Вход

Мир элементарных частиц

Курсовая работа по физике
Дата добавления: 23 января 2002
Язык курсовой: Русский
Word, rtf, 345 кб
Курсовую можно скачать бесплатно
Скачать
Данная работа не подходит - план Б:
Создаете заказ
Выбираете исполнителя
Готовый результат
Исполнители предлагают свои условия
Автор работает
Заказать
Не подходит данная работа?
Вы можете заказать написание любой учебной работы на любую тему.
Заказать новую работу
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.
© Рефератбанк, 2002 - 2018