okun-fizika-elementarnykh-chastits (810758), страница 2
Текст из файла (страница 2)
И еще несколько слов — на этот раз читателю, только еще приступающему к серьезному изучению физики. При повторном чтении книги внимательно рассматривайте рисунки и особенно формулы. Формулы любят, чтобы их внимательно рассматривали. Глядя на какое-либо соотношение, сравните размерности различных членов, их тензорные индексы.
Спросите себя, что обозначает каждая из букв (символов) в том или ином выражении, (О замеченных прн этом опечатках, пожалуйста, сообщите автору.) 7 Не на все возникшие у вас вопросы эта книга даст ответ. Она не сможет заменить ни учебника по квантовой механике, ни тем более учебника по квантовой теории поля. Книга выполнит свою задачу, если поможет вам установить связи между новыми теоретическими понятиями и экспериментальными фактами, установленными в последние 10 — 20 лет, и побудит вас обратиться к другим, более сложным книгам. Во время своего приезда в Москву накануне ХХ Международной конференции по физике высоких энергий (Медисон, США. июль 1980 г.) Мартин Гордов предложил мне опубликовать в издаваемой им серии книг расширенный текст заключительного доклада на этой конференции, который я в то время готовил.
Я благодарен ему за это предложение, из которого в конце концов возникла эта книга. Принимая его, я не подозревал, как много времени оно отнимет. Я благодарен М. Б. Волошину, И. Ю. Кобзареву, В. И. Когану, Л. Б. Мнгдалу, Н. Г. Семашко, К. Л. ТерМартиросяну и многим, многим другим, кто прочитал отдельные часги рукописи, за многочисленные критические замечания. К сожалению, мне удалось учесть только часть из них.
Особо я благодарен Э. Г. Гуляевой и И. Л. Тереховой за помощь при подпзтовке рукописи к печати. Глава 1 ЧАСТИЦЫ И ПРИНЦИПЫ Эксперимент и теория. Две тенденпии. Симметрии Теория относительности. Действие и ласранжиан. Квантовая механика. Спин. Фермионы и боаоны. Элементарные частицы. Основные вааимодействия. Адроны и лептоиы. Зксперимент и теория Физика элементарных частиц представляет собой удивительный сплав эксперимента и теории. Свойства мельчайших частиц вещества установлены и продолжают устанавливаться в экспериментах, по сложности не имеющих себе равных в других областях науки.
Эти уникальные эксперименты сочетают поистине индустриальный размах с ювелирной точностью. В больши|«стае случаев сами объекты исследования — частицы — создаются тут же в лаборатории с помощью ускорителей и живут столь ничтожные промежутки времени, что по сравнению с ними мгновение кажется вечностью, Случай какого-нибудь редкого распада частицы приходится находить среди миллиардов похожих на него «неинтересных» распадов.
Все сведения об элементарных частицах добываются в результате тщательных измерений. Однако накопление этих сведений не является самоцелью, не является конечной целью физики элементарных частиц. Ее высшей целью является выяснение основных, наиболее общих физических законов природы, ||нформацня, добытая в опытах, должна быть переработана в теоретические выводы. Квинтэссенцией теоретического анализа многих сотен экспериментов являются теоретические представления и выражающие их математические формулы, которые можно записать на нескольких листах бумаги, В идеале это, возможно, всего одна формула: магический желудь, таящий в себе все древо физики. Но до этого идеала нам пока еще далеко.
Две тенденции В развитии физики бросаются в глаза две противоположные и на первый взгляд даже взаимоисключающие тенденции. С одной стороны, экспоненциальное нарастание числа исследуемых явлений, все большая специализация, все более детальное ветвление каждого направления. Этот процесс ветвления, дифференциации, особенно ярко проявляется в появлении все новых специализированных журналов и конференций.
С другой стороны, не менее интенсивно идет и противоположный процесс — процесс объединения, синтеза, интеграции. С каждым годом становится все яснее связь между отдельными крупными ветвями физики, между явлениями, которые до этого казались не имеющими между собой ничего общего. Механика Ньютона объединила движение земных и небесных тел. Электродинамика Максвелла объединила электрические, магнитные и оптические явления. Специальная теория относительности Эйнштейна объединила пространство и время.
Квантовая механика в концептуальном плане объединила понятия частицы и волны, детерминизм и вероятность, и на основе этого — атомную физику с химией и физикой конденсированных сред. Квантовая теория поля объединила частицы и силы. Развитие квантовой теории поля, происходящее на наших глазах, объединяет между собой различные типы элементарных частиц и фундаментальных взаимодействий между ними. Я здесь имею в виду так называемые теории великого объединения н суперобьединения. Процессы специализации и объединения могут показаться взаимоисключающими только очень поверхностному наблюдателю. Физика конкретна, и каждый шаг на пути синтеза требует все более изощренных и специализированных средств. Это относится не только к методике эксперимента, но и к математическим методам теории.
В свою очередь„каждый новый этап на пути синтеза неизменно приводил к разнообразным и далеко идущим новым направлениям, причем не'только в науке, но и в технике, радикально меняя течение жизни всего человечества. Достаточно вспомнить радиотехнику и ядерную технику. Первая явилась производной электродинамического синтеза, вторая — релятивистского и квантового. Представляется очень правдоподобным, что идеи теорий великого объедине- 10 ния и суперобъединения откроюг не менее захватывающие перспективы. Хотя процесс специализации и ветвления и необходим для построения обобщенной, единой картины физики, тем не менее для каждого отдельного научного работника он создает очень серьезные трудности.
Дробление фронта науки на все новые направления приводит к тому, что физики различных специальностей, даже если они работают в одном и том жс институте, с трудом понимают друг друга. Чем глубже понимание данного предмета, тем точнее и богаче язык, его описывающий. Ведь научный язык — это инструмент познания. Но чем богаче язык данного научного направления, тем труднее понимать его соседям. Человек, который захотел бы стать полиглотом в физике, рискует тем, что у него не останется ни энергии, ни импульса для собственной научной работы.
Каждому, кто занимается научной работой, приходится вести борьбу на два фронта: бороться с природой и с собственным невежеством. На первом фронте создаются новые научные утверждения, на втором — происходит овладение тем, что создали другие. Оба вида деятельности неразрывно связаны друг с другом. Эта книга написана в помощь тем, кто хочет получить общее представление об основных современных идеях и тенденциях физики элементарных частиц. Ее цель — хотя бы немного помочь преодолению языкового барьера и способствовать тем самым единству физики, Симметрии Узловым понятием современной физики является понятие симметрии.
Симметрия служит тем орудием, используя которое удается в калейдоскопе физических явлений выявить основные структуры, свести все разнообразие физического мира к нескольким десяткам фундаментальных формул, Ребенок видит и чувствует симметрию задолго до того, как узнает само это слово: бабочка, мяч, смена дня и ночи... Бесчисленные проявления немногих различных типов симметрии буквально окружают человека всю его жизнь. Физиков можно назвать охотниками за симметриями: в некотором смысле они отличаются от,остальных людей тем, что отыскивают в природе все более скрытые н все более фундаментальные типы симметрии.
В конечном счете нмейно к 1! этому направлена деятельность физика, хотя сам он может не всегда это сознавать. Понятие симметрии неразрывно связано с понятиями преобразования и инвариантности. Мяч инвариантен относительно вращений, два крыла бабочки — относительно зеркального отражения... 'Теория относительности Хорошо известна совокупность преобразований, образующих так называемую группу Пуанкаре: сюда относятся сдвиги в пространстве и времени, пространственные вращения и движение с постоянной скоростью.
Инвариантность законов природы относительно этих преобразований составляет суть специальной, или частной, теории относительности Эйнштейна. Эта инвариантность является следствием однородности пространства и времени, изотропности обычного трехмерного евклидова пространства и четырехмерного евклидова пространства (последнее отличается, как известно, от реального физического псевдоевклидова пространства Минковского заменой 1-+ 1т, где 1 — мнимая единица). Инвариантность законов природы относительно преобразований группы Пуанкаре проявляется, в частности, в том, что существует ряд законов сохранения: законы сохранения энергии Е, импульса р, углового момента М и так называемого лоренцева момента М. Для точечной частицы с энергией Е и импульсом р, находящейся в мировой точке с координатами 1, г, М= гхр, М=с1р — гЕ!с.
Если имеется изолированная, островная система частиц, то суммарные значения Е, р, М, М для такой системы сохраняются, какие бы взаимодействия внутри этой системы ни имели место, Фундаментальной постоянной, входящей в уравнения специальной теории относительности, является предельная скорость распространения физических воздействий — скорость света с = 3 10" см с '. При координатных преобразованиях, образующих группу Пуанкаре, величины с1 и г, а также Е и рс преобразуются, как компоненты четырехмерных векторов х„и р„, а М и М вЂ” как компоненты антисимметричного тензора Мит1Р т=0, 1, 2, 3). 12 Имеются величины, которые при этих преобразованиях остаются неизменными, Это инварианты (скаляры): пространственно-временной интервал е) а=х'=х х =-г«сз — гз, — н н= квадрат массы т«с«р« = рнрн = Еа — р'сз и, наконец, Говоря о теории относительности, нельзя не сказать о физических полях.
Известно, что представление об электромагнитном поле как о самостоятельном физическом объекте сформировалось в работах Фарадея, Максвелла и других ученых задолго до создания специальной теории относительности. Однако только после создания этой теории стало очевидным, насколько неизбежно было введение в физику общего понятия о физическом поле как о системе с бесконечным числом степеней свободы, изменяющейся в пространстве и времени.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
