KSE3 (1153099), страница 7
Текст из файла (страница 7)
К ним относятся нуклоны (протоны, нейтроны), гипероныи др. Мезоны – нестабильные элементарные частицы с нулевым или целым спином.Кварки – элементарные частицы с дробным электрическим зарядом (±1/3, (±2/3), которыев комбинации с антикварками образуют адроны. В свободном состоянии кварки несуществуют.ЭЛЕМЕНТАРНЫЕ ЧАСТИЦЫАДРОНЫ (сотни)ЛЕПТОНЫ (12)(сильно взаимодействующиечастицы)(слабо взаимодействующиечастицы)(Барионы (сотни)НуклоныМезоны (десятки)ГипероныЭлектроныМюоныТау-частицыЭлектронное нейтриноМюонное нейтриноТау-нейтриноКваркиРис. 3.2. Основные группы элементарных частиц (в скобках указано количество частицразных типов).Частицы, участвующие в слабом взаимодействии, названы лептонами.
К нимотносятся электроны, мюоны, тау-частицы и соответствующие им нейтрино (электронное,мюонное и тау-нейтрино). Мюон и тау-частица имеют заряд равный заряду электрона иучаствуют в тех же взаимодействиях, что и электрон, но обладают большими массами инестабильны. Нейтрино – наиболее распространенные частицы во Вселенной. Ониэлектрически нейтральны и имеют очень малую массу, значение которой до сих пор неизвестно.Сильное взаимодействие обеспечивает связь нуклонов (протонов, нейтронов) в ядреи определяет ядерные силы.
Оно действует на расстоянии порядка 10-13 см, т.е.практически в пределах ядра. Энергия связи между нуклонами чрезвычайно большая.Именно по этой причине ядра атомов являются весьма устойчивыми, их трудноразрушить.Электромагнитное взаимодействие примерно в тысячу раз слабее сильного, нодействует на значительно больших расстояниях. Взаимодействие такого типа свойственноэлектрически заряженным частицам. Носителем электромагнитного взаимодействияявляется не имеющий заряда фотон – квант электромагнитного поля.
В процессе электромагнитного взаимодействия электроны и атомные ядра соединяются в атомы, атомы –в молекулы. В определенном смысле это взаимодействие является основным в химии ибиологии.Слабое взаимодействие возможно между различными частицами. Слабоевзаимодействие между частицами осуществляется посредством обмена так называемымипромежуточными бозонами. Оно простирается на расстояние порядка 10-15– 10-22 см исвязано главным образом с распадом частиц, например с происходящими в атомном ядрепревращениями нейтрона в протон, электрон и антинейтрино. В соответствии ссовременным уровнем знаний большинство частиц нестабильны именно благодаряслабому взаимодействию.Гравитационное взаимодействие характерно для всех материальных объектов внезависимости от их природы и определяется законом всемирного тяготения.Предполагается, что гравитационное взаимодействие обусловлено некими элементарнымичастицами – гравитонами, существование которых к настоящему времениэкспериментально не подтверждено.Гравитационное взаимодействие – самое слабое и не учитывается в теорииэлементарных частиц, поскольку на характерных для них расстояниях оно даетчрезвычайно малые эффекты.
Однако на ультрамалых расстояниях (порядка 10 -33 см) ипри ультрабольших энергиях гравитация вновь приобретает существенное значение. Здесьначинают проявляться необычные свойства физического вакуума. Сверхтяжелыевиртуальные частицы создают вокруг себя заметное гравитационное поле, котороеначинает искажать геометрию пространства. В космических масштабах гравитационноевзаимодействие имеет решающее значение. Радиус его действия не ограничен.От силы взаимодействия зависит время, в течение которого совершается превращениеэлементарных частиц. Ядерные реакции, связанные с сильными взаимодействиями,происходят в течение 10-24–10-23 с. Это приблизительно тот кратчайший интервал времени,за который частица, ускоренная до высоких энергий, до скорости, близкой к скоростисвета, проходит через элементарную частицу размером порядка 10-13 см.
Изменения,обусловленные электромагнитными взаимодействиями, осуществляются в течение10-19–10-21 с, а слабыми (например, распад элементарных частиц) – в основном в течение10-10 с.По времени различных превращений можно судить о силе связанных с нимивзаимодействий.Все четыре взаимодействия необходимы и достаточны для построения разнообразногомира.Без сильных взаимодействий не существовали бы атомные ядра, а звезды и Солнце немогли бы генерировать за счет ядерной энергии теплоту и свет.Без электромагнитных взаимодействий не было бы ни атомов, ни молекул, нимакроскопических объектов, а также тепла и света.Без слабых взаимодействий не были бы возможны ядерные реакции в недрах Солнца извезд, не происходили бы вспышки сверхновых звезд, а необходимые для жизни тяжелыеэлементы не могли бы распространиться во Все ленной.Без гравитационного взаимодействия не только не было бы галактик, звезд, планет, но ився Вселенная не могла бы эволюционировать, поскольку гравитация является обьединяющим фактором, обеспечивающим единство Вселенной как целого и ее эволюцию.Современная физика пришла к выводу, что все четыре фундаментальныхвзаимодействия, необходимые для создания из элементарных частиц сложного иразнообразного материального мира, можно получить из одного фундаментальноговзаимодействия – суперсилы.
Наиболее ярким достижением стало доказательство того,что при очень высоких температурах (или энергиях) все четыре взаимодействияобъединяются в одно.При энергии в 100 ГэВ (100 млрд электрон-вольт) объединяются электромагнитное ислабое взаимодействия. Такая температура соответствует температуре Вселенной через10-10 с после Большого взрыва. При энергии 1015 ГэВ к ним присоединяется сильноевзаимодействие, а при энергии 1019 ГэВ происходит объединение всех четырех взаимодействий.Этопредположениеноситчистотеоретическийхарактер,посколькуэкспериментальным путем его проверить невозможно.
Косвенно эти идеиподтверждаются астрофизическими данными, которые можно рассматривать какэкспериментальный материал, накопленный Вселенной.Достижения в области исследования элементарных частиц способствовалидальнейшему развитию концепции атомизма. В настоящее время считается, что средимножества элементарных частиц можно выделить 12 фундаментальных частиц и столькоже античастиц. Шесть частиц — это кварки с экзотическими названиями: «верхний»,«нижний», «очарованный», «странный», «истинный», «прелестный». Остальные шесть —лептоны: электрон, мюон, тау-частица и соответствующие им нейтрино (электронное,мюонное, тау-нейтрино).Эти 12 частиц группируют в три поколения, каждое из которых состоит из четырехчленов.В первом поколении – «верхний» и «нижний» кварки, электрон и электронное нейтрино.Во втором поколении – «очарованный» и «странный» кварки, мюон и мюонноенейтрино.В третьем поколении – «истинный» и «прелестный» кварки и тау-частицы со своимнейтрино.Обычное вещество состоит из частиц первого поколения.
Предполагается, что остальныепоколения можно создать искусственно на ускорителях заряженных частиц.На основе кварковой модели физики разработали простое и изящное решениепроблемы строения атомов.Каждый атом состоит из тяжелого ядра (сильно связанных глюонными полямипротонов и нейтронов) и электронной оболочки. Число протонов в ядре равно порядковому номеру элемента в Периодической таблице элементов Д. И. Менделеева. Протонимеет положительный электрический заряд, массу в 1836 раз больше массы электрона,размеры порядка 10-13 см.
Электрический заряд нейтрона равен нулю. Протон, согласнокварковой гипотезе, состоит из двух «верхних» кварков и одного «нижнего», а нейтрон –из одного «верхнего» и двух «нижних» кварков. Их нельзя представить в виде твердогошарика, скорее, они напоминают облако с размытыми границами, состоящее изрождающихся и исчезающих виртуальных частиц.Остаются еще нерешенными вопросы о происхождении кварков и лептонов, о том,являются ли они основными «первокирпичиками» природы и насколько фундаментальны.. Ответы на них ищут в современной космологии. Некоторые физики считают, чтодаже кварки состоят из более мелких частиц – прекварков.
Возможно, лептоны такжесостоят из прекварков, а предкварки построены из еще более мелких частиц. Процесспоиска неделимых частиц бесконечен. Большое значение имеет исследование процессоврождения элементарных частиц из вакуума, построение моделей первичного ядерногосинтеза, породившего те или иные частицы в момент рождения Вселенной.3.4. Мегамир. Космологические концепцииМегамир, или космос, современная наука рассматривает как взаимодействующую иразвивающуюся систему всех небесных тел.
Мегамир имеет системную организацию вформе планет и планетных систем, возникающих вокруг звезд и звездных систем –галактикВсе существующие галактики входят в систему самого высокого порядка –Метагалактику. Размеры Метагалактики очень велики; радиус космологическогогоризонта составляет 15–20 млрд световых лет.Понятия «Вселенная» и «Метагалактика» очень близки: они характеризуют один и тотже объект, но в разных его аспектах. С точки зрения современной науки «Вселенная» –это вся окружающая нас часть материального мира, доступная наблюдению; понятие«Метагалактика» – тот же мир, но с точки зрения его структуры, как упорядоченнуюсистему галактик.Строение и эволюция Вселенной изучаются космологией.
Теоретическим фундаментомкосмологии являются общая теория относительности и квантовая теория поля.Космология как раздел естествознания находится на стыке науки, религии и философии. Воснове космологических моделей Вселенной лежат определенные мировоззренческиепредпосылки, а сами модели имеют большое мировоззренческое значение.3.4.1. Модели ВселеннойМодели Вселенной, как и любые другие, строятся на основе тех теоретическихпредставлений, которые существуют в данное время в космологии.Известно, что в классической науке существовала так называемая теориястационарного состояния Вселенной, поскольку классическое естествознаниеориентировалось преимущественно на изучение не динамики, а статики систем.Астрономия была статичной: изучались движения планет и комет, описывались звезды,создавались их классификации, что было, конечно, очень важно.
Но вопрос об эволюцииВселенной не ставился.Классическая ньютоновская космология явно или неявно принимала следующиепостулаты:• Вселенная – это все существующее, «мир в целом»; космология познает мир таким,каким он существует сам по себе, безотносительно к условиям познания;• пространство и время Вселенной абсолютны, они не зависят от материальныхобъектов и процессов;• пространство и время метрически бесконечны;• пространство и время однородны и изотропны.Вселенная стационарна, не претерпевает эволюции, изменяться могут лишь конкретныекосмические системы, но не мир в целом. В ньютоновской космологии возникали двапарадокса, связанные с постулатом бесконечности Вселенной.Первый парадокс получил название гравитационного.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
