O RAZUMIJEVANJU KRETANJA TVARI, NJEZINE SPOSOBNOSTI SAMORAZVOJA, KAO I KOMUNICIRANJA I MEĐUSOBNOG MEĐUSOBNOG DJELOVANJA MATERIJALNIH OBJEKATA U SUVREMENOJ PRIRODNOJ ZNANOSTI
Tsyupka V.P.
Savezna državna autonomna obrazovna ustanova visokog stručnog obrazovanja "Belgorodsko državno nacionalno istraživačko sveučilište" (NRU "BelSU")
1. Kretanje materije
“Sastavno svojstvo materije je kretanje” 1 , koje je oblik postojanja materije i očituje se u svakoj njezinoj promjeni. Iz neuništivosti i neuništivosti materije i njezinih svojstava, pa tako i gibanja, proizlazi da kretanje materije postoji vječno i da je beskrajno raznoliko u obliku svojih manifestacija.
Postojanje bilo kojeg materijalnog objekta očituje se u njegovom kretanju, tj. u svakoj promjeni koja se s njim događa. Tijekom promjena uvijek se mijenjaju neka svojstva materijalnog objekta. Budući da ukupnost svih svojstava materijalnog objekta, koja karakterizira njegovu izvjesnost, individualnost, značajku u određenom trenutku u vremenu, odgovara njegovom stanju, ispada da je kretanje materijalnog objekta popraćeno promjenom njegovih stanja. . Mijenjanje svojstava može ići toliko daleko da jedan materijalni objekt može postati drugi materijalni objekt. “Ali materijalni objekt se nikada ne može pretvoriti u svojstvo” (na primjer, masa, energija), a “svojstvo - u materijalni objekt” 2, jer samo pokretna materija može biti promjenjiva supstanca. U prirodnoj znanosti kretanje tvari naziva se i prirodni fenomen (prirodni fenomen).
Poznato je da “bez gibanja nema materije” 3 kao što bez materije ne može biti ni gibanja.
Gibanje materije može se kvantitativno izraziti. Univerzalna kvantitativna mjera gibanja materije, kao i svakog materijalnog objekta, je energija, koja izražava vlastitu aktivnost materije i svakog materijalnog objekta. Dakle, energija je jedno od svojstava pokretne materije, a energija ne može biti izvan materije, odvojena od nje. Energija je u ekvivalentnom odnosu s masom. Stoga masa može karakterizirati ne samo količinu tvari, već i stupanj njezine aktivnosti. Iz činjenice da gibanje materije postoji vječno i da je beskrajno raznoliko u obliku svojih manifestacija, neumoljivo slijedi da energija koja karakterizira gibanje materije kvantitativno također postoji vječno (nestvorena i neuništiva) i beskrajno raznolika u obliku svojih manifestacija. . "Dakle, energija nikada ne nestaje i ne pojavljuje se više, samo prelazi iz jednog oblika u drugi" 1 u skladu s promjenom vrsta kretanja.
Uočavaju se različiti tipovi (oblici) gibanja materije. Mogu se klasificirati uzimajući u obzir promjene svojstava materijalnih objekata i karakteristike njihovog utjecaja jedni na druge.
Kretanje fizičkog vakuuma (slobodna fundamentalna polja u normalnom stanju) svedeno je na činjenicu da cijelo vrijeme blago odstupa u različitim smjerovima od svoje ravnoteže, kao da "drhti". Kao rezultat takvih spontanih niskoenergetskih pobuda (odstupanja, perturbacije, fluktuacije) nastaju virtualne čestice koje se odmah otapaju u fizičkom vakuumu. Ovo je najniže (osnovno) energetsko stanje pokretnog fizičkog vakuuma, njegova energija je blizu nule. Ali fizički vakuum može neko vrijeme na nekom mjestu prijeći u pobuđeno stanje, koje karakterizira određeni višak energije. S tako značajnim, visokoenergetskim pobuđenjima (odstupanja, perturbacije, fluktuacije) fizičkog vakuuma, virtualne čestice mogu dovršiti svoju pojavu i tada iz fizičkog vakuuma izbijaju stvarne fundamentalne čestice raznih vrsta, i to u pravilu u parovima ( koji imaju električni naboj u obliku čestice i antičestice s električnim nabojem suprotnih predznaka, na primjer, u obliku para elektron-pozitron).
Pojedinačne kvantne ekscitacije različitih slobodnih fundamentalnih polja su fundamentalne čestice.
Fermionska (spinorska) fundamentalna polja mogu dati 24 fermiona (6 kvarkova i 6 antikvarkova, kao i 6 leptona i 6 antileptona), koji su podijeljeni u tri generacije (obitelji). U prvoj generaciji, gornji i donji kvarkovi (i antikvarkovi), kao i leptoni, elektron i elektronski neutrino (i pozitron s elektronskim antineutrinom), tvore običnu materiju (i rijetko otkrivenu antimateriju). U drugoj generaciji, s većom masom (veći gravitacijski naboj), začarani i čudni kvarkovi (i antikvarkovi), kao i leptoni mion i mion neutrino (i antimuon s mionskim antineutrinom). U trećoj generaciji pravi i lijepi kvarkovi (i antikvarkovi), kao i leptoni taon i taon neutrino (i antitaon s taon antineutrinom). Fermioni druge i treće generacije ne sudjeluju u nastanku obične materije, nestabilni su i raspadaju se nastankom fermiona prve generacije.
Bosonska (mjerna) temeljna polja mogu generirati 18 vrsta bozona: gravitacijsko polje - gravitone, elektromagnetsko polje - fotone, polje slabe interakcije - 3 vrste "viona" 1 , gluonsko polje - 8 vrsta gluona, Higgsovo polje - 5 vrsta Higgsa bozoni.
Fizički vakuum u dovoljno visokoenergetskom (pobuđenom) stanju sposoban je generirati mnogo fundamentalnih čestica sa značajnom energijom, u obliku mini-svemira.
Za supstancu mikrokozmosa kretanje je smanjeno:
raspodjeli, sudaranju i međusobnom pretvaranju elementarnih čestica;
nastanak atomskih jezgri od protona i neutrona, njihovo kretanje, sudaranje i izmjena;
nastajanje atoma iz atomskih jezgri i elektrona, njihovo kretanje, sudaranje i promjena, uključujući skakanje elektrona s jedne atomske orbitale na drugu i njihovo odvajanje od atoma, dodavanje viška elektrona;
nastajanje molekula iz atoma, njihovo kretanje, sudaranje i promjena, uključujući dodavanje novih atoma, otpuštanje atoma, zamjenu jednih atoma drugima, promjenu međusobnog rasporeda atoma u molekuli.
Za supstanciju makrokozmosa i megasvijeta kretanje se svodi na pomicanje, sudaranje, deformiranje, razaranje, sjedinjavanje raznih tijela, kao i na njihove najrazličitije mijene.
Ako kretanje materijalnog objekta (kvantiziranog polja ili materijalnog objekta) prati promjena samo njegovih fizičkih svojstava, na primjer, frekvencija ili valna duljina za kvantizirano polje, trenutna brzina, temperatura, električni naboj za materijalni objekt, tada se takvo kretanje naziva fizičkim oblikom. Ako je kretanje materijalnog objekta popraćeno promjenom njegovih kemijskih svojstava, na primjer, topljivosti, zapaljivosti, kiselosti, tada se takvo kretanje naziva kemijskim oblikom. Ako se kretanje odnosi na promjenu objekata megasvijeta (kozmičkih objekata), tada se takvo kretanje naziva astronomskim oblikom. Ako se kretanje odnosi na promjenu objekata dubokih zemljinih ljuski (zemljine unutrašnjosti), tada se takvo kretanje naziva geološki oblik. Ako se kretanje odnosi na promjenu objekata geografske ljuske koja ujedinjuje sve površinske zemaljske ljuske, tada se takvo kretanje naziva geografski oblik. Kretanje živih tijela i njihovih sustava u obliku njihovih različitih vitalnih manifestacija označava se kao biološki oblik. Kretanje materijalnih objekata, popraćeno promjenom društveno značajnih svojstava uz obvezno sudjelovanje osobe, na primjer, vađenje željezne rude i proizvodnja željeza i čelika, uzgoj šećerne repe i proizvodnja šećera, je nazivaju društveno determiniranim oblikom kretanja.
Kretanje bilo kojeg materijalnog objekta ne može se uvijek pripisati nijednom obliku. Složen je i raznolik. Čak i fizičko kretanje svojstveno materijalnim objektima od kvantiziranog polja do tijela može uključivati nekoliko oblika. Na primjer, elastični sraz (sudar) dvaju čvrstih tijela u obliku bilijarskih kugli uključuje i promjenu položaja kuglica u odnosu jedne na drugu i stol tijekom vremena, i rotaciju kuglica, i trenje kuglica na površini stola i zraka, te kretanje čestica svake kuglice, te praktički reverzibilna promjena oblika kuglica tijekom elastičnog sudara, te izmjena kinetičke energije s njezinim djelomičnim pretvaranjem u unutarnju energiju kuglice pri elastičnom sudaru, te prijenos topline između kuglica, zraka i površine stola, te mogući radioaktivni raspad jezgri nestabilnih izotopa sadržanih u kuglicama, te prodiranje neutrina kozmičkih zraka kroz kuglice itd. Razvojem materije i nastankom kemijskih, astronomskih, geoloških, geografskih, bioloških i društveno uvjetovanih materijalnih objekata, oblici gibanja postaju sve složeniji i raznovrsniji. Dakle, u kemijskom kretanju možemo vidjeti i fizičke oblike gibanja i kvalitativno nove, nesvodive na fizikalne, kemijske oblike. U kretanju astronomskih, geoloških, geografskih, bioloških i društveno uvjetovanih objekata mogu se vidjeti kako fizički i kemijski oblici kretanja, tako i kvalitativno novi, nesvodivi na fizikalno-kemijske, odnosno astronomske, geološke, geografske, biološke ili društvene uvjetovani oblici kretanja. Istodobno, niži oblici gibanja materije ne razlikuju se u materijalnim objektima različitog stupnja složenosti. Na primjer, fizičko kretanje elementarnih čestica, atomskih jezgri i atoma ne razlikuje se kod astronomskih, geoloških, geografskih, bioloških ili društveno uvjetovanih materijalnih objekata.
U proučavanju složenih oblika kretanja moraju se izbjegavati dvije krajnosti. Prvo, proučavanje složenog oblika kretanja ne može se svesti na jednostavne oblike kretanja; složeni oblik kretanja ne može se izvesti iz jednostavnih. Na primjer, biološko kretanje ne može se izvesti samo iz fizičkih i kemijskih oblika gibanja, zanemarivši pritom same biološke oblike gibanja. I drugo, ne može se ograničiti na proučavanje samo složenih oblika kretanja, zanemarujući jednostavne. Na primjer, proučavanje biološkog kretanja dobra je nadopuna proučavanju fizičkih i kemijskih oblika kretanja koji se u ovom slučaju manifestiraju.
2. Sposobnost materije za samorazvoj
Kao što je poznato, samorazvoj materije, a materija je sposobna za samorazvoj, karakterizira spontano, usmjereno i nepovratno postupno usložnjavanje oblika pokretne materije.
Spontani samorazvoj materije znači da se proces postupnog usložnjavanja oblika pokretne materije odvija sam od sebe, prirodno, bez sudjelovanja bilo kakvih neprirodnih ili nadnaravnih sila, Stvoritelja, zbog unutarnjih, prirodnih uzroka.
Smjer samorazvoja materije znači neku vrstu kanaliziranja procesa postupnog usložnjavanja oblika pokretne materije iz jednog njenog oblika koji je postojao ranije u drugi oblik koji se pojavio kasnije: za svaki novi oblik pokretne materije, može pronaći prethodni oblik pokretne materije koji mu je dao početak, i obrnuto, za bilo koji prethodni oblik pokretne materije, možete pronaći novi oblik pokretne materije koji je nastao iz njega. Pritom je prethodni oblik pokretne materije uvijek postojao prije novog oblika pokretne materije koji je iz njega nastao, prethodni oblik je uvijek stariji od novog oblika koji je iz njega nastao. Uslijed kanaliziranja samorazvoja pokretne materije nastaje neka vrsta niza postupnih usložnjavanja njezinih oblika, pokazujući u kojem je smjeru, kao i kroz koje srednje (prijelazne) oblike, tekao povijesni razvoj jednog ili drugog oblika pokretna materija nastavila.
Nepovratnost samorazvoja materije znači da proces postupnog usložnjavanja oblika pokretne materije ne može ići u suprotnom smjeru, unatrag: iz novog oblika pokretne materije ne može nastati oblik pokretne materije koji mu je prethodio, iz koje je nastao, ali može postati prethodni oblik za nove oblike. A ako se iznenada bilo koji novi oblik pokretne materije pokaže vrlo sličnim jednom od oblika koji su mu prethodili, tada to neće značiti da se pokretna materija počela samorazvijati u suprotnom smjeru: pojavio se prethodni oblik pokretne materije mnogo ranije, a novi oblik pokretne materije, čak i vrlo sličan njemu, pojavio se mnogo kasnije i predstavlja, iako sličan, ali bitno drugačiji oblik pokretne materije.
3. Komunikacija i interakcija materijalnih objekata
Integralna svojstva materije su komunikacija i interakcija, koje su uzrok njezina kretanja. Budući da su povezanost i međudjelovanje uzrok kretanja materije, stoga su povezanost i međudjelovanje, kao i kretanje, univerzalni, tj. svojstveni svim materijalnim objektima, bez obzira na njihovu prirodu, podrijetlo i složenost. Sve pojave u materijalnom svijetu određene su (u smislu da su uvjetovane) prirodnim materijalnim vezama i međudjelovanjima, kao i objektivnim zakonima prirode, koji odražavaju zakone povezanosti i međudjelovanja. “U tom smislu, na svijetu ne postoji ništa nadnaravno i apsolutno suprotno materiji.” 1 Interakcija je, kao i kretanje, oblik postojanja (egzistencije) materije.
Postojanje svih materijalnih objekata očituje se u interakciji. Za bilo koji materijalni “objekt, postojati znači nekako se manifestirati u odnosu na druge materijalne objekte, djelovati s njima, biti u objektivnim vezama i odnosima s njima. Kad bi neki hipotetski materijalni “objekt koji se ni na koji način ne bi manifestirao u odnosu na neke druge materijalne objekte, ne bi bio s njima ni na koji način povezan, ne bi s njima bio u interakciji, onda on za te druge materijalne objekte ne bi postojao. “Ali naša pretpostavka o njemu također se ne može temeljiti ni na čemu, budući da zbog nedostatka interakcije ne bismo imali nikakve informacije o njemu.” 2
Interakcija je proces međusobnog utjecaja jednih materijalnih objekata na druge uz razmjenu energije. Interakcija stvarnih objekata može biti izravna, na primjer, u obliku sudara (sudara) dva čvrsta tijela. I to se može dogoditi na daljinu. U ovom slučaju, interakciju stvarnih objekata osiguravaju bozonska (mjerna) temeljna polja povezana s njima. Promjena u jednom materijalnom objektu uzrokuje ekscitaciju (odstupanje, perturbaciju, fluktuaciju) odgovarajućeg bozonskog (mjernog) fundamentalnog polja povezanog s njim, a ta ekscitacija se širi u obliku vala s konačnom brzinom koja ne prelazi brzinu svjetlosti u vakuumu (gotovo 300 tisuća km / sa). Interakcija stvarnih objekata na daljinu, prema kvantnopoljskom mehanizmu prijenosa interakcije, je razmjenske prirode, budući da interakciju prenose čestice nositelji u obliku kvanta odgovarajućeg bozonskog (mjernog) temeljnog polja. Različiti bozoni kao čestice nositelji međudjelovanja su ekscitacije (devijacije, perturbacije, fluktuacije) odgovarajućih bozonskih (mjernih) fundamentalnih polja: tijekom emisije i apsorpcije materijalnog objekta oni su stvarni, a tijekom propagacije virtualni.
Ispada da je u svakom slučaju interakcija materijalnih objekata, čak i na daljinu, radnja kratkog dometa, jer se provodi bez ikakvih praznina, praznina.
Interakcija čestice s antičesticom materije praćena je njihovom anihilacijom, tj. transformacijom u odgovarajuće fermionsko (spinorsko) fundamentalno polje. U tom se slučaju njihova masa (gravitacijska energija) pretvara u energiju odgovarajućeg fermionskog (spinorskog) temeljnog polja.
Virtualne čestice pobuđenog (skretnog, uznemirujućeg, "drhtavog") fizičkog vakuuma mogu komunicirati sa stvarnim česticama, kao da ih obavijaju, prateći ih u obliku takozvane kvantne pjene. Na primjer, kao rezultat interakcije elektrona atoma s virtualnim česticama fizičkog vakuuma, dolazi do određenog pomaka njihovih energetskih razina u atomima, dok sami elektroni izvode oscilatorna gibanja s malom amplitudom.
Postoje četiri vrste temeljnih interakcija: gravitacijska, elektromagnetska, slaba i jaka.
"Gravitacijsko međudjelovanje očituje se u međusobnom privlačenju ... materijalnih objekata koji imaju masu" 1 mirovanja, tj. materijalnih objekata, na bilo kojim velikim udaljenostima. Pretpostavlja se da je pobuđeni fizički vakuum, koji stvara mnoge fundamentalne čestice, sposoban ispoljiti gravitacijsko odbijanje. Gravitacijsku interakciju prenose gravitoni gravitacijskog polja. Gravitacijsko polje povezuje tijela i čestice s masom mirovanja. Za širenje gravitacijskog polja u obliku gravitacijskih valova (virtualnih gravitona) nije potreban medij. Gravitacijska interakcija je najslabija po svojoj snazi, stoga je u mikrosvijetu neznatna zbog neznatnosti masa čestica, u makrokozmosu je njena manifestacija uočljiva i uzrokuje npr. pad tijela na Zemlju, a u megasvijetu ima vodeću ulogu zbog ogromnih masa tijela megasvijeta i osigurava npr. rotaciju Mjeseca i umjetnih satelita oko Zemlje; nastanak i kretanje planeta, planetoida, kometa i drugih tijela u Sunčevom sustavu te njegovu cjelovitost; nastanak i kretanje zvijezda u galaksijama - divovskim zvjezdanim sustavima, uključujući i do stotine milijardi zvijezda, povezanih međusobnom gravitacijom i zajedničkim podrijetlom, kao i njihovom cjelovitošću; cjelovitost klastera galaksija - sustava relativno blisko razmaknutih galaksija povezanih gravitacijskim silama; cjelovitost Metagalaksije - sustav svih poznatih jata galaksija, povezanih gravitacijskim silama, kao proučavanog dijela Svemira, cjelovitost cjelokupnog Svemira. Gravitacijska interakcija određuje koncentraciju materije raspršene u Svemiru i njezino uključivanje u nove cikluse razvoja.
"Elektromagnetsko međudjelovanje nastaje zbog električnih naboja i prenosi se" 1 fotonima elektromagnetskog polja na velike udaljenosti. Elektromagnetsko polje povezuje tijela i čestice koje imaju električni naboj. Štoviše, stacionarne električne naboje povezuje samo električna komponenta elektromagnetskog polja u obliku električnog polja, a pokretne električne naboje povezuje i električna i magnetska komponenta elektromagnetskog polja. Za širenje elektromagnetskog polja u obliku elektromagnetskih valova nije potreban nikakav dodatni medij, jer "promjenjivo magnetsko polje stvara izmjenično električno polje, koje je izvor izmjeničnog magnetskog polja" 2 . "Elektromagnetsko međudjelovanje može se očitovati i kao privlačnost (između suprotnih naboja) i kao odbijanje (između" 3 slična naboja). Elektromagnetsko međudjelovanje puno je jače od gravitacijskog. Ona se očituje kako u mikrokozmosu, tako iu makrokozmosu i megasvijetu, ali joj vodeća uloga pripada u makrokozmosu. Elektromagnetska interakcija osigurava interakciju elektrona s jezgrama. Međuatomsko i međumolekularno međudjelovanje je elektromagnetsko, zahvaljujući njemu npr. postoje molekule i provodi se kemijski oblik kretanja tvari, postoje tijela i određuju se njihova agregatna stanja, elastičnost, trenje, površinska napetost tekućine, vid funkcije. Dakle, elektromagnetsko međudjelovanje osigurava stabilnost atoma, molekula i makroskopskih tijela.
Slaba interakcija uključuje elementarne čestice koje imaju masu mirovanja, koju nose "vioni" od 4 polja. Polja slabe interakcije vežu različite elementarne čestice s masom mirovanja. Slaba interakcija puno je slabija od elektromagnetske, ali jača od gravitacijske. Zbog svog kratkog djelovanja očituje se samo u mikrokozmosu, uzrokujući npr. većinu samoraspada elementarnih čestica (npr. slobodni neutron se samoraspada uz sudjelovanje negativno nabijenog mjernog bozona u proton , elektron i elektronski antineutrino, ponekad se stvara još jedan foton), međudjelovanje neutrina s ostatkom tvari.
Snažna interakcija očituje se u međusobnom privlačenju hadrona, koji uključuju kvarkove strukture, na primjer dvokvarkove mezone i trokvarkove nukleone. Prenose ga gluoni gluonskih polja. Gluonska polja vežu hadrone. Ovo je najjača interakcija, ali zbog svog kratkog djelovanja manifestira se samo u mikrokozmosu, osiguravajući, na primjer, vezivanje kvarkova u nukleonima, vezivanje nukleona u atomskim jezgrama, osiguravajući njihovu stabilnost. Jaka interakcija je 1000 puta jača od elektromagnetske i ne dopušta da se rasprše slično nabijeni protoni udruženi u jezgru. Zbog jake interakcije moguće su i termonuklearne reakcije u kojima se više jezgri spoji u jednu. Prirodni termonuklearni reaktori su zvijezde koje stvaraju sve kemijske elemente teže od vodika. Teške multinukleonske jezgre postaju nestabilne i cijepaju se, jer njihove dimenzije već premašuju udaljenost na kojoj se očituje jaka interakcija.
"Kao rezultat eksperimentalnih studija međudjelovanja elementarnih čestica ... otkriveno je da se pri visokim energijama sudara protona - oko 100 GeV - ... slabe i elektromagnetske interakcije ne razlikuju - mogu se smatrati jednim elektroslabim interakcija." 1 Pretpostavlja se da im se “pri energiji od 10 15 GeV pridružuje jaka interakcija, a pri” 2 još “većim energijama interakcije čestica (do 10 19 GeV) ili pri ekstremno visokoj temperaturi materije sva četiri temeljna interakcije karakterizira ista snaga, tj. predstavljaju jednu interakciju” 3 u obliku “supermoći”. Možda su takvi visokoenergetski uvjeti postojali na početku razvoja Svemira koji je nastao iz fizičkog vakuuma. U procesu daljnjeg širenja Svemira, popraćenog brzim hlađenjem nastale tvari, integralna interakcija najprije je podijeljena na elektroslabu, gravitacijsku i jaku, a zatim je elektroslaba interakcija podijeljena na elektromagnetsku i slabu, odnosno na četiri. interakcije bitno različite jedna od druge.
BIBLIOGRAFIJA:
Karpenkov, S. Kh. Osnovni pojmovi prirodnih znanosti [Tekst]: udžbenik. dodatak za sveučilišta / S. Kh. Karpenkov. - 2. izdanje, revidirano. i dodatni - M. : Academic Project, 2002. - 368 str.
Koncepti suvremene prirodne znanosti [Tekst]: udžbenik. za sveučilišta / Ed. V. N. Lavrinenko, V. P. Ratnikova. - 3. izdanje, revidirano. i dodatni - M. : UNITI-DANA, 2005. - 317 str.
Filozofski problemi prirodnih znanosti [Tekst]: udžbenik. dodatak za apsolvente i studente filozofije. i prirode. fak. un-tov / Ed. S. T. Meljuhina. - M. : Viša škola, 1985. - 400 str.
Tsyupka, V. P. Prirodoslovna slika svijeta: koncepti moderne prirodne znanosti [Tekst]: udžbenik. dodatak / V. P. Tsyupka. - Belgorod: IPK NRU "BelGU", 2012. - 144 str.
Tsyupka, V.P. Koncepti moderne fizike, koji čine modernu fizičku sliku svijeta [Elektronički izvor] // Znanstveni elektronički arhiv Ruske akademije prirodnih znanosti: dopisni tečajevi. elektron. znanstveni konf. "Pojmovi suvremene prirodne znanosti ili prirodoslovna slika svijeta" URL: http://site/article/6315(objavljeno: 31.10.2011.)
Yandex. Rječnici. [Elektronički izvor] URL: http://slovari.yandex.ru/
1Karpenkov S. Kh. Osnovni pojmovi prirodnih znanosti. M. Akademski projekt. 2002., str. 60.
2Filozofski problemi prirodnih znanosti. M. Viša škola. 1985. S. 181.
3Karpenkov S. Kh. Osnovni pojmovi prirodnih znanosti ... S. 60.
1Karpenkov S. Kh. Osnovni pojmovi prirodnih znanosti ... S. 79.
1Karpenkov S. Kh.
1Filozofski problemi prirodnih znanosti ... S. 178.
2Ibid. S. 191.
1Karpenkov S. Kh. Osnovni pojmovi prirodnih znanosti ... S. 67.
1Karpenkov S. Kh. Osnovni pojmovi prirodnih znanosti ... S. 68.
3Filozofski problemi prirodnih znanosti ... S. 195.
4Karpenkov S. Kh. Osnovni pojmovi prirodnih znanosti ... S. 69.
1Karpenkov S. Kh. Osnovni pojmovi prirodnih znanosti ... S. 70.
2Pojmovi moderne prirodne znanosti. M. JEDINSTVO-DANA. 2005. S. 119.
3Karpenkov S. Kh. Osnovni pojmovi prirodnih znanosti ... S. 71.
Tsyupka V.P. O RAZUMIJEVANJU GIBANJA TVARI, NJEZINE SPOSOBNOSTI SAMORAZVOJA, TE KOMUNIKACIJE I INTERAKCIJE MATERIJALNIH OBJEKATA U SUVREMENOJ PRIRODNOJ ZNANOSTI // Znanstveni elektronički arhiv.
URL: (datum pristupa: 17.03.2020.).
leptoni ne sudjeluju u jakoj interakciji.
elektron. pozitron. mion.
neutrino je lagana neutralna čestica koja sudjeluje samo u slabim i gravitacijskim
interakcija.
neutrino (#fluks).
nositelji interakcije:
foton - kvant svjetlosti, nositelj elektromagnetske interakcije.
gluon je nositelj jake sile.
intermedijarni vektorski bozoni - nositelji slabe interakcije;
čestice s cjelobrojnim spinom.
"fundamentalne čestice" u knjigama
Poglavlje 1 Čestica oceana
Iz knjige Krv: rijeka života [Od drevnih legendi do znanstvenih otkrića] autor Asimov Isaac1. POGLAVLJE Trunac oceana Svako jednostanično stvorenje koje živi u moru, tako sićušno da se može vidjeti samo pod mikroskopom, ima opskrbu krvlju milijardama puta veću od ljudske. U početku se to može činiti nemogućim, ali kad to shvatiš
ČESTICA "-XIA" POBJEĐUJE
Iz knjige Kako pravilno govoriti: Bilješke o kulturi ruskog govora Autor Golovin Boris Nikolajevičtemeljna asimetrija
Iz knjige Antifragilnost [Kako kapitalizirati kaos] Autor Taleb Nassim NicholasFundamentalna asimetrija Izrazimo Senekinu asimetriju jasnim pravilom Već sam upotrijebio koncept većeg gubitka s nepovoljnim ishodom. Ako promjenom okolnosti gubite više nego što dobivate, imate posla s asimetrijom, a to je loša asimetrija.
Što je čestica?
Iz knjige Hiperprostor autor: Kaku MichioŠto je čestica? Bit teorije struna je da može objasniti prirodu i materije i prostor-vremena, odnosno prirodu i “drva” i “mramora”. Teorija struna odgovara na brojna zagonetna pitanja o česticama, primjerice zašto ih ima toliko u prirodi. Što smo dublje
boze čestica
Iz knjige Velika sovjetska enciklopedija (BO) autora TSBFermijeva čestica
Iz knjige Velika sovjetska enciklopedija (FE) autora TSBfundamentalna astrometrija
TSBOsnovna duljina
Iz knjige Velika sovjetska enciklopedija (FU) autora TSB8.5. KAKO DJELUJE ČESTICA “NE”.
Autor Samsonova Elena8.5. KAKO RADI ČESTICA “NE” Poštovani kolega! Ako imate dijete, onda se možete sjetiti kako ste mu dok je bilo malo vikali: "Ne bježi!", "Nemoj pasti!" ili "Nemoj se prljati!" I odmah nakon vašeg plača, dijete je počelo još brže trčati, palo je ili se zaprljalo. Vas
8.6. KAKO RADI ČESTICA ALI
Iz knjige Ples prodavača, ili Nestandardni udžbenik o sustavnoj prodaji Autor Samsonova Elena8.6. KAKO FUNKCIONIRA ČESTICA “ALI” Jeste li znali da čestica “ali” potpuno “precrtava” ono što ste rekli prije nego što ste je upotrijebili? - Vi ste jako draga osoba, ali ... - U pravu ste, ali ... - Zanimljivo je to što kažete, ali... Kada razgovarate s klijentom ili kupcem,
Treća čestica
Iz knjige Atomski projekt. Povijest superoružja Autor Pervušin Anton IvanovičTreća čestica Kao što smo vidjeli, razdoblje od 1895. do 1919. bilo je gusto prepuno važnih otkrića na polju nuklearne fizike. No nakon 1919. razvoj ove znanosti kao da je stao. I to nije slučajnost. Podsjetimo se da su fizičari za proučavanje atoma koristili fenomen
Temeljna strategija
Iz knjige Porijeklo neurolingvističkog programiranja autor Grinder JohnFundamentalna strategija Frank i ja razmišljali smo kako se nositi s ovakvim trenucima. Razvili smo posebnu strategiju. Odlučili smo krenuti na tečaj minimiziranja takvih individualnih distorzija pozivajući u pomoć velik broj ljudi koji su fizički
Temeljna zloća
Iz knjige Globalni čovjek Autor Zinovjev Aleksandar AleksandrovičTemeljna podlost Sudbina se obračunala sa mnom na način da sam nehotice dotaknuo najosnovnije pojave našeg društvenog sustava i mogao ih promatrati bez ikakvih velova i iluzija koje ih skrivaju. Kako mi se tada činilo, vidio sam ono najviše
3. Temeljna napetost
Iz knjige Jedinstvo i različitost u Novom zavjetu An Inquiry into the Nature of Early Christianity autor Dunn James D.3. Temeljna napetost U samoj biti kršćanstva leži činjenica da ono dolazi iz judaizma 1. stoljeća. Isus je bio Židov. Svi prvi kršćani bili su Židovi. Kršćanstvo je počelo iz judaizma, iz mesijanske sekte unutar judaizma. Ono je percipiralo
TEMELJNA ISTINA
Iz knjige Vođen vječnošću autor dabar johnTEMELJNA ISTINA U našoj prispodobi Jalin je tip Isusa Krista, ali je li kralj Otac? to je Svemogući Bog Otac. Dagon predstavlja!vraga; život u Endelu? to je ljudski život na zemlji; Affabel predstavlja nebeski Božji grad. Napuštena zemlja Lon?
Ove tri čestice (kao i druge opisane u nastavku) međusobno se privlače i odbijaju u skladu s njihovim naknade, koje su samo četiri vrste prema broju temeljnih sila prirode. Naboji se mogu poredati prema padajućim odgovarajućim silama na sljedeći način: naboj boje (sile međudjelovanja između kvarkova); električni naboj (električne i magnetske sile); slab naboj (snaga u nekim radioaktivnim procesima); konačno, masa (gravitacijska sila, ili gravitacijska interakcija). Riječ "boja" ovdje nema nikakve veze s bojom vidljive svjetlosti; to je jednostavno karakteristika najjačeg naboja i najvećih sila.
Naknade ustrajati, tj. Naboj koji ulazi u sustav jednak je naboju koji iz njega izlazi. Ako je ukupni električni naboj određenog broja čestica prije njihove interakcije, recimo, 342 jedinice, tada će nakon interakcije, bez obzira na njezin rezultat, biti jednak 342 jedinice. To vrijedi i za ostale naboje: boju (naboj jake interakcije), slab i masu (masa). Čestice se razlikuju po svojim nabojima: u biti, one "jesu" ti naboji. Optužbe su, takoreći, "potvrda" o pravu na odgovor na odgovarajuću silu. Dakle, samo obojene čestice su pod utjecajem sila boja, samo električki nabijene čestice pod utjecajem električnih sila, i tako dalje. Svojstva čestice određena su najvećom silom koja na nju djeluje. Samo su kvarkovi nositelji svih naboja i stoga su podložni djelovanju svih sila, među kojima je boja dominantna. Elektroni imaju sve naboje osim boje, a dominantna sila za njih je elektromagnetska sila.
Najstabilnije u prirodi su u pravilu neutralne kombinacije čestica u kojima se naboj čestica jednog predznaka kompenzira ukupnim nabojem čestica drugog predznaka. To odgovara minimalnoj energiji cijelog sustava. (Slično tome, dva šipkasta magneta su u liniji, sa sjevernim polom jednog okrenutim prema južnom polu drugog, što odgovara minimalnoj energiji magnetskog polja.) Gravitacija je iznimka od ovog pravila: negativna masa ne postoji. Nema tijela koja bi pala gore.
VRSTE MATERIJE
Obična materija nastaje od elektrona i kvarkova, grupiranih u objekte neutralne boje, a potom i električnog naboja. Sila boje se neutralizira, o čemu će biti više riječi u nastavku, kada se čestice spoje u triplete. (Otuda i sam pojam "boja", preuzet iz optike: tri primarne boje, kada se pomiješaju, daju bijelu.) Dakle, kvarkovi, kod kojih je moć boje dominantna, tvore triplete. Ali kvarkovi, a oni se dijele na u-kvarkovi (od engleskog up - gornji) i d-kvarkovi (od engleskog down - niži), oni također imaju električni naboj jednak u-kvark i za d-kvark. Dva u-kvark i jedan d-kvark daju električni naboj +1 i tvore proton, te jedan u-kvark i dva d-kvarkovi daju nulti električni naboj i tvore neutron.
Stabilni protoni i neutroni, privučeni jedni drugima rezidualnim silama boje međudjelovanja između njihovih sastavnih kvarkova, tvore atomsku jezgru neutralnu po boji. Ali jezgre nose pozitivan električni naboj i, privlačeći negativne elektrone koji se okreću oko jezgre poput planeta koji se okreću oko Sunca, teže formiranju neutralnog atoma. Elektroni u svojim orbitama udaljeni su od jezgre na udaljenosti desetke tisuća puta veće od polumjera jezgre - dokaz da su električne sile koje ih drže mnogo slabije od nuklearnih. Zbog snage interakcije boja, 99,945% mase atoma zatvoreno je u njegovoj jezgri. Težina u- i d-kvarkovi su oko 600 puta veći od mase elektrona. Stoga su elektroni puno lakši i pokretljiviji od jezgri. Njihovo kretanje u materiji uzrokuje električne pojave.
Postoji nekoliko stotina prirodnih varijanti atoma (uključujući izotope) koji se razlikuju po broju neutrona i protona u jezgri i, sukladno tome, po broju elektrona u orbitama. Najjednostavniji je atom vodika, koji se sastoji od jezgre u obliku protona i jednog elektrona koji se okreće oko nje. Sva "vidljiva" materija u prirodi sastoji se od atoma i djelomično "rastavljenih" atoma koji se nazivaju ionima. Ioni su atomi koji su, izgubivši (ili dobivši) nekoliko elektrona, postali nabijene čestice. Materija, koja se sastoji gotovo od jednog iona, naziva se plazma. Zvijezde koje izgaraju zbog termonuklearnih reakcija koje se odvijaju u središtima sastoje se uglavnom od plazme, a budući da su zvijezde najčešći oblik materije u svemiru, može se reći da se cijeli svemir sastoji uglavnom od plazme. Točnije, zvijezde su pretežno potpuno ionizirani plinoviti vodik, tj. mješavina pojedinačnih protona i elektrona, pa se stoga gotovo cijeli vidljivi svemir sastoji od njega.
Ovo je vidljiva materija. Ali još uvijek postoji nevidljiva materija u Svemiru. A postoje i čestice koje djeluju kao nositelji sila. Postoje antičestice i pobuđena stanja nekih čestica. Sve to dovodi do očito pretjeranog obilja "elementarnih" čestica. U tom obilju može se pronaći naznaka prave, istinske prirode elementarnih čestica i sila koje među njima djeluju. Prema najnovijim teorijama, čestice u osnovi mogu biti prošireni geometrijski objekti - "nizovi" u desetodimenzionalnom prostoru.
Nevidljivi svijet.
U svemiru ne postoji samo vidljiva materija (već i crne rupe i "tamna tvar" kao što su hladni planeti koji postaju vidljivi kada se osvijetle). Postoji i doista nevidljiva materija koja svake sekunde prožima sve nas i cijeli Svemir. To je plin koji se brzo kreće od jedne vrste čestica - elektronskih neutrina.
Elektronski neutrino je partner elektrona, ali nema električni naboj. Neutrini nose samo tzv. slabi naboj. Njihova masa mirovanja je, po svoj prilici, nula. Ali oni su u interakciji s gravitacijskim poljem, jer imaju kinetičku energiju E, što odgovara efektivnoj masi m, prema Einsteinovoj formuli E = mc 2, gdje c je brzina svjetlosti.
Ključna uloga neutrina je da doprinosi transformaciji i-kvarkovi u d kvarkovi, što rezultira transformacijom protona u neutron. Neutrino igra ulogu "igle rasplinjača" za zvjezdane termonuklearne reakcije, u kojima se četiri protona (jezgre vodika) spajaju i tvore jezgru helija. Ali budući da se jezgra helija ne sastoji od četiri protona, već od dva protona i dva neutrona, za takvu nuklearnu fuziju potrebno je da dva i-kvarkovi pretvoreni u dva d-kvark. Intenzitet transformacije određuje koliko će brzo zvijezde gorjeti. A proces transformacije određen je slabim nabojima i silama slabe interakcije među česticama. pri čemu i-kvark (električni naboj +2/3, slabi naboj +1/2), u interakciji s elektronom (električni naboj - 1, slabi naboj -1/2), nastaje d-kvark (električni naboj -1/3, slabi naboj -1/2) i elektronski neutrino (električni naboj 0, slabi naboj +1/2). Naboji boja (ili jednostavno boje) dvaju kvarkova poništavaju se u ovom procesu bez neutrina. Uloga neutrina je da odnese nekompenzirani slabi naboj. Stoga brzina transformacije ovisi o tome koliko su slabe sile slabe. Da su slabiji nego što jesu, onda zvijezde uopće ne bi gorjele. Da su jači, zvijezde bi davno izgorjele.
Ali što je s neutrinima? Budući da te čestice izuzetno slabo djeluju na drugu materiju, gotovo odmah napuštaju zvijezde u kojima su rođene. Sve zvijezde sjaje emitirajući neutrine, a neutrini danju i noću sjaje kroz naša tijela i cijelu Zemlju. Tako oni lutaju Svemirom, dok ne uđu, možda, u novu interakciju ZVIJEZDE).
Nosači interakcije.
Što uzrokuje sile koje djeluju između čestica na udaljenosti? Moderna fizika odgovara: zbog izmjene drugih čestica. Zamislite dva klizača kako bacaju loptu. Dajući lopti zamah prilikom bacanja i primajući zamah primljenom loptom, oboje dobivaju potisak u smjeru jedan od drugog. Time se može objasniti pojava odbojnih sila. Ali u kvantnoj mehanici, koja razmatra pojave u mikrosvijetu, dopušteno je neobično rastezanje i delokalizacija događaja, što vodi, čini se, nemogućem: jedan od klizača baca loptu u smjeru iz drugi, ali ipak onaj može biti uhvati ovu loptu. Nije teško zamisliti da bi, kada bi to bilo moguće (a u svijetu elementarnih čestica je moguće), među klizačima postojala privlačnost.
Čestice, zbog čije izmjene nastaju sile međudjelovanja između četiri gore razmotrene "čestice materije", nazivaju se mjerne čestice. Svaka od četiri interakcije - jaka, elektromagnetska, slaba i gravitacijska - ima svoj vlastiti skup mjernih čestica. Čestice nositelji jake interakcije su gluoni (ima ih samo osam). Foton je nositelj elektromagnetske interakcije (on je jedan, a fotone doživljavamo kao svjetlost). Čestice-nositelji slabe interakcije su intermedijarni vektorski bozoni (otkriveni su 1983. i 1984. W + -, W- -bozoni i neutralni Z-bozon). Čestica-nositelj gravitacijske interakcije još uvijek je hipotetski graviton (mora biti jedan). Sve te čestice, osim fotona i gravitona, koji mogu prijeći beskonačno velike udaljenosti, postoje samo u procesu izmjene među materijalnim česticama. Fotoni ispunjavaju Svemir svjetlošću, a gravitoni - gravitacijskim valovima (koji još nisu sa sigurnošću otkriveni).
Kaže se da je čestica sposobna emitirati mjerne čestice okružena odgovarajućim poljem sile. Dakle, elektroni koji mogu emitirati fotone okruženi su električnim i magnetskim poljima, kao i slabim i gravitacijskim poljima. Kvarkovi su također okruženi svim tim poljima, ali i poljem jake interakcije. Na čestice s nabojem boje u polju sila boje djeluje sila boje. Isto vrijedi i za druge sile prirode. Stoga možemo reći da se svijet sastoji od materije (materijalne čestice) i polja (mjerne čestice). Više o tome u nastavku.
Antimaterija.
Svakoj čestici odgovara antičestica, s kojom se čestica može međusobno poništiti, tj. "anihilirati", uslijed čega dolazi do oslobađanja energije. "Čista" energija sama po sebi, međutim, ne postoji; kao rezultat anihilacije pojavljuju se nove čestice (na primjer, fotoni) koje odnose tu energiju.
Antičestica u većini slučajeva ima suprotna svojstva u odnosu na odgovarajuću česticu: ako se čestica pod djelovanjem jakog, slabog ili elektromagnetskog polja pomiče ulijevo, tada će se njena antičestica pomaknuti udesno. Ukratko, antičestica ima suprotne predznake svih naboja (osim masenog). Ako je čestica složena, poput, na primjer, neutrona, tada se njezina antičestica sastoji od komponenti suprotnog predznaka naboja. Dakle, antielektron ima električni naboj +1, slabi naboj +1/2 i naziva se pozitron. Antineutron se sastoji od i-antikvarkovi s električnim nabojem –2/3 i d-antikvarkovi s električnim nabojem +1/3. Istinski neutralne čestice su vlastite antičestice: fotonova antičestica je foton.
Prema suvremenim teorijskim konceptima, svaka čestica koja postoji u prirodi mora imati svoju antičesticu. A mnoge antičestice, uključujući pozitrone i antineutrone, doista su dobivene u laboratoriju. Posljedice toga iznimno su važne i temelj su cjelokupne eksperimentalne fizike elementarnih čestica. Prema teoriji relativnosti masa i energija su ekvivalentne, a pod određenim uvjetima energija se može pretvoriti u masu. Budući da je naboj očuvan, a naboj vakuuma (praznog prostora) jednak nuli, bilo koji par čestica i antičestica (s nultim neto nabojem) može izaći iz vakuuma, poput zečeva iz mađioničareva šešira, sve dok je energija dovoljna za stvaranje njihovih masa.
Generacije čestica.
Pokusi s akceleratorom pokazali su da se četverostrukost (kvartet) materijalnih čestica ponavlja najmanje dva puta pri većim vrijednostima mase. U drugoj generaciji mjesto elektrona zauzima mion (s masom oko 200 puta većom od mase elektrona, ali s istim vrijednostima svih ostalih naboja), mjesto elektrona neutrina je mion (koji prati mion u slabim interakcijama na isti način na koji elektron prati elektronski neutrino), mjesto i-kvark zauzima S-kvark ( očaran), a d-kvark- s-kvark ( čudno). U trećoj generaciji, kvartet se sastoji od tau leptona, tau neutrina, t-kvark i b-kvark.
Težina t- kvark ima oko 500 puta veću masu od najlakšeg - d-kvark. Eksperimentalno je utvrđeno da postoje samo tri vrste lakih neutrina. Dakle, četvrta generacija čestica ili uopće ne postoji, ili su odgovarajući neutrini vrlo teški. To je u skladu s kozmološkim podacima, prema kojima ne može postojati više od četiri tipa lakih neutrina.
U eksperimentima s česticama visoke energije, elektron, mion, tau-lepton i odgovarajući neutrini djeluju kao zasebne čestice. Oni ne nose naboj u boji i stupaju samo u slabe i elektromagnetske interakcije. Zajedno se zovu leptoni.
| Tablica 2. GENERACIJE FUNDAMENTALNIH ČESTICA | ||||
| Čestica | Masa mirovanja, MeV/ S 2 | Električno punjenje | naboj boje | Slabo punjenje |
| DRUGA GENERACIJA | ||||
| S-kvark | 1500 | +2/3 | Crvena, zelena ili plava | +1/2 |
| s-kvark | 500 | –1/3 | Isti | –1/2 |
| mionski neutrino | 0 | 0 | +1/2 | |
| mion | 106 | 0 | 0 | –1/2 |
| TREĆA GENERACIJA | ||||
| t-kvark | 30000–174000 | +2/3 | Crvena, zelena ili plava | +1/2 |
| b-kvark | 4700 | –1/3 | Isti | –1/2 |
| Tau neutrino | 0 | 0 | +1/2 | |
| Tau | 1777 | –1 | 0 | –1/2 |
Kvarkovi se, s druge strane, pod utjecajem sila boja spajaju u čestice u snažnoj interakciji koje dominiraju u većini eksperimenata u fizici visokih energija. Takve se čestice nazivaju hadroni. Oni uključuju dvije podklase: barioni(npr. proton i neutron), koji se sastoje od tri kvarka, i mezoni koji se sastoji od kvarka i antikvarka. Godine 1947. u kozmičkim zrakama otkriven je prvi mezon, nazvan pion (ili pi-mezon), a neko se vrijeme vjerovalo da je upravo izmjena tih čestica glavni uzrok nuklearnih sila. Omega-minus hadroni, otkriveni 1964. u Brookhaven National Laboratory (SAD), i j-psy čestica ( J/g-mezon), otkriven istovremeno u Brookhavenu iu Stanfordskom centru za linearne akceleratore (također u SAD-u) 1974. Postojanje omega-minus čestice predvidio je M. Gell-Mann u svom tzv. SU 3-teorija” (drugi naziv je “osmerostruki način”), u kojoj je prvi put sugerirana mogućnost postojanja kvarkova (i taj naziv im je i dan). Desetljeće kasnije, otkriće čestice J/g potvrdio postojanje S-kvark i konačno natjerao sve da povjeruju iu model kvarka i u teoriju koja kombinira elektromagnetske i slabe sile ( Pogledaj ispod).
Čestice druge i treće generacije nisu manje stvarne od onih prve. Istina, nakon što su se pojavili, raspadaju se u milijuntim ili milijarditim dijelovima sekunde u obične čestice prve generacije: elektron, elektronski neutrino, a također i- i d-kvarkovi. Pitanje zašto u prirodi postoji nekoliko generacija čestica još uvijek je misterij.
O različitim generacijama kvarkova i leptona često se govori (što je, naravno, pomalo ekscentrično) kao o različitim "okusima" čestica. Potreba za njihovim objašnjenjem naziva se problemom "okusa".
BOZONI I FERMIONI, POLJE I TVAR
Jedna od temeljnih razlika među česticama je razlika između bozona i fermiona. Sve se čestice dijele u ove dvije glavne klase. Like bozoni se mogu preklapati ili preklapati, ali like fermioni ne mogu. Superpozicija se događa (ili ne događa) u diskretnim energetskim stanjima na koja kvantna mehanika dijeli prirodu. Ova stanja su, takoreći, zasebne ćelije u koje se mogu smjestiti čestice. Dakle, u jednu ćeliju možete staviti bilo koji broj identičnih bozona, ali samo jedan fermion.
Kao primjer, razmotrite takve stanice ili "stanja" za elektron koji se okreće oko jezgre atoma. Za razliku od planeta Sunčevog sustava, prema zakonima kvantne mehanike, elektron ne može kružiti ni po jednoj eliptičnoj orbiti, za njega postoji samo diskretan broj dopuštenih "stanja gibanja". Skupovi takvih stanja, grupirani prema udaljenosti od elektrona do jezgre, nazivaju se orbitale. U prvoj orbitali postoje dva stanja s različitim kutnim momentima i, prema tome, dvije dopuštene ćelije, au višim orbitalama osam ili više ćelija.
Budući da je elektron fermion, svaka stanica može sadržavati samo jedan elektron. Iz toga proizlaze vrlo važne konzekvencije – cijela kemija budući da su kemijska svojstva tvari određena međudjelovanjima između odgovarajućih atoma. Ako idete kroz periodni sustav elemenata od jednog atoma do drugog redoslijedom povećanja broja protona u jezgri za jedinicu (broj elektrona će također rasti u skladu s tim), tada će prva dva elektrona zauzeti prvu orbitalu, sljedećih osam će se nalaziti u drugom itd. Ova uzastopna promjena elektronske strukture atoma od elementa do elementa određuje pravilnosti njihovih kemijskih svojstava.
Kad bi elektroni bili bozoni, tada bi svi elektroni atoma mogli zauzimati istu orbitalu koja odgovara minimalnoj energiji. U tom bi slučaju svojstva sve materije u Svemiru bila potpuno drugačija, au obliku u kakvom ga poznajemo, Svemir bi bio nemoguć.
Svi leptoni - elektron, mion, tau-lepton i njihov odgovarajući neutrino - su fermioni. Isto se može reći i za kvarkove. Dakle, sve čestice koje tvore "materiju", glavno punilo Svemira, kao i nevidljivi neutrini, jesu fermioni. Ovo je vrlo značajno: fermioni se ne mogu kombinirati, pa isto vrijedi i za objekte u materijalnom svijetu.
U isto vrijeme, sve "mjerne čestice" koje se izmjenjuju između međudjelovajućih materijalnih čestica i koje stvaraju polje sila ( vidi gore), su bozoni, što je također vrlo važno. Tako, na primjer, mnogi fotoni mogu biti u istom stanju, tvoreći magnetsko polje oko magneta ili električno polje oko električnog naboja. Zahvaljujući tome moguć je i laser.
Spin.
Razlika između bozona i fermiona povezana je s još jednom karakteristikom elementarnih čestica - leđa. Koliko god se činilo iznenađujuće, ali sve osnovne čestice imaju svoj kutni moment ili, drugim riječima, rotiraju se oko vlastite osi. Kutni moment je karakteristika rotacijskog gibanja, kao što je ukupni moment translatornog gibanja. U svakoj interakciji, kutni moment i količina gibanja su očuvani.
U mikrokozmosu je kutna količina gibanja kvantizirana, tj. uzima diskretne vrijednosti. U odgovarajućim jedinicama, leptoni i kvarkovi imaju spin 1/2, a kalibrirane čestice imaju spin 1 (osim gravitona, koji još nije promatran eksperimentalno, ali bi teoretski trebao imati spin 2). Budući da su leptoni i kvarkovi fermioni, a mjerne čestice bozoni, može se pretpostaviti da je "fermioničnost" povezana sa spinom 1/2, a "bozoničnost" sa spinom 1 (ili 2). Dapače, i eksperiment i teorija potvrđuju da ako čestica ima polucijeli spin, onda je ona fermion, a ako ima cijeli broj, onda je bozon.
TEORIJE MJERA I GEOMETRIJA
U svim slučajevima sile nastaju zbog izmjene bozona između fermiona. Dakle, boja sila interakcije između dva kvarka (kvarkovi - fermioni) nastaje zbog izmjene gluona. Takva se izmjena stalno odvija u protonima, neutronima i atomskim jezgrama. Na isti način, fotoni razmijenjeni između elektrona i kvarkova stvaraju električne privlačne sile koje drže elektrone u atomu, a intermedijarni vektorski bozoni razmijenjeni između leptona i kvarkova stvaraju slabe interakcijske sile odgovorne za pretvorbu protona u neutrone u reakcijama fuzije u zvijezdama.
Teorija takve razmjene je elegantna, jednostavna i vjerojatno točna. To se zove mjerna teorija. Ali trenutno postoje samo neovisne kalibracijske teorije jakih, slabih i elektromagnetskih međudjelovanja i mjerna teorija gravitacije slične njima, iako na neki način različite. Jedan od najvažnijih fizikalnih problema je redukcija ovih odvojenih teorija u jedinstvenu i ujedno jednostavnu teoriju, u kojoj bi sve one postale različiti aspekti jedne stvarnosti - poput aspekata kristala.
| Tablica 3. NEKI HADRONI | ||||
| Čestica | Simbol | Sastav kvarkova * | masa mirovanja, MeV/ S 2 | Električno punjenje |
| BARIONI | ||||
| Proton | str | uud | 938 | +1 |
| Neutron | n | udd | 940 | 0 |
| Omega minus | W- | sss | 1672 | –1 |
| MEZONI | ||||
| Pi plus | str + | u | 140 | +1 |
| Pi-minus | str – | du | 140 | –1 |
| fi | f | sê | 1020 | 0 |
| JPS | J/g | cŭ | 3100 | 0 |
| Upsilon | Ў | b | 9460 | 0 |
| * Sastav kvarka: u- Gornji; d- niži; s- čudno; c- očaran b- lijep. Crta iznad slova označava antikvarke. | ||||
Najjednostavnija i najstarija baždarna teorija je baždarna teorija elektromagnetske interakcije. U njemu se naboj elektrona uspoređuje (kalibrira) s nabojem drugog od njega udaljenog elektrona. Kako se naknade mogu usporediti? Možete, na primjer, drugi elektron približiti prvom i usporediti njihove međudjelovanje. Ali ne mijenja li se naboj elektrona kada se pomakne na drugu točku u prostoru? Jedini način provjere je poslati signal od bližeg elektrona daljem i vidjeti kako on reagira. Signal je mjerna čestica - foton. Da bi se mogao provjeriti naboj na udaljenim česticama, potreban je foton.
Matematički gledano, ova se teorija odlikuje iznimnom preciznošću i ljepotom. Iz gore opisanog "načela baždarnosti" slijedi sva kvantna elektrodinamika (kvantna teorija elektromagnetizma), kao i Maxwellova teorija elektromagnetskog polja, jedno od najvećih znanstvenih dostignuća 19. stoljeća.
Zašto je tako jednostavan princip tako plodonosan? Očigledno izražava određenu korelaciju različitih dijelova svemira, omogućujući mjerenja u svemiru. U matematičkim terminima, polje se tumači geometrijski kao zakrivljenost nekog zamislivog "unutarnjeg" prostora. Mjerenje naboja je mjerenje ukupne "unutarnje zakrivljenosti" oko čestice. Baždarne teorije jakih i slabih međudjelovanja razlikuju se od elektromagnetske baždarne teorije samo u unutarnjoj geometrijskoj "strukturi" odgovarajućeg naboja. Na pitanje gdje se točno nalazi taj unutarnji prostor odgovaraju višedimenzionalne teorije jedinstvenog polja, koje ovdje nisu razmatrane.
| Tablica 4. TEMELJNE INTERAKCIJE | |||||
| Interakcija | Relativni intenzitet na udaljenosti 10–13 cm | Radijus djelovanja | Prijenosnik interakcije | Masa mirovanja nosača, MeV/ S 2 | Carrier spin |
| snažna | 1 | Gluon | 0 | 1 | |
| Elektro- magnetski |
0,01 | Ґ | Foton | 0 | 1 |
| Slab | 10 –13 | W + | 80400 | 1 | |
| W – | 80400 | 1 | |||
| Z 0 | 91190 | 1 | |||
| Gravitacija- racionalan |
10 –38 | Ґ | graviton | 0 | 2 |
Fizika elementarnih čestica još nije dovršena. Još uvijek nije jasno jesu li dostupni podaci dovoljni za potpuno razumijevanje prirode čestica i sila, kao i prave prirode i dimenzija prostora i vremena. Trebaju li nam za to eksperimenti s energijama od 10 15 GeV ili će napor misli biti dovoljan? Odgovora još nema. Ali sa sigurnošću možemo reći da će konačna slika biti jednostavna, elegantna i lijepa. Moguće je da neće biti toliko temeljnih ideja: načelo kalibra, prostori viših dimenzija, kolaps i širenje i, iznad svega, geometrija.
Predstavljeno na sl.1 temeljni fermioni, sa spinom ½, su "prve cigle" materije. Zastupljeni su leptoni(elektroni e, neutrino itd.) - čestice koje ne sudjeluju u snažna nuklearne interakcije i kvarkovi, koji su uključeni u jake interakcije. Nuklearne čestice sastoje se od kvarkova hadroni(protoni, neutroni i mezoni). Svaka od ovih čestica ima svoju antičesticu, koja se mora smjestiti u istu ćeliju. Oznaka antičestice razlikuje se znakom tilde (~).
Od šest varijanti kvarkova, ili šest mirisi električni naboj 2/3 (u jedinicama elementarnog naboja e) posjeduju gornji ( u), očaran ( c) i istina ( t) kvarkovi, a s nabojem –1/3 – niži ( d), čudno ( s) i lijep ( b) kvarkovi. Antikvarkovi s istim okusima imat će električni naboj od -2/3 odnosno 1/3.
| temeljne čestice | |||||||||||||||||||
| Fundamentalni fermioni (polucijeli spin) | Fundamentalni bozoni (cjelobrojni spin) | ||||||||||||||||||
| Leptoni | Kvarkovi | ||||||||||||||||||
| n e | n m | n t | u | c | t | 2/3 | snažna | El.-magnet | Slab | gravitacijski | |||||||||
| e | m | t | –1 | d | s | b | –1/3 | 8 g J = 1 m = 0 | g J = 1 m = 0 | W ± ,Z 0 J = 1 m@100 | G J = 2 m = 0 | ||||||||
| ja | II | III | ja | II | III | ||||||||||||||
| Elektroslaba interakcija | |||||||||||||||||||
| veliko ujedinjenje | |||||||||||||||||||
| superujedinjenje | |||||||||||||||||||
U kvantnoj kromodinamici (teoriji jake interakcije) kvarkovima i antikvarkovima pripisuju se tri vrste jakih interakcijskih naboja: crveni R(protiv crvenog); zelena G(protiv zelenila); plava B(anti plavo). Boja (jaka) interakcija veže kvarkove u hadronima. Potonji se dijele na barioni, koji se sastoji od tri kvarka, i mezoni koji se sastoji od dva kvarka. Na primjer, protoni i neutroni povezani s barionima imaju sljedeći sastav kvarkova:
str = (uud) i , n = (ddu) i .
Kao primjer predstavljamo sastav tripleta pi-mezona:
, , 
Iz ovih je formula lako vidjeti da je naboj protona +1, dok je naboj antiprotona -1. Neutron i antineutron imaju nula naboja. Spinovi kvarkova u tim česticama se zbrajaju tako da su njihovi ukupni spinovi jednaki ½. Moguće su i takve kombinacije istih kvarkova u kojima su ukupni spinovi jednaki 3/2. Takve elementarne čestice (D ++ , D + , D 0 , D –) su otkrivene i pripadaju rezonancijama, t.j. kratkotrajni hadroni.
Poznati proces radioaktivnog b-raspada koji je prikazan shemom
n ® str + e + ,
sa stajališta teorije kvarkova izgleda
(udd) ® ( uud) + e+ ili d ® u + e + .
Unatoč opetovanim pokušajima detektiranja slobodnih kvarkova u eksperimentima, to nije bilo moguće. To sugerira da se kvarkovi, očito, pojavljuju samo u sastavu složenijih čestica ( hvatanje kvarkova). Potpuno objašnjenje ovog fenomena još nije dano.
Slika 1 pokazuje da postoji simetrija između leptona i kvarkova, koja se naziva kvark-leptonska simetrija. Čestice u gornjem redu imaju jedan naboj više od čestica u donjem redu. Čestice prvog stupca pripadaju prvoj generaciji, drugog - drugoj generaciji, a trećeg stupca - trećoj generaciji. Ispravni kvarkovi c, b i t bili su predviđeni na temelju ove simetrije. Tvar koja nas okružuje sastoji se od čestica prve generacije. Koja je uloga čestica druge i treće generacije? Na ovo pitanje još nema definitivnog odgovora.
Sve do relativno nedavno nekoliko stotina čestica i antičestica smatralo se elementarnim. Detaljnim proučavanjem njihovih svojstava i interakcija s drugim česticama te razvojem teorije pokazalo se da većina njih zapravo i nije elementarna, jer se same sastoje od najjednostavnijih ili, kako se sada kaže, fundamentalnih čestica. Same fundamentalne čestice više se ne sastoje ni od čega. Brojni eksperimenti su pokazali da se sve fundamentalne čestice ponašaju kao bezdimenzionalni točkasti objekti koji nemaju unutarnju strukturu, barem do najmanjih udaljenosti koje se sada proučavaju ~10 -16 cm.
Uvod
Među bezbrojnim i raznolikim procesima međudjelovanja među česticama četiri su temeljna međudjelovanja: jaka (nuklearna), elektromagnetska i gravitacijska. U svijetu čestica gravitacijska interakcija je vrlo slaba, njena uloga je još uvijek nejasna, te o njoj nećemo dalje govoriti.
U prirodi postoje dvije skupine čestica: hadroni koji sudjeluju u svim temeljnim međudjelovanjima i leptoni koji ne sudjeluju samo u jakom međudjelovanju.
Prema suvremenim konceptima, interakcije među česticama odvijaju se emisijom i naknadnom apsorpcijom kvanta odgovarajućeg polja (jakog, slabog, elektromagnetskog) koje okružuje česticu. Takvi kvanti su mjerni bozoni, koji su također fundamentalne čestice. Bozoni imaju vlastiti kutni moment, koji se naziva spin, jednak cjelobrojnoj vrijednosti Planckove konstante $h = 1,05 \cdot 10^(-27) erg \cdot c$. Kvanti polja i prema tome nositelji jake interakcije su gluoni, označeni simbolom g, kvanti elektromagnetskog polja su dobro poznati kvanti svjetlosti - fotoni, označeni sa $\gamma $, a kvanti slabog polja i prema tome nositelji slabih interakcija su W± (dvostruko ve) - i Z 0 (zet zero)-bozoni.
Za razliku od bozona, sve ostale fundamentalne čestice su fermioni, odnosno čestice koje imaju polucijeli spin jednak h/2.
U tablici. 1 prikazuje simbole fundamentalnih fermiona - leptona i kvarkova.
Svaka čestica navedena u tablici. 1 odgovara antičestici, koja se od čestice razlikuje samo po predznacima električnog naboja i drugim kvantnim brojevima (vidi tablicu 2) te po smjeru spina u odnosu na smjer količine gibanja čestice. Antičestice ćemo označavati istim simbolima kao i čestice, ali s valovitom crtom iznad simbola.
Čestice u tablici. 1 označavaju se grčkim i latiničnim slovima, i to: slovo $\nu$ - tri različita neutrina, slova e - elektron, $\mu$ - mion, $\tau$ - taon, slova u, c, t, d, s , b označava kvarkove; njihovi nazivi i karakteristike dati su u tablici. 2.
Čestice u tablici. 1 grupirani su u tri generacije I, II i III prema strukturi moderne teorije. Naš Svemir izgrađen je od čestica prve generacije - leptona i kvarkova te kalibracijskih bozona, no, kako pokazuje suvremena znanost o razvoju Svemira, u početnoj fazi njegova razvoja važnu su ulogu imale čestice sve tri generacije.
| Leptoni | Kvarkovi | ||||||||||||
|
|
Leptoni
Razmotrimo najprije detaljnije svojstva leptona. U gornjem retku tablice 1 sadrži tri različita neutrina: elektronski $\nu_e$, mionski $\nu_m$ i tau neutrino $\nu_t$. Njihova masa još nije točno izmjerena, ali je njezina gornja granica određena, na primjer, za ne jednako 10 -5 mase elektrona (tj. $\leq 10^(-32)$ g).
Gledajući Table. 1 nehotice postavlja pitanje zašto je prirodi bilo potrebno stvaranje tri različita neutrina. Na ovo pitanje još nema odgovora, jer nije stvorena tako sveobuhvatna teorija fundamentalnih čestica, koja bi ukazala na nužnost i dostatnost svih takvih čestica i opisala njihova glavna svojstva. Možda će se ovaj problem riješiti u 21. stoljeću (ili kasnije).
Donja linija tablice. 1 počinje česticom koju smo najviše proučavali - elektronom. Elektron je krajem prošlog stoljeća otkrio engleski fizičar J. Thomson. Uloga elektrona u našem svijetu je ogromna. One su one negativno nabijene čestice koje zajedno s atomskim jezgrama tvore sve atome nama poznatih elemenata periodnog sustava elemenata. U svakom atomu broj elektrona točno je jednak broju protona u atomskoj jezgri, što atom čini električki neutralnim.
Elektron je stabilan, glavna mogućnost uništenja elektrona je njegova smrt u sudaru s antičesticom - pozitron e + . Taj se proces naziva anihilacija:
$$e^- + e^+ \to \gamma + \gamma .$$
Kao rezultat anihilacije nastaju dva gama kvanta (tzv. visokoenergetski fotoni), koji odnose i preostale energije mirovanja e + i e - i svoje kinetičke energije. Pri visokim energijama e + i e - nastaju hadroni i parovi kvarkova (vidi npr. (5) i sl. 4).
Reakcija (1) jasno ilustrira valjanost poznate formule A. Einsteina o ekvivalentnosti mase i energije: E = mc 2 .
Doista, tijekom anihilacije pozitrona zaustavljenog u materiji i elektrona u mirovanju, cjelokupna masa njihovog mirovanja (jednaka 1,22 MeV) prelazi u energiju $\gamma$-kvanta koji nemaju masu mirovanja.
U drugoj generaciji donjeg reda tablice. 1 nalazi se > mion - čestica, koja je po svim svojim svojstvima analogna elektronu, ali s anomalno velikom masom. Masa miona je 207 puta veća od mase elektrona. Za razliku od elektrona, mion je nestabilan. Vrijeme njegova života t= 2,2 · 10 -6 s. Mion se uglavnom raspada na elektron i dva neutrina prema shemi
$$\mu^- \to e^- + \tilda \nu_e +\nu_(\mu)$$
Još teži analog elektrona je $\tau$-lepton (taon). Njegova masa je više od 3 tisuće puta veća od mase elektrona ($m_(\tau) = 1777$ MeV/c 2), odnosno taon je teži od protona i neutrona. Njegov životni vijek je 2,9 10 -13 s, a od više od stotinu različitih shema (kanala) njegovog raspada moguće su sljedeće:
$$\tau^-\left\langle\begin(matrix) \to e^- + \tilde \nu_e +\nu_(\tau)\\ \to \mu^- + \tilde \nu_\mu +\nu_ (\tau)\end(matrica)\desno.$$
Kad smo već kod leptona, zanimljivo je usporediti slabe i elektromagnetske sile na nekoj određenoj udaljenosti, npr. R\u003d 10 -13 cm. Na takvoj su udaljenosti elektromagnetske sile gotovo 10 milijardi puta veće od slabih sila. Ali to uopće ne znači da je uloga slabih sila u prirodi mala. Daleko od toga.
Upravo su slabe sile odgovorne za mnoge međusobne transformacije raznih čestica u druge čestice, kao npr. u reakcijama (2), (3), a takve međusobne transformacije jedno su od najkarakterističnijih obilježja fizike čestica. Za razliku od reakcija (2), (3), u reakciji (1) djeluju elektromagnetske sile.
Govoreći o leptonima, treba dodati da moderna teorija opisuje elektromagnetske i slabe interakcije uz pomoć jedinstvene elektroslabe teorije. Razvili su ga S. Weinberg, A. Salam i S. Glashow 1967. godine.
Kvarkovi
Sama ideja o kvarkovima nastala je kao rezultat briljantnog pokušaja klasificiranja velikog broja čestica uključenih u jake interakcije i nazvanih hadroni. M. Gell-Man i G. Zweig sugerirali su da se svi hadroni sastoje od odgovarajućeg skupa fundamentalnih čestica - kvarkova, njihovih antikvarkova i nositelja jake interakcije - gluona.
Ukupan broj hadrona koji se trenutno promatra je preko stotinu čestica (i isto toliko antičestica). Mnogi deseci čestica još nisu registrirani. Svi hadroni se dalje dijele na teške čestice tzv barioni, i imenovani prosjeci mezoni.
Barioni su karakterizirani barionskim brojem b= 1 za čestice i b = -1 za antibarione. Njihovo rođenje i uništenje uvijek se odvija u paru: barion i antibarion. Mezoni imaju barionski naboj b = 0. Prema ideji Gell-Mann-a i Zweiga, svi barioni se sastoje od tri kvarka, antibarioni - od tri antikvarka. Stoga je svakom kvarku dodijeljen barionski broj od 1/3, tako da bi ukupni barion imao b= 1 (ili -1 za antibarion koji se sastoji od tri antikvarka). Mezoni imaju barionski broj b= 0, tako da mogu biti sastavljene od bilo koje kombinacije parova bilo kojeg kvarka i bilo kojeg antikvarka. Osim kvantnih brojeva koji su isti za sve kvarkove - spin i barionski broj, postoje i druge njihove važne karakteristike, poput veličine njihove mase mirovanja m, veličina električnog naboja Q/e(u frakcijama naboja elektrona e\u003d 1,6 · 10 -19 coulomb) i određeni skup kvantnih brojeva koji karakteriziraju tzv. okus kvarka. To uključuje:
1) vrijednost izotopskog spina ja i veličina njegove treće projekcije tj ja 3 . Tako, u-kvark i d-kvarkovi tvore izotopski dublet, pripisuje im se puni izotopski spin ja= 1/2 s projekcijama ja 3 = +1/2 odgovarajuće u-kvark, i ja 3 = -1/2 odgovarajuće d-kvark. Obje komponente dubleta imaju bliske vrijednosti mase i identične su u svim ostalim svojstvima, osim električnog naboja;
2) kvantni broj S- neobičnost karakterizira čudno ponašanje nekih čestica koje imaju anomalno dug životni vijek (~10 -8 - 10 -13 s) u usporedbi s karakterističnim nuklearnim vremenom (~10 -23 s). Same čestice su nazvane čudnim, jer sadrže jedan ili više čudnih kvarkova i čudnih antikvarkova. Stvaranje ili nestanak čudnih čestica zbog jakih interakcija događa se u parovima, odnosno u svakoj nuklearnoj reakciji zbroj $\Sigma$S prije reakcije mora biti jednak $\Sigma$S nakon reakcije. Međutim, u slabim interakcijama zakon očuvanja neobičnosti ne vrijedi.
U pokusima na akceleratorima uočene su čestice koje se ne mogu opisati pomoću u-, d- i s-kvarkovi. Po analogiji s neobičnošću, bilo je potrebno uvesti još tri nova kvarka s novim kvantnim brojevima IZ = +1, NA= -1 i T= +1. Čestice sastavljene od ovih kvarkova imaju puno veću masu (> 2 GeV/c2). Imaju širok izbor shema raspada sa životnim vijekom od ~10 -13 s. Sažetak karakteristika svih kvarkova dan je u tablici. 2.
Svaki kvark u tablici. 2 odgovara svom antikvarku. Za antikvarke, svi kvantni brojevi imaju predznak suprotan od onoga naznačenog za kvark. O veličini mase kvarkova mora se reći sljedeće. Dano u tablici. 2 vrijednosti odgovaraju masama golih kvarkova, odnosno samih kvarkova bez uzimanja u obzir gluona koji ih okružuju. Masa odjevenih kvarkova zbog energije koju nose gluoni je veća. To je posebno vidljivo kod najlakših u- i d-kvarkovi, čiji gluonski omotač ima energiju od oko 300 MeV.
Kvarkovi koji određuju osnovna fizikalna svojstva čestica nazivaju se valentni kvarkovi. Osim valentnih kvarkova, hadroni sadrže virtualne parove čestica – kvarkove i antikvarkove, koje gluoni vrlo kratko vrijeme emitiraju i apsorbiraju.
(gdje E je energija virtualnog para), što se događa uz kršenje zakona održanja energije u skladu s Heisenbergovom relacijom nesigurnosti. Virtualni parovi kvarkova nazivaju se morski kvarkovi ili morski kvarkovi. Dakle, struktura hadrona uključuje valentne i morske kvarkove i gluone.
Glavna značajka svih kvarkova je da su vlasnici odgovarajućih jakih naboja. Jaki naboji polja imaju tri jednake varijante (umjesto jednog električnog naboja u teoriji električnih sila). U povijesnoj se terminologiji ove tri vrste naboja nazivaju bojama kvarkova, i to: uvjetno crvena, zelena i plava. Dakle, svaki kvark u tablici. 1 i 2 mogu biti u tri oblika i obojena je čestica. Miješanjem sve tri boje, kao što se to događa u optici, dobiva se bijela boja, odnosno izbjeljuje česticu. Svi promatrani hadroni su bezbojni.
| Kvarkovi | u(gore) | d(dolje) | s(čudno) | c(šarm) | b(dno) | t(vrh) |
| Masa m0 | (1,5-5) MeV/s 2 | (3-9) MeV/s 2 | (60-170) MeV/s 2 | (1,1-4,4) GeV/c 2 | (4,1-4,4) GeV/c 2 | 174 GeV/s 2 |
| Isospin ja | +1/2 | +1/2 | 0 | 0 | 0 | 0 |
| Projekcija ja 3 | +1/2 | -1/2 | 0 | 0 | 0 | 0 |
| Električno punjenje Q/e | +2/3 | -1/3 | -1/3 | +2/3 | -1/3 | +2/3 |
| čudnovatost S | 0 | 0 | -1 | 0 | 0 | 0 |
| Šarm C | 0 | 0 | 0 | +1 | 0 | 0 |
| Dno B | 0 | 0 | 0 | 0 | -1 | 0 |
| vrh T | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | +1 |
Interakcije kvarkova provodi osam različitih gluona. Pojam "gluon" u prijevodu s engleskog znači ljepilo, odnosno ti kvanti polja su čestice koje, takoreći, lijepe kvarkove. Kao i kvarkovi, gluoni su obojene čestice, ali budući da svaki gluon mijenja boje dvaju kvarkova odjednom (kvarka koji emitira gluon i kvarka koji je apsorbirao gluon), gluon je obojen dva puta, noseći boju i antiboju, obično različita od boje.
Masa mirovanja gluona, kao i mase fotona, jednaka je nuli. Osim toga, gluoni su električki neutralni i nemaju slab naboj.
Hadroni se također obično dijele na stabilne čestice i rezonancije: barion i mezon. 
Rezonancije karakterizira izuzetno kratak životni vijek (~10 -20 -10 -24 s), budući da je njihovo slabljenje posljedica jake interakcije.
Desetke takvih čestica otkrio je američki fizičar L.V. Alvarez. Budući da je put takvih čestica do raspada toliko kratak da se ne mogu promatrati u detektorima koji registriraju tragove čestica (kao što je komora s mjehurićima itd.), sve su detektirane neizravno, prisutnošću vrhova u ovisnosti vjerojatnost međusobne interakcije raznih čestica na energiju. Slika 1 objašnjava ono što je rečeno. Na slici je prikazana ovisnost presjeka interakcije (proporcionalna vrijednosti vjerojatnosti) pozitivnog piona $\pi^+$ s protonom str od kinetičke energije piona. Pri energiji od oko 200 MeV vidi se vrh u toku poprečnog presjeka. Njegova širina je $\Gamma = 110$ MeV, a ukupna masa čestice $\Delta^(++)$ jednaka je $T^(")_(max)+M_p c^2+M_\pi c^2 =1232$ MeV /s 2 , gdje je $T^(")_(max)$ kinetička energija sudara čestica u sustavu njihovog središta mase. Većina rezonancija može se smatrati pobuđenim stanjem stabilnih čestica, budući da imaju isti sastav kvarkova kao i njihovi stabilni parnjaci, iako je masa rezonancija veća zbog energije pobude.
Kvarkov model hadrona
Počet ćemo opisivati kvarkovski model hadrona crtanjem linija polja koje izlaze iz izvora - kvarka s nabojem u boji i završavaju na antikvarku (Sl. 2, b). Za usporedbu, na Sl. 2, i pokazujemo da se u slučaju elektromagnetske interakcije linije sile odvajaju od svog izvora - električnog naboja poput lepeze, jer virtualni fotoni koje istovremeno emitira izvor ne djeluju jedni na druge. Rezultat je Coulombov zakon.
Za razliku od ove slike, sami gluoni imaju naboje u boji i snažno djeluju jedni na druge. Kao rezultat, umjesto lepeze linija sile, imamo snop, prikazan na Sl. 2, b. Uže je rastegnuto između kvarka i antikvarka, ali ono što najviše iznenađuje je da sami gluoni, s obojenim nabojima, postaju izvori novih gluona, čiji se broj povećava kako se udaljavaju od kvarka. 
Takav obrazac interakcije odgovara ovisnosti potencijalne energije interakcije između kvarkova o udaljenosti između njih, prikazanoj na sl. 3. Naime: do daljine R> 10 -13 cm, ovisnost U(R) ima ljevkasti karakter, a jakost naboja boje u tom rasponu udaljenosti je relativno mala, tako da kvarkovi na R> 10 -15 cm u prvoj aproksimaciji možemo smatrati slobodnim česticama koje ne djeluju međusobno. Ova pojava ima poseban naziv asimptotička sloboda kvarkova u malom R. Međutim, kada R više od neke kritične vrijednosti $R_(cr) \približno 10^(-13)$ cm U(R) postaje izravno proporcionalna vrijednosti R. Iz ovoga izravno slijedi da sila F = -dU/dR= const, odnosno ne ovisi o udaljenosti. Nijedna druga interakcija koju su fizičari dosad proučavali nije imala takvo neobično svojstvo.
Izračuni pokazuju da sile koje djeluju između kvarka i antikvarka, doista, počevši od $R_(cr) \približno 10_(-13)$ cm, prestaju ovisiti o udaljenosti, ostajući na razini ogromne vrijednosti blizu 20 tona.Na daljinu R~ 10 -12 cm (jednako polumjeru prosječne atomske jezgre) sile boje su više od 100 tisuća puta veće od elektromagnetskih sila. Usporedimo li silu boje s nuklearnim silama između protona i neutrona unutar atomske jezgre, ispada da je sila boje tisućama puta veća! Tako se pred fizičarima otvorila nova grandiozna slika obojenih sila u prirodi, mnogo redova veličine većih od trenutno poznatih nuklearnih sila. Naravno, odmah se postavlja pitanje mogu li se takve sile natjerati da rade kao izvor energije. Nažalost, odgovor na ovo pitanje je ne.
Naravno, postavlja se još jedno pitanje: na koje udaljenosti R između kvarkova, potencijalna energija raste linearno s porastom R? 
Odgovor je jednostavan: na velikim udaljenostima snop linija polja se lomi, budući da je energetski isplativije formirati prekid rađanjem para čestica kvark-antikvark. To se događa kada je potencijalna energija pri lomu veća od mase mirovanja kvarka i antikvarka. Proces kidanja snopa linija sila gluonskog polja prikazan je na sl. 2, u.
Takve kvalitativne ideje o rađanju kvark-antikvarka omogućuju razumijevanje zašto se pojedinačni kvarkovi uopće ne promatraju i ne mogu se promatrati u prirodi. Kvarkovi su zauvijek zarobljeni unutar hadrona. Ova pojava neizbacivanja kvarkova naziva se zatvorenost. Pri visokim energijama može biti povoljnije da se snop odjednom prekine na mnogo mjesta, formirajući skup $q \tilde q$-parova. Na taj smo način pristupili problemu višeporođaja. parovi kvark-antikvark i stvaranje tvrdih kvarkovih mlaznica.
Razmotrimo najprije strukturu lakih hadrona, odnosno mezona. Sastoje se, kao što smo već rekli, od jednog kvarka i jednog antikvarka.
Iznimno je važno da oba partnera u paru imaju isti naboj u boji i isti anti-naboj (na primjer, plavi kvark i anti-plavi antikvark), tako da njihov par, bez obzira na okuse kvarkova, nema boju (i promatramo samo bezbojne čestice).
Svi kvarkovi i antikvarkovi imaju spin (u frakcijama h) jednako 1/2. Stoga je ukupni spin kombinacije kvarka i antikvarka ili 0 kada su spinovi antiparalelni ili 1 kada su spinovi međusobno paralelni. Ali spin čestice može biti veći od 1 ako sami kvarkovi rotiraju duž nekih orbita unutar čestice.
U tablici. Slika 3 prikazuje neke uparene i složenije kombinacije kvarkova s naznakom kojim ranije poznatim hadronima ta kombinacija kvarkova odgovara.
| Kvarkovi | Mezoni | Kvarkovi | barioni | |||
| J=0 | J=1 | J=1/2 | J=3/2 | |||
| čestice | rezonancije | čestice | rezonancije | |||
| $\pi^+$ |
$\rho^+$ |
uuu | $\Delta^(++)$ |
|||
| $\tilda u d$ | $\pi^-$ |
$\rho^-$ |
uud | str |
$\Delta^+$ |
|
| $u \tilda u - d \tilda d$ | $\pi^0$ |
$\rho^0$ |
udd | n (neutron) |
\Delta^0 (delta0) |
|
| $u \tilda u + d \tilda d$ | $\eta$ |
$\omega$ |
ddd | $\Delta^-$ |
||
| $d \tilda s$ | $k^0$ |
$k^0*$ |
uus | $\Sigma^+$ |
$\Sigma^+*$ |
|
| $u \tilda s$ | $k^+$ |
$k^+*$ |
uds | $\Lambda^0$ |
$\Sigma^0*$ |
|
| $\tilda u s$ | $k^-$ |
$k^-*$ |
dds | $\Sigma^-$ |
$\Sigma^-*$ |
|
| $c \tilda d$ | $D^+$ |
$D^+*$ |
uss | $\Xi^0$ |
$\Xi^0*$ |
|
| $c \tilda s$ | $D^+_s$ |
$D^+_s*$ |
dss | $\Xi^-$ |
$\Xi^-*$ |
|
| $c \tilda c$ | Charmonium | $J/\psi$ |
sss | $\Omega^-$ |
||
| $b \tilda b$ | Botonij | Upsilon | udc | $\Lambda^+_c$ (lambda-ce+) |
||
| $c \tilda u$ | $D^0$ |
$D^0*$ |
uuc | $\Sigma^(++)_c$ |
||
| $b \tilda u$ | $B^-$ |
$B*$ |
udb | $\Lambda_b$ |
||
Od trenutno najbolje proučenih mezona i mezonskih rezonancija, najveću skupinu čine lake nearomatske čestice, čiji kvantni brojevi S = C = B= 0. U ovu skupinu spada oko 40 čestica. Tablica 3 počinje pionima $\pi$ ±,0 koje je otkrio engleski fizičar S.F. Powell 1949. godine. Nabijeni pioni žive oko 10 -8 s, raspadajući se u leptone prema sljedećim shemama:
$\pi^+ \to \mu + \nu_(\mu)$ i $\pi^- \to \mu^- + \tilde \nu_(\mu)$.
Njihovi "rođaci" u tablici. 3 - rezonancije $\rho$ ±,0 (rho mezoni) za razliku od piona imaju spin J= 1, nestabilni su i žive samo oko 10 -23 s. Razlog raspada $\rho$ ±,0 je jaka interakcija.
Razlog za raspad nabijenih piona leži u slaboj interakciji, odnosno činjenici da kvarkovi koji čine česticu mogu kratkotrajno emitirati i apsorbirati kao rezultat slabe interakcije. t u skladu s relacijom (4), virtualni kalibrirani bozoni: $u \to d + W^+$ ili $d \to u + W^-$, a za razliku od leptona, postoje i prijelazi kvarka jedne generacije u kvark druge generacije, na primjer $u \to b + W^+$ ili $u \to s + W^+$ itd., iako su takvi prijelazi puno rjeđi od prijelaza unutar jedne generacije. U isto vrijeme, tijekom svih takvih transformacija, električni naboj u reakciji je očuvan.
Proučavanje mezona, uključujući s- i c-kvarkova, doveli su do otkrića nekoliko desetaka čudnih i čarobnih čestica. Njihova istraživanja sada se provode u mnogim znanstvenim centrima svijeta.
Proučavanje mezona, uključujući b- i t-kvarkovi, intenzivno su počeli na akceleratorima, te o njima za sada nećemo detaljnije govoriti.
Prijeđimo na razmatranje teških hadrona, odnosno bariona. Svi se sastoje od tri kvarka, ali oni koji imaju sve tri vrste boja, budući da su, poput mezona, svi barioni bezbojni. Kvarkovi unutar bariona mogu imati orbitalno gibanje. U tom će slučaju ukupni spin čestice premašiti ukupni spin kvarkova, jednak 1/2 ili 3/2 (ako su spinovi sva tri kvarka međusobno paralelni).
Barion s najmanjom masom je proton str(vidi tablicu 3). Sve atomske jezgre kemijskih elemenata sastoje se od protona i neutrona. Broj protona u jezgri određuje njezin ukupni električni naboj Z.
Druga glavna čestica u atomskim jezgrama je neutron. n. Neutron je nešto teži od protona, nestabilan je i u slobodnom stanju s životnim vijekom od oko 900 s raspada se na proton, elektron i neutrino. U tablici. 3 prikazuje stanje kvarka protona uud i neutron udd. Ali sa spinom ove kombinacije kvarkova J= 3/2, formiraju se rezonancije $\Delta^+$ i $D^0$. Svi ostali barioni sastavljeni su od težih kvarkova s, b, t, i imaju mnogo veću masu. Među njima je posebno zanimljiv bio W- -hiperon, koji se sastoji od tri čudna kvarka. Prvi put je otkriven na papiru, odnosno proračunom, koristeći se idejama kvarkovske strukture bariona. Sva glavna svojstva ove čestice su predviđena i potom potvrđena eksperimentima.
Mnoge eksperimentalno uočene činjenice sada uvjerljivo govore o postojanju kvarkova. Konkretno, govorimo o otkriću novog procesa u reakciji sudara elektrona i pozitrona, koji dovodi do stvaranja kvark-antikvark mlaznica. Shema ovog procesa prikazana je na sl. 4. Eksperiment je proveden na sudaračima u Njemačkoj i SAD-u. Strelice pokazuju smjerove greda na slici e+ i e- , a kvark se emitira iz točke njihovog sudara q i antikvark $\tilde q$ pod zenitnim kutom $\Theta$ u odnosu na smjer leta e+ i e- . Ovaj par $q+\tilde q$ nastaje u reakciji
$$e^+ + e^- \to \gamma_(virt) \to q + \tilde q$$
Kao što smo već rekli, sklop linija sile (češće kažu struna) lomi se na svoje komponente s dovoljno velikom napetosti. 
Pri visokim energijama kvarka i antikvarka, kao što je ranije spomenuto, struna puca na mnogo mjesta, uslijed čega se formiraju dva uska snopa sekundarnih bezbojnih čestica u oba smjera duž linije leta q kvarka i antikvarka, kao prikazano na sl. 4. Takve zrake čestica nazivamo mlaznicama. Često se u eksperimentu opaža stvaranje tri, četiri ili više mlazova čestica istovremeno.
U eksperimentima koji su provedeni na energijama superakceleracije u kozmičkim zrakama, au kojima je sudjelovao i autor ovog članka, dobivene su takoreći fotografije procesa nastanka mnogih mlaznica. Činjenica je da je uže ili struna jednodimenzionalna i stoga se središta formiranja tri, četiri ili više mlazova također nalaze duž ravne linije.
Teorija koja opisuje jake interakcije naziva se kvantna kromodinamika ili skraćeno QCD. Mnogo je kompliciranija od teorije elektroslabih interakcija. QCD je posebno uspješan u opisivanju tzv. tvrdih procesa, odnosno procesa međudjelovanja čestica s velikim prijenosom impulsa između čestica. Iako stvaranje teorije još nije dovršeno, mnogi teorijski fizičari već su zaokupljeni stvaranjem "velike unifikacije" - objedinjavanjem kvantne kromodinamike i teorije elektroslabe interakcije u jednu teoriju.
Zaključno, zadržimo se kratko na tome iscrpljuju li foton šest leptona i 18 raznobojnih kvarkova (i njihovih antičestica), kao i kvanti fundamentalnih polja, W ± -, Z 0 -bozoni, osam gluona i, konačno, kvanti gravitacijskog polja - gravitoni - cijeli arsenal istinski elementarnih, točnije, fundamentalnih čestica. Očigledno nije. Najvjerojatnije su opisane slike čestica i polja samo odraz našeg sadašnjeg znanja. Nije uzalud već mnogo teorijskih ideja u koje se uvodi velika skupina takozvanih supersimetričnih čestica, oktet superteških kvarkova i još mnogo toga.
Očito je da je moderna fizika još daleko od izgradnje cjelovite teorije čestica. Možda je veliki fizičar Albert Einstein bio u pravu, vjerujući da bi samo uzimanje u obzir gravitacije, unatoč njezinoj sada naizgled maloj ulozi u mikrokozmosu, omogućilo izgradnju rigorozne teorije čestica. Ali sve je to već u 21. stoljeću ili čak i kasnije.
Književnost
1. Okun L.B. Fizika elementarnih čestica. Moskva: Nauka, 1988.
2. Kobzarev I.Yu. Laureati Nobelove nagrade 1979.: S. Weinberg, S. Glashow, A. Salam // Priroda. 1980. N 1. S. 84.
3. Zeldovich Ya.B. Klasifikacija elementarnih čestica i kvarkova u prezentaciji za pješake // Uspekhi nat. znanosti. 1965. T. 8. S. 303.
4. Krainov V.P. Odnos nesigurnosti za energiju i vrijeme // Soros Educational Journal. 1998. N 5. S. 77-82.
5. I. Nambu, "Zašto nema slobodnih kvarkova", Usp. Phys. znanosti. 1978. V. 124. S. 146.
6. Zhdanov G.B., Maksimenko V.M., Slavatinsky S.A. Eksperiment "Pamir" // Priroda. 1984. br. 11. S. 24
Recenzent članka L.I. Sarychev
S. A. Slavatinskog Moskovski institut za fiziku i tehnologiju, Dolgoprudny, Moskovska oblast
