okun-fizika-elementarnykh-chastits (810758), страница 4
Текст из файла (страница 4)
Лишь немного менее распространены, но гораздо менее известны нейтрино — электрически нейтральные частицы, наблюдать которые очень трудно, поскольку они -очень слабо взаимодействуют с электронами и нуклонами и потому практически свободно проходят через огромные толщи вещества. Нейтрино ч, фотоны у, электроны е и протоны р— стабильные частицы; они или совсем не распадаются, или распадаются чрезвычайно медленно (так, экспериментально установленная нижняя граница жизни электрона составляет примерно 10" лет, а протона — 10»" лет, что намного превышает время жизни Вселенной, 1О" лет). Свободный нейтрон и распадается примерно за 10«с, но нейтроны, связанные в ядрах, не менее стабильны, чем протоны, (Следует подчеркнуть, что продукты распада нейтрона — протон, электрон и нейтрино — не являются составными частями нейтрона, а рождаются в момент его распада.
То же относится и к продуктам распада других элементарных частиц.) Кроме этих, стабильных частиц известно еще несколько сот нестабильных частиц, времена жизни которых лежат в интервале от 1О " до 1О ' с. Большинство из них живет меньше 1О "с; их называют резонансами. (Чтобы отличить остальные, «долгоживущие» частицы от резонансов,. физики часто говорят о ннх как о стабильных частицах, Так, в широко известных таблицах элементарных частиц 1В «Г«еч(етч о! РагНс!е Ргорег(!ез» истинно стабильные и долгоживущие квазистабильные частицы объединены в единую таблицу, озаглавленную «Стабильные частицы»). При всем разнообразии элементарных частиц общим для всех них является то, что они, пока существуют, остаются неизменными, сохраняют свою идентичность.
В известном смысле это свойство навязано частицам установившейся терминологией. Ведь возбужденное состояние атома водорода — это по-прежнему атом водорода, а возбужденное состояние протона — это уже другая элементарная частица. При соударении двух достаточно энергичных частиц рождается много новых частиц. Наблюдались события, в которых рождались сотни частиц, но все эти частицы— не осколки столкнувшихся, а полноценные родившиеся заново частицы. -Природа «чеканит» частицы в самых различных условиях, но независимо от способа «чеканки» все частицы данного типа похожи друг на друга, как новенькие пятаки, и абсолютно не стареют вплоть до момента своей смерти, своего распада. Невозможно отломать от элементарной частицы «кусочек».
В результате распада нестабильной элементарной частицы возникают более легкие элементарные частицы, но эти продукты распада не являются составными частями распавшейся частицы: они рождаются в момент распада. Основные взаимодействия. Адроны и лептоиы Процессы, в которых участвуют элементарные частицы, бесчисленны и разнообразны. Но за всеми процессами, которые наблюдались до сих пор, кроются фундаментальные взаимодействия всего лишь четырех типов: гравитационное, электромагнитное, слабое и сильное. Гравитационное взаимодействие универсально: в нем участвуют все элементарные частицы. Источником гравитационного поля является четырехмерный тензор энергии — импульса. В статическом пределе (для покоящейся частицы) у этого тензора отлична от нуля лишь одна компонента (в общепринятой нормировке она равна массе частицы).
Источником электромагнитного поля является четырехмерный вектор электромагнитного тока. В статическом пределе у этого вектора отлична от нуля лишь одна компонента — электрический заряд покоящейся частицы. Нейтральные частицы, не несущие электрических зарядов, как, например, нейтрон нлн нейтрино, взаимо- 19 действуют с электромагнитным полем лишь благодаря своей сложной структуре нли квантовым эффектам. В этом смысле электромагнитное взаимодействие не столь всеобще, как гравитационное. В известной мере это же относится и к слабому взаимодействию.
Что касается сильного взаимодействия, то в нем принимают участие только частицы, называемые адронами. Правда, именно адроны составляют подавляющее большинство элементарных частиц. Кроме протона и нейтрона, к семейству адронов принадлежат многочисленные мезоны и гипероны, как долгоживущие, так и резонансы, Известно всего шесть фермионов, не участвующих в сильных взаимодействиях. Это так называемые лептоны— электрон е, мюон ц, тау-лептон т и соответствующие нейтьрино т„ Физики-теоретики предсказывают, что кроме гравитационного, электромагнитного, слабого и сильного взаимодействий должны существовать и другие типы взаимодействий, но их проявления пока не обнаружены, несмотря на многочисленные поисковые эксперименты~ некоторых из этих гипотетических взаимодействий мы расскажем в гл.
Ч1. А пока займемся теми взаимодействиями, которые уже известны. Глава П ГРАВИТАЦИЯ. ЭЛЕКТРОДИНАМИКА Гравитация. Квантовая злекгродинамика (КЭД). Язык фейн. мановскик диаграмм, Поляризация вакуума. Гравитация Нерелятивиетская теория гравитационного взаимодействия, созданная Ньютоном три века тому назад, — самая ранняя из физических теорий в современном понимании этого слова.
Универсальное гравитационное дальнодействие между двумя телами с массами т, и гп, описывается в ней потенциалом — бк тгт,~г, где Ом — константа Ньютона, бтжб 67.10-з смз г ' с з Релятивистская теория гравитации — общая теория относительности (ОТО) — была создана Эйнштейном на основе идеи о том, что вид взаимодействия должен определяться требованием инвариантности относительно так называемых локальных преобразований. В случае ОТО это инвариантность уравнений относительно произвольных преобразований четырехмерных координат, различных в различных мировых точках. Эйнштейн установил вид действия в ОТО, руководствуясь именно принципом общекоординатной инвариантности.
ОТО включила в себя ньютоновскую теорию и предсказала н количественно описала ряд новых нетривиальных эффектов: отклонение луча света и радиоволн в гравитационном )поле (Солнца), прецессию перигелия Меркурия, гравитационные волны и черные дыры. Особенно велика роль ОТО как основы современной космологии с ее фридмановским расширением Вселенной и теорией первичного большого взрыва. К сожалению, квантовая теория гравитации до сих пор не построена. Связано это в основном с двумя причинами.
Первая причина заключается в том, что гравитационное взаимодействие между отдельными элементарными частицами в лабораторных условиях очень слабо н поэтому 2! недоступно экспериментальному исследованию. Достаточно сказать, что потенциал Ньютона даже не проверялся на расстояниях, меньших сантиметра. В силу слабости гравитационного взаимодействия не обнаружены до сих пор гравитационные волны, а наблюдение отдельных квантов гравитационного поля — гравитонов — кажется задачей, которую экспериментаторы не смогут решить и в будущем столетии.
Вторая причина того, что квантовая теория гравитации до сих пор не построена, заключается в том, что теория эта — самая сложная из всех известных физических теорий, Связано это с тем, что сложность квантовой релятивистской теории резко возрастает с ростом величины спина описываемых ею частиц. Можно показать, что из-за того, что спин гравитона равен 2, гравитационное взаимодействие, обусловленное обменом гравитонами, растет с ростом энергии и становится сильным прн энергиях порядка трс', где тр — так называемая масса Планка: гпр- — у' Ьс,б„, 1,22 !О" ГэВ.с '.
Попытки вычислить обмен двумя или большим числом гравитонов приводят к бессмысленным бесконечным результатам (расходящимся интегралам). Резюмируя, можно сказать, что квантовую теорию гравитационного взаимодействия не удается построить, так как оно слишком слабо (при доступных нам энергиях) и слишком сильно (при энергиях порядка трс'). Что касается массы Планка, то (как мы увидим ниже) она, возможно, определяет масштаб всей фундаментальной физики. Квантовая электродинамика (КЭД) Электромагнитное взаимодействие — взаимодействие электрических зарядов с электромагнитным полем — изучено гораздо лучше, чем остальные фундаментальные силы природы.
Это и неудивительно. Ведь электромагнитное взаимодействие лежит в основе почти всех процессов и явлений вокруг нас — физических, химических н биологических, Квантовая электродинамика — теория электромагнитного взаимодействия электронов и позитронов — является самой точной из всех физических теорий, Здесь электромаг- 22 нитное взаимодействие выступает в чистом виде. Беспре- цендентная точность расчетов в квантовой электродинамике основана на использовании аппарата теории возмущений по малому безразмерному параметру а =с'!4пйс-!! ! 3?, где е — электрический заряд электрона.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
