10044 (Механика микрочастиц), страница 2

Электроны в атомах движутся по законам, отличным от законов классической механики и электродинамики, но в предельном случае они идентичны.

Вариационный принцип

Устанавливает связь между свойствами пространства-времени и законами сохранения.

Принцип инвариантности

Смещение во времени и в пространстве не влияет на протекание физических процессов. Здесь речь о переносах начала координат и начале отсчета времени.

Принцип суперпозиции

Этот принцип фиксирует независимость полей взаимо­действия при их наложении. Так, если в данную точку прихо­дят две волны одинаковой частоты, то результирующее поле равно их геометрической сумме.

Принцип положительной обратной связи

Неравномерность и неустойчивость, возникающая в от­крытой системе, вследствие взаимодействия системы со средой со временем не ликвидируется, а наоборот, усили­вается. Это приводит, в конечном счете, к разрушению пре­жних симметрии и, как следствие, к возникновению новой структуры.

Принцип корреляций (Кювье)

Ни одна часть организма (системы) не может меняться без соответствующего изменения других частей.

Подтверждение основных принципов является главной за­дачей экспериментальных и теоретических исследований в об­ласти элементарных частиц. Порядок в их многообразии стал наводиться после открытия новых данных и новых типов сим­метрии, а также математического анализа на основе теории групп.

Элементарные частицы — основа мироздания, но путь от частных теорий до всеобщей еще достаточно протяжен.

Из классических теорий наиболее близки к фундаменталь­ным описывающие законы сохранения Ньютона, Майера, Джо­уля, Гельмгольца, Фарадея, Пастера.

Однако законы сохранения, к примеру электрического заря­да, носят совсем иную природу, чем законы сохранения энергии, импульса или момента импульса. Так, закон сохранения энергии есть прямое следствие "однородности" времени (законы При­роды не меняются со временем). Из однородности простран­ства (независимость законов Природы относительно переноса начала координат) следует закон сохранения импульса. Нако­нец, из однородности пространства (повороты системы отсче­та) следует закон сохранения момента импульса .

При обобщении экспериментальных данных было установ­лено, что, кроме закона сохранения электрического заряда, мож­но ввести законы сохранения для новых квантовых чисел. В первую очередь они должны проявиться в реакциях взаимодей­ствующих частиц.

Общие законы Природы должны описываться уравнениями, справедливыми во всех системах координат — принцип общей ковариантности, то есть эти уравнения не меняют своей формы со сменой системы координат (если даже одна движется с уско­рением по отношению к другой).

Наиболее фундаментальной областью исследований являет­ся область, связанная со структурой материи и выяснения зако­нов взаимодействия составляющих ее частиц.

2. ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ «ЭЛЕМЕНТАРНОСТЬ», «ПРОСТОЕ-СЛОЖНОЕ», «ДЕЛЕНИЕ».

Утверждение «система состоит из элементов» всегда озна­чало, что эта система представляет собой объект, состоя­щий из частей, меньших по величине или по массе, но со­храняющих внутри этой системы определенную индивидуаль­ность, самостоятельность (конечно, ограниченную взаимо­действием этих частей в рамках включающей их большей си­стемы). К субъядерным частицам такое понимание неприме­нимо. Здесь следует говорить не о том, что одни частицы со­стоят из других, а о том, что они способны превращаться друг в друга, порождать друг друга в различных процессах взаимо­действия. Протон, например, можно получить в результате стол­кновения нейтрона и я (пи)-мезона или X (лямбда)-гиперона и К-мезона, но это не значит, что в структуру всех этих частиц входит протон, что они «состоят из» протонов.

Даже в тех случаях, когда происходит распад частицы, нельзя говорить, что конечные частицы более элементарны, чем рас­павшаяся, что конечные частицы входили в состав исходной. Это было бы верно, если бы энергия связи (так называемый дефект массы) была значительно меньше масс участвующих в реакции частиц, а частицы-компоненты не теряли бы своей индивидуальности внутри образуемого ими целого. В случае субъядерных частиц дефект массы всегда оказывается больше массы одной или даже нескольких частиц-компонент, а при квантовых (так называемых виртуальных) распадах значитель­но превосходит массу исходной, «материнской» частицы. Так, масса виртуальных частиц, образующихся при диссоциации п-мезона на пару протон+нейтрон, более чем на порядок превышает массу самого п -мезона. В этом отношении п- мезон ради­кально отличается, например, от дейтрона (ядра атома тяже­лого водорода), дефект масс которого составляет всего лишь около 0,001 его массы; поэтому дейтрон действительно можно считать состоящим из протона и нейтрона, потому что они оста­ются такими же, как и в свободном состоянии. А вот частицы- компоненты внутри п -мезона почти «растворяются» в энергии их взаимодействия.

Поскольку субъядерные микрочастицы не делятся на прос­тейшие в обычном геометрическом смысле, они должны счи­таться действительно элементарными частицами. Но вместе с тем они обладают пространственной протяженностью и свое­образной внутренней структурой. Поэтому нельзя абсолютизи­ровать, преувеличивать элементарность микрочастиц. Образ пространственно-структурной и в то же время элементарной по своим свойствам частицы стал фактически общепринятым после экспериментального обнаружения в середине 50-х годов XX в. американским физиком-экспериментатором Р. Хофштадтером пространственной «размазки» электрического заряда и магнит­ного момента протона.

Свободная, невзаимодействующая микрочастица — это всего лишь математическая абстракция. Реальные физические час­тицы всегда взаимодействуют с вакуумными полями, испус­кая и поглощая виртуальные частицы. Вследствие этого вокруг каждой частицы образуется «облако» виртуальных частиц. И чем меньше масса испускаемых частиц, тем больше размеры образуемого ими «облака*. Продолжительность отдельных ак­тов виртуальной диссоциации частицы (ее «миганий») очень мала: при испускании п -мезонов она около 5 • 10 ˉ²⁴ с, а для других частиц — еще меньше.

Но благодаря многократным их повторениям возникает постоянная, усредненная структура — «размазка» электрического заряда, магнитного момента, мас­сы, которая становится все более плотной к центру частицы. В этом смысле говорят, что элементарная частица состоит из плотного центрального ядра — керна и рыхлой периферичес­кой оболочки. Но в отличие от атома, где пространственные размеры отдельных частей — ядра и электронной оболочки — различаются на 5 порядков (10ˉ¹³ и 10ˉ⁸ см), в нуклонах отсут­ствуют резко обособленные детали, пространственные части структуры здесь почти непрерывно переходят друг в др

3. МНОГООБРАЗИЕ И ЕДИНСТВО ЭЛЕМЕНТАРНЫХ ЧАСТИЦ. ПРОБЛЕМА ИХ КЛАССИФИКАЦИИ.

Сейчас известно примерно 400 элементарных частиц. Не­которые из них «живут» очень короткое время, быстро превращаясь в другие частицы, успевая за время своего существова­ния пролетать расстояния, равные радиусу атомного ядра (10ˉ¹²— 10ˉ¹³ см). Минимальное время, доступное экспериментально­му измерению, характеризуется величиной примерно 10ˉ²⁶ с. Некоторые элементарные частицы оказались неожиданно тя­желыми — даже тяжелее отдельных атомов.

Современные физики уделяют много внимания системати­зации элементарных частиц, раскрытию внутреннего единства как между ними, так и между соответствующими им фунда­ментальными видами взаимодействия -- сильным, слабым, электромагнитным и гравитационным.

Интенсивность слабого взаимодействия на 10-11 порядков (в 10¹⁰—10 ¹¹ раз) меньше интенсивности ядерных сил. Поэтому его и назвали слабым, радиус его действия менее 10ˉ¹⁵ см. Электромагнитное же взаимодействие на расстояниях, соизме­римых с радиусом действия ядерных сил, слабее их лишь в 10²-10³ раз. Самым же слабым на этих расстояниях оказывается гра­витационное взаимодействие, интенсивность которого на мно­го порядков ниже слабого взаимодействия.

Даже слабое взаимодействие на порядок превышает гравитационное взаимодействие. А сила кулоновского, элект­рического отталкивания двух электронов в 10⁴² раз больше ве­личины их гравитационного притяжения. Если представить, что электромагнитные силы, «притягивающие» электроны к атомному ядру, ослабеют до уровня гравитационных, то атом водорода стал бы больше видимой нами части Вселенной. Гра­витационные силы при уменьшении расстояний возрастают очень медленно. Преобладающими они становятся лишь в фан­тастически малых интервалах меньше 10ˉ³² см, которые оста­ются пока еще недоступными для экспериментального иссле­дования. С помощью эксперимента сейчас удается «просмат­ривать» расстояния, близкие к 10ˉ¹⁶ см.

Указанные четыре вида фундаментальных (лежащих в самом фундаменте материи) взаимодействий осуществляются путем обмена соответствующими частицами, служащими своеобраз­ными переносчиками этих взаимодействий. От массы частиц зависит радиус действия сил. Электромагнитное взаимодей­ствие переносят фотоны (масса покоя равна нулю), гравитаци­онное — гравитоны (пока гипотетические, экспериментально не установленные частицы, масса которых тоже должна быть нулевой). Эти два взаимодействия, переносимые безмассовы­ми частицами, имеют большой, возможно бесконечный ради­ус действия. Причем только гравитационное взаимодействие порождает притяжение между одинаковыми частицами, осталь­ные три вида взаимодействий обусловливают отталкивание од­ноименных частиц. Переносчиками сильного взаимодействия, связывающего протоны и нейтроны в атомных ядрах, являются глюоны. Это взаимодействие свойственно тяжелым частицам, получившим название адронов. Слабое взаимодействие пере­носят векторные бозоны. Это взаимодействие свойственно лег­ким частицам — лептонам (электронам, позитронам и т.п.).

Таблица 1. Основные свойства элементарных частиц

ЗАКЛЮЧЕНИЕ:

Многообразие микромира предполагает его единство через взаимопревращаемость частиц и полей.

Особенно важно пре­вращение «пары» — частицы и античастицы — в частицы дру­гого «сорта». Первым было открыто превращение электрона и позитрона в кванты электромагнитного поля — фотоны и об­ратный процесс «порождения» пар из фотонов, обладающих достаточно большой энергией.

В настоящее время разработка проблемы систематизации элементарных частиц связана с идеей существования кварков - частиц с дробным электрическим зарядом. Сейчас их счита­ют «самыми элементарными» в том смысле, что из них могут быть «построены» все сильно взаимодействующие частицы -адроны. С позиции теории кварков уровень элементарных час­тиц — это область объектов, состоящих из кварков и антиквар­ков. При этом, хотя последние и считаются на данном уровне познания простейшими, самыми элементарными из известных частиц, сами они обладают сложными свойствами — зарядом, «очарованием» («шармом»), «цветом» и другими необычными квантово-физическими свойствами. Как в химии не обойтись без понятий «атом» и «молекула», так и физика элементарных частиц не может обойтись без понятия «кварк».

Таким образом, список адронов — тяжелых частиц, характе­ризующихся сильным взаимодействием — состоит из трех час­тицам: кварка, антикварка и связывающего их глюона. Наряду с ними существуют около десяти легких частиц - лептонов (электроны, позитроны, нейтрино и т.п.), — которым соответ­ствует слабое взаимодействие. Известен также фотон — носитель электромагнитного взаимодействия. И по-прежнему ги­потетическим, лишь теоретически предсказываемым, остается гравитон, с которым связывается гравитационное взаимодей­ствие. О внутренней структуре лептонов, фотона и гравитона пока ничего не известно. Сейчас уже существует более или менее конкретная идея синтеза, взаимосвязи слабого, сильно­го и электромагнитного видов взаимодействия. Обнаруживает­ся возможность объяснения их взаимосвязи и с гравитацион­ным взаимодействием.

Все это свидетельствует о постепенной реализации в действительность принципиально ничем не огра­ниченной возможности теоретического мышления в познании единства мира, остающегося в рамках единства бесконечно многообразным в своих проявлениях.

ЛИТЕРАТУРА:

1. Горелов А.А. Концепции современного естествознания. – М.: Центр, 1997.

2. Жигалов Ю.И. Концепции современного естествознания : Учебник для вузов.- 2-е изд. – М., 2002

3. Идеи и наш мир: Великие концепции прошлого и настоящего / Под ред. Р. Стюарта. – М.: ББМ АО, ТЕРРА – книжный клуб, 1998.

4. Карпенков С.Х. Концепции современного естествознания: Учебник для вузов. – М.: Культура и спорт, ЮНИТИ, 1997.

5. Мостепаненко А. М. Методологические и философические проблемы совеменной физики. — ЛГУ, 1997.

6. Солопов Е.Ф. Концепции современного естествознания: Учеб. пособие для вузов. – М.: Гуманит. изд. центр ВЛАДОС, 1998.