Развитие взглядов на материю. Современная наука о строении материальной реальности.
Мезонные силы в тысячу раз более
мощные, чем электромагнитные. Именно поэтому ядра в триллион раз плотнее
атомов.
После открытия мезона (это было еще до войны), открытия новых
элементарных частиц посыпались как из рога изобилия. Редкий месяц не
приносил какой-либо новой частицы. Скоро их число перевалило за сотню. Но
мот что важно: кроме электрона, протона и нейтрона в атоме больше нет
никаких частиц. Зачем же тогда нужны остальные и почему их так много? Еще
один сложный вопрос физики.
Элементарные частицы нельзя разделить на более простые части (именно
поэтому их и назвали «элементарными»). В любых известных сегодня реакциях
эти частицы лишь переходят друг в друга - взаимопревращаются. Причем из
легких могут родиться более тяжелые частицы - если они движутся с
достаточной скоростью (кинематическая энергия переходит в массу!)
Из элементарных частиц, как из кирпичиков конструктора, можно
построить весь окружающий мир во всей его красоте и многообразии. Как
сильно они не похожи друг на друга! Каких только здесь нет пород, гибридов
и монстров! Элементарные частицы различаются по заряду, спину, массе,
времени жизни и так далее. Например, время жизни протона больше времени
жизни Вселенной, а ро-мезон живет 10 в -23 степени секунд. Масса фотонов и
нейтрино равна нулю, а масса еще не открытого, но предсказанного
теоретиками максимона (самой тяжелой элементарной частицы, которая только
может существовать) - что-то около микрограмма - как у крупной, видимой
глазом пылинки. Такой мастодонт и элементарным назвать неудобно.
Итак, целая россыпь, сотни элементарных частиц! Когда смотришь на
это, то первое что хочется сделать, это хоть как-то привести их в порядок,
выделить «наиболее элементарные», из которых можно сделать все остальные.
Этому и отдали дань самые известные и талантливые физики. И ничего не
вышло: оказалось что все частицы в равной степени элементарны. Однако их
можно разбить на семейства, и членов каждого рассматривать как различные
состояния одной и той же частицы. Семейства объединяются в более сложные
группы - кланы, или мультиплеты. Но главное - мультиплеты связаны
определенными правилами симметрии. В целом получается что-то вроде
периодической таблицы элементарных частиц, наподобие Менделеевской. Можно
предполагать, физики нащупали следующий ярус строения материи.
Большую роль в развитии знаний сыграли ускорители элементарных
частиц. Электронное просвечивание показало, что протон на самом деле не
точка, а довольно крупный объект радиусом около 10 в -13 степени
сантиметров. Анализируя результаты новых опытов по рассеянию электронов,
ученые сделали вывод, что нуклоны являются роем каких-то очень мелких
частичек, которые при меньшем увеличении выглядят как сгусток
накладывающихся и проникающих друг в друга мезонов и других элементарных
частиц. Теоретики, занимавшиеся классификацией частиц, обрадовались, так
как уже давно догадывались о существовании таких частиц, только называли их
по-своему: кварки.
Когда кварки замелькали на страницах теоретических статей, многие
ученые считали их всего лишь неким курьезом, временными строительными
лесами на пути к более совершенной теории. Однако не успели физики
оглянуться, как оказалось, что с помощью кварков очень просто и наглядно
объясняются самые различные экспериментальные факты, а теоретические
вычисления сильно упрощаются. Без кварков стало просто невозможно обойтись,
также как без молекул и атомов.
с помощью кваркового конструктора можно построить всю таблицу
элементарных частиц - иногда простым сложением, а иногда придавая
дополнительное вращение «частям» уже построенных частиц. Единственное, что
смущало - то, что никто не мог обнаружить кварки в свободном виде. Поиск
свободных кварков стал главной задачей физики. На решение этой задачи была
брошена вся мощь современного эксперимента. Кварки искали и среди потоков
частиц, образующихся в ускорителях, и среди космических лучей, но...
никаких следов не было!
Опыты по зондированию нуклона доказали, что в центре элементарной
частицы кварки почти не связаны взаимодействием и ведут себя как плавающие
в воздухе воздушные шарики. Если же они попытаются разойтись, то сразу же
возникают стягивающие их силы. На периферии кварки могут находиться лишь в
форме связанных сгустков - например, в виде пи-мезонов, что согласуется с
теорией ядерного взаимодействия на основе мезонов. Но как взаимодействуют
друг с другом кварки? Так как другого способа организовать взаимодействие,
чем посредством передачи частицы-носителя взаимодействия, наука не знает,
то были предложены глюоны - склеивающие кварки частицы. Глюоны похожи на
фотоны, только с зарядом. Фотон никакого поля вокруг себя не создает,
поэтому наибольшую интенсивность поле имеет возле своего источника -
заряда, дальше оно постепенно рассеивается и ослабевает. Глюон же своим
зарядом рождает новые глюоны, те в свою очередь - следующие и так
далее.поэтому глюонное поле не ослабевает, а наоборот, возрастает при
удалении от породившего его кварка. Удаляющийся кварк, как пеной обрастает
новыми глюонами и их связь становится более сильной. А «голые» кварки в
центре частицы - очень легкие образования, их масса в сто раз меньше
нуклонной. Оказывается, элементарные частицы состоят в основном из
глюонного клея!
Важное следствие из теории кварков - это возможный распад протона.
Этот вывод несколько пугает. Получается что все вокруг радиоактивно и с
течением времени должно распасться все - все атомы мира. Однако сильно
опасаться нам нечего. Расчет говорит, что протоны распадаются крайне редко.
В стакане воды один распад происходит за десять тысяч лет. Но если взять
установку большой величины, то и такое редкое событие можно
зарегистрировать. Успех эксперимента будет веским доказательством того, что
наши представления о глубинах микромира правильны. Результат опыта будет
также очень важен и для астрономов, и для философов - ведь от его исхода
зависят предсказания дальнейшей эволюции и судьбы окружающего нас мира.
Окружающий мир - что может быть интереснее и захватывающее истории
его возникновения, развития, строения и существования? Ныне Вселенная
раскрывает свои тайны, загадки таинственного мира фундаментальной физики.
Цель поисков ученых превосходит самое смелое воображение: речь идет ни
больше и не меньше как о «ключе» к Вселенной. Впервые за всю историю
человечества мы располагаем разумной научной теорией всего сущего. Это
поистине революционный беспримерный прорыв в нашем понимании окружающего
мира, который оставит глубокий след в развитии представлений человека о
Вселенной и его места в ней.
Важнейший вопрос физики - вопрос о взаимодействиях. Если бы не
взаимодействия, то частицы материи двигались бы независимо, не подозревая о
существовании других частиц. Благодаря взаимодействиям частицы обретают как
бы способность распознавать другие частицы и реагировать на них, благодаря
чему рождается коллективное поведение. Поскольку вся материя состоит из
частиц, для объяснения природы сил необходимо в конечном счете обратиться к
физике элементарных частиц. Сделав это, физики обнаружили, что все
взаимодействия, независимо от того, как они проявляются в больших
масштабах, можно свести к четырем фундаментальным типам: гравитационному,
электромагнитному и двум типам ядерных.
На уровне кварков доминируют ядерные взаимодействия. Сильное взаимодействие
связывает кварки в протоны и нейтроны и не дает ядрам разваливаться. На
уровне атомов преобладает электромагнитное взаимодействие, связывающее
атомы и молекулы. В астрономических масштабах господствующим становится
гравитационное взаимодействие.
В последние годы физики заинтересовались соотношением между четырьмя
фундаментальными взаимодействиями, которые в совокупности управляют
Вселенной. Существует ли между ними какая-либо связь? Не являются ли они
всего лишь различными ипостасями единственной основополагающей суперсилы ?
Если такая суперсила существует, то именно она представляет собой
действующее начало всякой активности во Вселенной - от рождения субатомных
частиц до коллапса звезд. Разгадка тайны суперсилы невообразимо увеличила
бы нашу власть над природой и даже позволила бы объяснить само «сотворение»
мира.
Мы уже знаем, что элементарные частицы взаимодействуют друг с другом
посредством других частиц, которые она непрерывно испускает и поглощает.
Слои этих частиц экранируют заряды, поэтому частица с различных высот до
нее выглядит заряженной по-разному. Именно так, всегда различно
заряженными, видят друг друга сталкивающиеся частицы. Чем больше их
энергия, тем глубже они проникают друг в друга и тем отчетливее ощущают
«дыхание» их центральных неэкранированных зарядов. Поэтому можно ожидать,
что с ростом энергии различные типы взаимодействий будут становиться все
более похожими и при высоких энергиях сольются в одно-единое взаимодействие
- суперсилу. Произойдет «великое объединение» всех сил природы.
Реальное положение дел несколько сложнее. Экранирующие облака образуются не
только вокруг заряда, но и вокруг каждой частички-переносчика, которыми
прощупывают друг друга сталкивающиеся частицы. Если переносчики
взаимодействия очень тяжелые, то взаимодействие переносится на ультрамалые
расстояния. Вдали от центра такие частицы почти не встречаются и связанное
с ними взаимодействие проявляется очень слабо. В других случаях переносчики
легкие (например, фотоны), они способны далеко уйти от испустившего их
заряда, и с их помощью происходит взаимодействие на больших расстояниях.
Таким образом, не только частицы, но и силы, связывающие их, оказываются
необычайно сложными. Простейшими точками их уже никак не назовешь! И трудно
поверить, что сила тяготения двух электронов и в миллиарды миллиардов
большая сила их электромагнитного отталкивания - ветви од
| |  скачать работу |
Развитие взглядов на материю. Современная наука о строении материальной реальности. |
