосредоточили вним ание на двух эффектах , представлявших особый интерес . Первый касался энергетических уровн ей атома водорода - простейшего атома . Согласно КЭД , уровни должны быть слегка смещены относительно положения , кот о рое они занимали бы в отсутствие виртуальных фот онов . Вторая решающая проверка КЭД касалась чрезвычайно малой поправки к собственному магнитному моменту электрона . Теоретические и экспериментальные результаты проверки КЭД совпад ают с высочайшей точностью - более дев яти знаков после запятой . Столь поразительное соответствие дает право считать КЭД наиб олее совершенной из существующих естественно-науч ных теорий. После подобного триумфа КЭД была прин ята как модель для квантового описания тр ех других фундаментал ьных взаимодействий . Разумеется , полям , связанным с другими взаимод ействиями , должны соответствовать иные частицы-пер еносчики. 3.2. Теор ия кварков Теория кварков - это теория строения адронов . Основ ная идея этой теории очень проста . Все адроны построены из более мелких част иц , называемых кварками . Значит , кварки - это более элементарные частицы , чем адроны . Квар ки несут дробный электрический заряд : они обладают зарядом , величина которого составляет либо -1 / 3 или +2 / 3 фундаментальной единицы - заряда эл е ктрона. Комбинация из двух и трех кварков может иметь су ммарный заряд , равный нулю или единице . Вс е кварки имеют спин Ѕ ,поэтому они отн осятся к фермионам . Основоположники теории кв арков Гелл-Манн и Цвейг , чтобы учесть все известные в 60-е гг . адроны ввели три сорта (аромата ) кварков : u (от up- верхний ), d ( от down- нижний ) и s (от strange - странный ). Кварки могут соединяться друг с друго м одним из двух возможных способов : либо тройками , либо парами кварк - антикварк . Из трех кварков состоят сравнительно т я желые частицы - барионы , что означает "тяжелые частицы ". Наиболее известны из барионов н ейтрон и протон . Более легкие пары кварк - антикварк образуют частицы , получившие назва ние мезоны - "промежуточные частицы ". Например , п ротон состоит из двух u- и одн о го d-кварков (uud), а нейтрон - из двух d-кварков и одного u-кварка (udd).Чтобы это "трио " ква рков не распадалось , необходима удерживающая их сила , некий "клей ". Оказалось , что результирующее взаимодействие между нейтронами и протонами в ядре представляет собой просто остаточный эффект более мощного взаимодействия между самими кварками . Это объяснило , почему сильное взаи модействие кажется столь сложным . Когда прото н "прилипает " к нейтрону или другому прото ну , во взаимодействии участвуют шесть кварков , каж д ый из которых взаимодействуе т со всеми остальными . Значительная часть сил тратится на прочное склеивание трио к варков , а небольшая - на скрепление двух тр ио кварков друг с другом . (Но выяснилось , что кварки участвуют и в слабом взаимо действии . Слабое взаи м одействие может изменять аромат кварка . Именно так происх одит распад нейтрона . Один из d-кварков в нейтроне превращается в u-кварк , а избыток заряда уносит рождающийся одновременно электро н . Аналогичным образом , изменяя аромат , слабое взаимодействие приво д ит к распад у и других адронов .) То обстоятельство , что из различных ко мбинаций трех основных частиц можно получить все известные адроны , стало триумфом теор ии кварков . Но в 70-е гг . были открыты новые адроны (пси-частицы , ипсилон-мезон и др .). Этим был нан есен удар первому в арианту теории кварков , поскольку в ней уж е не было места ни для одной новой частицы . Все возможные комбинации из кварко в и их антикварков были уже исчерпаны . Проблему удалось решить за счет введе ния трех новых ароматов . Они получили на звание - charm (очарование ), или с ; b -кварк (от bottom - дн о , а чаще beauty - красота , или прелесть ); впоследс твии был введен еще один аромат - t ( от top - верхний ). Кварки скрепляются между собой сильным взаимодействием . Переносчики сильного взаимодейс твия - глюоны (цветовые заряды ). Область физики элементарных частиц , изучающая взаимодейст вие кварков и глюонов , носит название кван товой хромодинамики . Как квантовая электродинамик а - теория электромагнитного взаимодействия , так квантовая хромодинамика - теория сильного взаимодействия . Хотя и существует некоторая неудовлетворе нность кварковой схемой , большинство физиков считает кварки подлинно элементарными частицами - точечными , неделимыми и не обладающими в нутренней структурой . В этом отношении они нап оминают лептоны , и уже давно пре дполагается , что между этими двумя различными , но сходными по своей структуре семейства ми должна существовать глубокая взаимосвязь . Таким образом , наиболее вероятное число истинно элементарных частиц (не считая пере носчиков фундаментальных взаимодействий ) на конец ХХ века равно 48. Из них : лептонов (6х 2) = 12 плюс кварков (6х 3)х 2 =36. 3.3. Теор ия электрослабого взаимодействия В 70-е ХХ века в естествознании произошло выдающе еся событие : два взаимодействия из четырех физики о бъединили в одно . Картина ф ундаментальных оснований природы несколько упрос тилась . Электромагнитное и слабое взаимодействия , казалось бы весьма разные по своей п рироде , в действительности оказались двумя ра зновидностями единого т.н . электрослабого взаимод е йствия . Теория электрослабого взаимо действия решающим образом повлияла на дальней шее развитие физики элементарных частиц в конце ХХ в. Главная идея в построении этой теории состояла в описании слабого взаимодействия на языке концепции калибровочного поля , в соответствии с которой ключом к пониманию природы взаимодействий служит симмет рия . Одна из фундаментальных идей в физике второй половины ХХ в . - это убеждение , что все взаимодействия существуют лишь для того , чтобы поддерживать в природе некий набор абс т рактных симметрий . Какое отношение имеет симметрия к фундаментальным взаимодействиям ? На первый взгляд , само п редположение о существовании подобной связи к ажется парадоксальным и непонятным . Прежде всего о том , что понимается под симметрией . Принято счита ть , что предмет обладает симметрией , если предмет о стается неизменным в результате проведения то й или иной операции по его преобразованию . Так , сфера симметрична , потому что выгляд ит одинаково при повороте на любой угол относительно ее центра . Законы элек т ричества симметричны относительно замены положительных зарядов отрицательными и наоборот. Таким образом , под симметрией мы понимаем инвариантность отн осительно некой операции . Существуют разные типы симметрий : геометр ические , зеркальные , негеометрические. Среди негеометрических есть так называемые калибровочные симметрии . Калибро вочные симметрии носят абстрактный характер и непосредственно не фиксируются . Они связаны с изменением отсчета уровня , масштаба или значения некоторой физической величины . Система обладает калибровочной симметрией , если е е природа остается неизменной при такого рода преобразовании . Так , например , в физике работа зависит от разности вы сот , а не от абсолютной высоты ; напряжение - от разности потенциалов , а не от их абсолютных величин и др . Симметрии , на которых основан пересмотр понимания четыре х фундаментальных взаимодействий , именно такого рода . Калибровочные преобразования могут быть глобальными и локальными . Калибровочные прео бразования , изменяющиеся от точки к точке , известны под названием "локальных " кал ибровочных преобразований . В природе существует целый ряд локальных калибровочных симметрий и необходимо соответствующее число полей д ля компенсации этих калибровочных преобразований. Силовые поля можно рассматрива ть как средство , с помощью которого в природе создаются присущие ей локальные калибровочные симметрии. Значение концепции калибровочной симметрии заключается в том , что благодаря ей теоретически модели руются все четыре фундаментальных взаимодействия , встречающиеся в природ е . Все их м ожно рассматривать как калибровочные поля . Представляя слабое взаимодействие в виде калибровочного поля , физики исходят из то го , что все частицы , участвующие в слабом взаимодействии , служат источниками поля ново го типа - поля слабых сил . Слабо взаим одействующие частицы , такие , как электроны и нейтрино , являются носителями "слабого заряда ", который аналогичен электрическому заряду и связывает эти частицы со слабым полем . Для представления поля слабого взаимодейс твия как калибровочного прежде все го необходимо установить точную форму соответствующ ей калибровочной симметрии . Дело в том , чт о симметрия слабого взаимодействия гораздо сл ожнее электромагнитного . Ведь и сам механизм этого взаимодействия оказывается более сложн ым . Во-первых , при распаде н е йтрона , например , в слабом взаимодействии участвуют частицы по крайней мере четырех различны х типов (нейтрон , протон , электрон и нейтри но ). Во-вторых , действие слабых сил приводит к изменению их природы (превращению одних частиц в другие за счет слабого в з аимодействия ). Напротив , электромагнитное взаимодействие не изменяет природы участвующ их в нем частиц . Это определяет то обстоятельство , что слабому взаимодействию соответствует более сложн ая калибровочная симметрия , связанная с измен ением природы частиц. Выяснилось , что для поддержания симметрии здесь необходимы три новых силовых поля , в отличие от един ственного электромагнитного поля . Было получено и квантовое описание этих трех полей : д олжны существовать три новых типа частиц - переносчиков взаимодейст в ия , по одном у для каждого поля . Все весте они назы ваются тяжелыми векторными бозонами со спином 1 и являются переносчиками слабого взаимодейс твия. Частицы W + и W - являются переносчика ми двух из трех связанных со слабым в заимодействием полей . Третье поле соответств ует электрически нейтральной частице-переносчику , получившей название Z -частицы . Существование Z -части цы означает , что слабое взаимодействие может не сопровождаться переносом электрического з аряда . В создании теории электрослабого взаимодейств ия ключевую роль сыграло понятие спонтанного нарушения симметрии : не всякое решение задачи обязано обладать все ми свойствами его исходного уровня . Так , ч астицы , совершенно разные при низких энергиях , при высоких энергиях могут оказаться на самом деле одно й и той же частицей , но находящейся в разных состоян иях . Опираясь на идею спонтанного нарушения симметрии , авторы теории электрослабого взаимод ействия Вайнберг и Салам сумели решить ве ликую теоретическую проблему - они совместили казалось бы несовместимые в ещи (знач ительная масса переносчиков слабого взаимодейств ия , с одной стороны , и идею калибровочной инвариантности , которая предполагает дальнодейст вующий характер калибровочного поля , а значит нулевую массу покоя частиц-переносчиков , с другой ) и таким обр а зом соедини ли электромагнетизм и слабое взаимодействие в единой теории калибровочного поля . В этой теории представлено всего четы ре поля : электромагнитное поле и три поля , соответствующие слабым взаимодействиям . Кроме того , введено постоянное на всем прос транстве скалярное поле (т . н . поля Хиггса ), с которым частицы взаимодействуют по разному , что и определяет различие их масс . (Кванты скалярного поля представляют с обой новые элементарные частицы с нулевым спином . Их называют хиггсовскими (по имени физика П.Хиггса , предположившего их существование ). Число таких хиггсовских бозонов может достигать нескольких десятков . На о пыте такие бозоны пока не обнаружены . Боле е того , ряд физиков считает их существован ие необязательным , но совершенной теоретической модел и без хиггсовскмих бозонов п ока не найдено ) Первоначально W и Z -кванты н е имеют массы , но нарушение симметрии прив одит к тому , что некоторые частицы Хиггса сливаются с W и Z -частицами , наделяя их массой . Различия свойств электромагнитного и слаб ого взаим одействий теория объясняет наруш ением симметрии . Если бы симметрия не нару шалась , то оба взаимодействия были бы срав нимы по величине . Нарушение симметрии влечет за собой резкое уменьшение слабого взаим одействия . Можно сказать , что слабое взаимодей ствие им е ет столь малую величину потому , что W и Z -частицы очень массивны . Лептоны редко сближаются на столь малые расстояния (r < 1 0 n см ., где n = - 1 6 ). Но при больших энергиях (> 1 0 0 Гэв ), когда частицы W и Z могут свободно рождаться , обмен W и Z бозонам и осуществляется столь же легко , как и обмен фотонами (безмассовыми частицами ). Разн ица между фотонами и бозонами стирается.В этих условиях должно существовать полная симм етрия между электромагнитным и слабым взаимод ействием - электрослабое взаимодействие. Проверка новой теории заключалась в п одтверждении существования гипотетических W и Z -час тиц . Их открытие стало возможным только с созданием очень больших ускорителей новейшег о типа . Открытие в 1983 г . W и Z -частиц означ ало торжество теории электрослабог о взаимодействия . Не было больше нужды говори ть о четырех фундаментальных взаимодействиях . Их осталось три . 3.4. Кван товая хромодинамика Следующий шаг на пути Великого объединения фундаме нтальных взаимодействий - слияние сильного взаимод ействия с электросл абым . Для этого нео бходимо придать черты калибровочного поля сил ьному взаимодействию и ввести обобщенное пред ставление об изотопической симметрии . Сильное взаимодействие можно представлять как результат обмена глюонами , который обеспечивает связь кварков ( попарно или тройками ) в адроны . Замысел здесь состоит в следующем . Каждый кварк обладает аналогом эл ектрического заряда , служащим источником глюонног о поля . Его назвали цветом (Разумеется , это название не имеет никакого отношения к обычному цвету ). Если э лектромагнитное п оле порождается зарядом только одного сорта , то для создания более сложного глюонного поля потребовалось три различных цветовых заряда . Каждый кварк "окрашен " в один из трех возможных цветов , которые совершенно произвольно были названы кр а сным , зеленым и синим . И соответственно антикварк и бывают антикрасные , антизеленые и антисиние. На следующем этапе теория сильного вз аимодействия развивается по той же схеме , что и теория слабого взаимодействия . Требован ие локальной калибровочной симметрии (т.е . инвариантности относительно изменений цвета в каждой точке пространства ) приводит к нео бходимости введения компенсирующих силовых полей . Всего требуется восемь новых компенсирующих силовых полей . Частицами - переносчиками этих полей являются глюоны, и , таким обра зом , из теории следует , что должно быть целых восемь различных типов глюонов . (В то время как переносчик электромагнитного взаимодействия - всего лишь один (фотона ), а переносчиков слабого взаимодействия - три .) Глюоны имеют нулевую массу по к оя и спин 1. Глюоны также имеют различные цвета , но не чистые , а смешанные (например , с ине-антизеленый ). Поэтому , испускание или поглощени е глюона сопровождается изменением цвета квар ка ("игра цветов "). Так , например , красный ква рк , теряя красно-антисиний глюон , превра щается в синий кварк , а зеленый кварк , поглощая сине-антизеленый глюон , превращается в синий кварк . В протоне , например , три ква рка постоянно обмениваются глюонами , изменяя свой цвет . Однако такие изменения носят не произвольный характер , а п о дчиняю тся жесткому правилу : в любой момент време ни "суммарный " цвет трех кварков должен пр едставлять собой белый свет , т.е . сумму "кра сный + зеленый + синий ". Это распространяется и на мезоны , состоящие из пары кварк - анти кварк . Поскольку антикварк харак т ериз уется антицветом , такая комбинация заведомо б есцветна ("белая "), например красный кварк в комбинации с антикрасным кварком образует бес цветный мезон . С точки зрения квантовой хромодинамики (квантовой теории цвета ) сильное взаимодействие есть не что ин ое , как стремление поддерживать определенную абстрактную симметрию природы : сохранение белого цвета всех адр онов при изменении цвета их составных час тей . Квантовая хромодинамика великолепно объясняе т правила , которым подчиняются все комбинации кварков , вз а имодействие глюонов м ежду собой (глюон может распадаться на два глюона или два глюона слить в один - поэтому и появляются нелинейные члены в уравнении глюонного поля ), сложную структуру адрона , состоящего из "одетых " в облака к варков и др . Возможно , пока преждевременно оценивать квантовую хромодинамику как окончательную и завершенную теорию сильного взаимодействия , тем не менее ее достижения многообещающи . 3.5. На пути к ... Великому объединению С созд анием квантовой хромодинамики появилась надежда на созд ание единой теории всех (и ли хотя бы трех из четырех ) фундаментальны х взаимодействий . Модели единым образом описывающие хотя бы три из чет ырех фундаментальных взаимодействий , называются м оделями Великого объединения . Теор етические схемы , в рамках которых о бъе диняются все известные типы взаимодействий (с ильное , слабое , электромагнитное и гравитационное ) называются моделями супергравитации. Опыт успешного объединения слабого и электромагнитного взаимодействий на основе идеи калибровочных полей подсказал возмо жные пути дальнейшего развития принципа единства физики , объединения фундаментальных физических взаимодействий . Один из них основан на том удивительном факте , что константы взаимод ействия электромагнитного , слабого и сильного взаимодействий становятся рав н ыми др уг другу при одной и той же энергии . Эту энергию называли энергией объединения . При энергии более 1 0 n ГэВ , где n = 1 4 или на расстояниях r < 1 0 n см , гд е n = - 2 9 , сильные и слабые взаимодействия описываю тся единой константой , т . е . имеют общую природу . Кварки и лептоны здесь пра ктически не различимы . В 70-90 -е годы было разработано несколько конкурирующих между собой теорий Великого объединения . Все они основаны на одной и той же идее . Если электрослабое и си льное взаимодействия в действитель ности п редставляют собой лишь две стороны великого единого взаимодействия , то последнему также должно соответствовать калибровочное поле с некоторой сложной симметрией . Она должна быть достаточно общей , способной охватить все калибровочные симметрии , соде р жащиес я и в квантовой хромодинамике и в тео рии электрослабого взаимодействия . Отыскание тако й симметрии - главная задача на пути созда ния единой теории сильного и электрослабого взаимодействия . Существуют разные подходы , по рождающие конкурирующих варианты теорий Великого объединения. Тем не менее все эти гипотетические варианты Великого объединения имеют ряд об щих особенностей. Во - первых , во в сех гипотезах кварки и лептоны - носители сильного и электрослабого взаимодействий - включаю тся в единую теоретиче скую схему . До сих пор они рассматривались как совершен но различные объекты . Во - вторых , привлече ние абстрактных калибровочных симметрий приводит к открытию новых типов полей , обладающих новыми свойствами , например способностью пре вращать кварки в лептон ы . В простейшем варианте теории Великого объединения для превращения кварков в лептоны требуется дв адцать четыре поля . Двенадцать из квантов эти полей уже известны : фотон , две W -частицы , Z -частица и восемь глюонов . Остальные двен адцать квантов - новые с в ерхтяжелые промежуточные бозоны , объединенные общим назван ием Х и У -частицы (с электрическим зар ядом 1 / 3 и 4 / 3 ). Эти кванты соответствуют полям , поддерживающим более широкую калибровочную сим метрию и перемешивающим кварки с лептонами . Следовательно, кванты этих полей (т.е . Х и У -частицы ) могут превращать квар ки в лептоны (и наоборот ). На основе теорий Великого объединения предсказаны по крайней мере две важных закономерности , которые могут и должны быть проверены экспериментально : нестабильность про тона и существование магнитных монополей . Экспериментальное обнаружение рас пада протона и магнитных монополей могло бы стать веским доводом в пользу теорий Великого объединения . На проверку этих пред сказаний направлены усилия экспериментаторов . Но пока еще твердо установленных эксперим ентальных данных на этот счет нет. Дело в том , что теории Великого объединения имеют дело с энергией частиц выше 1 0 n ГэВ , где n = 1 4 . Это очень высокая энерги я . Трудно сказать , когда удастся получить частицы столь высоких энергий в ускорит елях . Этим объясняется , в частности , трудность обнаружения Х и У - бозонов . И потому основной областью применения и проверки теорий Великого объединения является космология . Без этих теорий невозможно описать ранню ю стадию эволюции Вселенн о й , когда температура первичной плазмы достигала 1 0 n К , где n = 2 7 . Именно в таких условиях могли ро ждаться и аннигилировать сверхт Список литературы Азимов А . Краткая история биол огии . М .,1967. Алексеев В.П . Становление человечества . М .,1984. Бор Н . А томная физика и человечес кое познание . М .,1961 Борн М . Эйнштейновская те ория относительности.М .,1964. Вайнберг С . Первые три минуты . Совреме нный взгляд на происхождение Вселенной . М .,1981. Гинзбург В.Л.О теории относительности . М .,1979. Дорфман Я.Г . Всемир ная история физ ики с начала 19 века до середины 20 века . М .,1979. Кемп П ., Армс К . Введение в биологи ю . М .,1986. Кемпфер Ф . Путь в современную физику . М .,1972. Либберт Э . Общая биология . М .,1978 Льоцци М . История физики . М .,1972. Моисеев Н.Н . Человек и би осфера . М .,1990. Мэрион Дж . Б . Физика и физический м ир . М .,1975 Найдыш В.М . Концепции современного естеств ознания . Учебное пособие . М .,1999. Небел Б . Наука об окружающей среде . Как устроен мир . М .,1993. Николис Г ., Пригожин И . Познание сложно го . М .,1990. П ригожин И.,Стенгерс И . Порядок из хаоса . М .,1986. Пригожин И ., Стенгерс И . Время , Хаос и Квант . М .,1994. Пригожин И . От существующего к возника ющему . М .,1985. Степин В.С . Философская антропология и философия науки . М .,1992. Фейнберг Е.Л . Две культуры . Инту ици я и логика в искусстве и науке . М .,1992. Фролов И.Т . Перспективы человека . М .,1983.