Наука - Физика
ивник, несомненно, первым создал бы свою
бомбу“.[18]
Так или иначе, появление подобных научных концепций не только определяет
характер современной эпохи, но и будущее общества. Появление концепций,
неумение распорядится которыми может грозить уничтожением человечества,
активно влияет на характер и формы и формы социального устройства.
Человечество, высвободив колоссальные силы, теперь обречено постоянно
думать над тем, как распорядиться ими. Эта проблема человечества в
практически обозримое время - вечная. Поэтому человечество должно научиться
жить с этой проблемой.
5. Концепции физики элементарных частиц
а) Современный статус понятия Элементарной частицы
Представление о том, что все во Вселенной делится на вещество и силы,
бытующие и в настоящее время, возникло давно. Еще Аристотель (см. раздел
"Аристотельская физика") полагал, что на вещество, состоящее из земли,
воздуха, огня и воды, действуют две силы: сила тяжести и сила легкости.
Первая влечет землю и воду вниз, вторая поднимает огонь и воздух вверх.
Аристотелю вещество представлялось непрерывным, а Демокриту - зернистым,
состоящим из атомов. Спор между сторонниками данных концепций дошел до ХХ
века. В его разрешении важный вклад принадлежит Эйнштейну, который в 1905
г. (еще до публикации статьи о специальной теории относительности) высказал
предположение, что броуновское движение (нерегулярное, хаотическое движение
мельчайших частичек, взвешенных в воде) можно объяснить ударами атомов
жидкости об эти частички. Как было показано ранее, первая попытка доказать
структурированность атома предпринял Дж.Томсон. В 1911 г. Э.Резерфорд
доказал, что атом состоит из положительно заряженного ядра и вращающихся
вокруг него, отрицательно заряженных электронов. В 1932 г. Дж.Чэдвик
обнаруживает, что ядро кроме положительного протона содержит не заряженный
нейтрон с массой почти равной массе протона. В 1969 г. эксперименты М.Гелл-
Мана по взаимодействию движущихся с большими скоростями протонов и
электронов показывают, что протоны состоят из Кварков. Таким образом, было
установлено, что ни атомы, ни протоны, ни нейтроны не являются неделимыми.
Перед физиками и встал вопрос: что же считать элементарными частицами?
Может быть при переходе к еще большим энергиям и эти элементарные частицы
окажутся делимыми?
Таким образом, понятие элементарных частиц в настоящее время утратило
свой первоначальный смысл как частиц далее неразложимых, поскольку многие
из частиц, считавшихся элементарными, имеют сложную структуру (например,
протоны и нейтроны). Но осталась сама идея о существовании элементарных
частиц. Термин "элементарные частицы" сейчас употребляется в менее строгом
значении, а именно для названия большой группы мельчайших частиц материи,
которые не являются атомами или атомными ядрами (за исключением протона -
простейшего ядра атома водорода). Их число велико (с нестабильными
частицами насчитывается более 350) и продолжает расти.
В процессе исследования выявленных элементарных частиц устанавливались их
свойства. У электронов и протонов были выявлены масса, размеры,
электрический разряд, механический и магнитный момент. В рамках теории Бора
были установлены механический и магнитный моменты электрона и протона,
являвшихся чисто квантовыми свойствами. Было установлено, что спин -
собственный момент количества микрочастицы, имеющий квантовую природу и
измеряемый в единицах Планка, - может быть целым (0,1,2...) или полуцелым
(1/2, 3/2...).
Исследование бета-распада позволило открыть новое свойство элементарных
частиц - их превращаемости друг в друга: при бета-распаде из ядра вылетает
электрон, который рождается в результате превращения нейтрона в протон и
электрон. Было обнаружено при этом, что электроны, вылетающие из ядра при
бета-распаде, обладают различными скоростями и энергией, а оставшиеся после
бета-распада ядра обладают примерно одинаковой энергией. Измерения
установили, что в случае вылета медленных электронов баланс энергии при
бета-распаде не сохраняется, что казалось нарушением закона сохранения в
микропроцессах. Идея существования нейтрино, рождающегося при бета-распаде
и уносящего недостающую энергию, сохранило справедливость закона сохранения
энергии и в микромире. Открытие превращения нейтрона в протон и нейтрон
положило начало открытиям других форм превращения элементарных частиц друг
в друга.
Следующим выявленным свойством элементарных частиц была способность
определенных частиц взаимодействовать друг с другом. В классической физике
электрическое взаимодействие между заряженными частицами осуществляется с
помощью электромагнитного поля. С точки зрения квантовой физики
взаимодействие частиц есть процесс обмена фотонами, в котором фотоны
пропадают, отдавая свою энергию заряженным частицам. По аналогии с
образованием фотонов появилась идея о том, что подобным образом могут
рождаться и электроны. Поиски сил, связывающих в ядре протоны и нейтроны,
побудили И.Е.Тамма и Д.Д.Иваненко предположить, что ядерные силы есть
результат обмена электронами между нуклонами. Эксперимент эту гипотезу не
подтвердил. Юкава показал, что ядерные силы могут быть объяснены как
результат обмена между нуклонами частицами с массой больше массы электрона
и меньшей массы нуклонов (частицы получили название мезонов-промежуточных
частиц), которые и были обнаружены в космических лучах. Переносчиками
ядерных сил оказались положительно и отрицательно заряженные мезоны с
массой, равной 273 массам электрона, получившие название (-мезонов или
пионов. У нейтральных мезонов масса оказалась равной 264 массам электрона.
Дирак высказал мысль о существовании античастицы для электрона, которая
была открыта и названа позитроном. Оказалось, что свойством элементарных
частиц является существование античастиц , имеющих противоположный заряд и
противоположно направленные механический и магнитный моменты. При
столкновении частицы и античастицы происходит аннигиляция, т.е. их
уничтожение с возникновением других частиц. Так, столкновение электрона и
позитрона дает два фотона, протона и антипротона - четыре мезона и т.д.
У частиц было установлено также свойство спонтанного превращения.
Элементарные частицы имеют "время жизни" - среднее время своего
существования. В настоящее время к числу стабильных частиц с бесконечным
временем существования относят электроны и позитроны. К стабильным относят
также протоны и антипротоны (хотя высказываются соображения о конечном
сроке жизни протонов), а также нейтрино, антинейтрино, фотоны. К настоящему
времени назрела необходимость в классификации элементарных частиц (подобной
периодической системе Д.И.Менделеева). Эта работа далеко не завершена.
б) Современные представления о характере фундаментальных физических
взаимодействий и типах элементарных частиц
В физике под взаимодействием понимается воздействие тел или частиц друг
на друга, приводящее к изменению состояния их движения. В механике Ньютона
взаимодействия характеризуются силой, более общей характеристикой
взаимодействия является потенциальная энергия. В трактовке взаимодействия
исторически сменяли друг друга разные концепции. Первой возникла концепция
дальнодействия, сущность которой заключается в представлении, что
взаимодействие между телами может осуществляться непосредственно через
пустое пространство, которое участвует в передаче взаимодействия не
принимает, причем передача взаимодействия происходит мгновенно. После
открытия электромагнитного поля возникла концепция близкодействия. Было
установлено, что взаимодействие электрически заряженных частиц
осуществляется не мгновенно, а с некоторой конечной скоростью, равной
скорости света. Электромагнитное поле выступает посредником, осуществляющим
передачу взаимодействия между электрически заряженными частицами. Данная
концепция была перенесена и на другие взаимодействия. В рамках данной
концепции взаимодействия между телами осуществляется посредствам
разнообразных полей. В рамках квантовой теории трактовке взаимодействия был
придан квантовый характер. Поскольку каждое тело состоит из квантов, то,
например, электромагнитное взаимодействие осуществляется путем обмена
фотонами и т.п.
Существует четыре разновидности взаимодействия (сил), которые физики
надеются представить как проявление одной и той же силы (взаимодействия).
Оказалось. что классификацию элементарных частиц удобнее всего осуществлять
по типам их взаимодействий.
Все известные частицы принято разделять на две группы, в одну из которых
входят частицы со спином 1/2 (из них состоит вещество Вселенной), а в
другую - частицы со спином 0, 1 и 2 (создающие силы, действующие между
частицами вещества).Первые подчиняются принципу запрета Паули, (гласящему,
что две одинаковые частицы не могут существовать в одном и том же
состоянии). Если бы не действовал принцип Паули, кварки не смогли бы
объединится в протоны и нейтроны, которые, в свою очередь, вместе с
электронами не смогли бы объединиться в атомы. В 1928 г. П.Дирак разработал
теорию, описывающую эти частицы, которая согласовывалась и с квантовой
механикой, и со специальной теорией относительности. Теория объяснила,
почему электрон со спиной 1/2 при одном полном обороте не возвращается в
прежнее положение и возвращается в него лишь при двукратном обороте. Эта
тео
| |  скачать работу |
Наука - Физика |
