Răcăciune fundamentală Soarta m-a tratat în așa fel încât am atins involuntar cele mai fundamentale fenomene ale sistemului nostru social și am putut să le privesc fără văluri și iluzii care să le ascundă. După cum mi s-a părut atunci, am văzut cel mai mult

3. Tensiune fundamentală

3. Tensiunea fundamentală În însăși esența creștinismului stă faptul că acesta provine din iudaismul secolului I. Isus era evreu. Primii creștini au fost toți evrei. Creștinismul a început din interiorul iudaismului, dintr-o sectă mesianică din interiorul iudaismului. A perceput

ADEVĂR FUNDAMENTAL

ADEVĂRUL FUNDAMENTAL În pilda noastră, Jalin este un tip al lui Isus Hristos, dar este regele Tatăl? este Atotputernicul Dumnezeu Tatăl. Dagon îl reprezintă pe diavolul; viata in Endel? este viața umană pe pământ; Affabel reprezintă orașul ceresc al lui Dumnezeu. Pământul părăsit Lon?

Aceste trei particule (precum și altele descrise mai jos) se atrag și se resping reciproc în funcție de ele taxe, care sunt doar patru tipuri în funcție de numărul de forțe fundamentale ale naturii. Sarcinile pot fi aranjate în ordinea descrescătoare a forțelor corespunzătoare astfel: încărcătură de culoare (forțe de interacțiune între quarci); sarcină electrică (forțe electrice și magnetice); sarcină slabă (tăria în unele procese radioactive); în cele din urmă, masa (forța gravitațională sau interacțiunea gravitațională). Cuvântul „culoare” de aici nu are nimic de-a face cu culoarea luminii vizibile; este pur și simplu o caracteristică a celei mai puternice sarcini și a celor mai mari forțe.

Taxe persista, adică Taxa care intră în sistem este egală cu taxa care iese din acesta. Dacă sarcina electrică totală a unui anumit număr de particule înainte de interacțiunea lor este, să zicem, 342 de unități, atunci după interacțiune, indiferent de rezultatul acesteia, va fi egală cu 342 de unități. Acest lucru se aplică și altor sarcini: culoare (sarcină de interacțiune puternică), slabă și masă (masă). Particulele diferă în ceea ce privește încărcăturile lor: în esență, ele „sunt” aceste sarcini. Acuzațiile sunt, parcă, un „certificat” al dreptului de a răspunde la forța corespunzătoare. Astfel, numai particulele colorate sunt afectate de forțele de culoare, numai particulele încărcate electric sunt afectate de forțele electrice și așa mai departe. Proprietățile unei particule sunt determinate de cea mai mare forță care acționează asupra ei. Doar quarcii sunt purtători ai tuturor sarcinilor și, prin urmare, sunt supuși acțiunii tuturor forțelor, printre care culoarea este dominantă. Electronii au toate sarcinile, cu excepția culorii, iar forța dominantă pentru ei este forța electromagnetică.

Cele mai stabile în natură sunt, de regulă, combinațiile neutre de particule în care sarcina particulelor de un semn este compensată de sarcina totală a particulelor de alt semn. Aceasta corespunde energiei minime a întregului sistem. (În mod similar, doi magneți bară sunt în linie, cu polul nord al unuia îndreptat spre polul sud al celuilalt, ceea ce corespunde unui minim de energie câmp magnetic.) Gravitația este o excepție de la această regulă: masa negativă nu există. Nu există corpuri care să cadă.

TIPURI DE MATERIE

Materia obișnuită este formată din electroni și quarci, grupate în obiecte care sunt neutre la culoare și apoi în sarcină electrică. Forța de culoare este neutralizată, ceea ce va fi discutat mai detaliat mai jos, atunci când particulele sunt combinate în tripleți. (De aici și termenul „culoare” însuși, luat din optică: cele trei culori primare, atunci când sunt amestecate, dau alb.) Astfel, quarcurile, pentru care puterea culorii este dominantă, formează triplete. Dar quarci și ei sunt subdivizați în u-quarci (din engleză sus - superior) și d-quarci (din engleza in jos - mai jos), au si o sarcina electrica egala cu u-quarc și pentru d-quarc. Două u-quarc și unul d-quarcul da o sarcina electrica +1 si formeaza un proton, iar unul u-quarc și doi d-cuarcii dau sarcina electrica zero si formeaza un neutron.

Protonii și neutronii stabili, atrași unul de celălalt de forțele de culoare reziduale ale interacțiunii dintre quarcii lor constituenți, formează un nucleu atomic neutru de culoare. Dar nucleele poartă o sarcină electrică pozitivă și, prin atragerea de electroni negativi care se învârt în jurul nucleului, precum planetele care se rotesc în jurul Soarelui, tind să formeze un atom neutru. Electronii de pe orbitele lor sunt îndepărtați din nucleu la distanțe de zeci de mii de ori mai mari decât raza nucleului - dovadă că forțele electrice care îi țin sunt mult mai slabe decât cele nucleare. Datorită puterii interacțiunii culorilor, 99,945% din masa unui atom este închisă în nucleul său. Greutate u- și d-cuarcii sunt de aproximativ 600 de ori masa unui electron. Prin urmare, electronii sunt mult mai ușori și mai mobili decât nucleele. Mișcarea lor în materie provoacă fenomene electrice.

Există câteva sute de soiuri naturale de atomi (inclusiv izotopi) care diferă în ceea ce privește numărul de neutroni și protoni din nucleu și, în consecință, în numărul de electroni de pe orbite. Cel mai simplu este atomul de hidrogen, format dintr-un nucleu sub formă de proton și un singur electron care se rotește în jurul lui. Toată materia „vizibilă” din natură constă din atomi și atomi parțial „dezasamblați”, care se numesc ioni. Ionii sunt atomi care, după ce au pierdut (sau câștigat) câțiva electroni, au devenit particule încărcate. Materia, constând aproape dintr-un ioni, se numește plasmă. Stelele care ard din cauza reacțiilor termonucleare care au loc în centre sunt compuse în principal din plasmă și, deoarece stelele sunt cea mai comună formă de materie din Univers, se poate spune că întregul Univers este format în principal din plasmă. Mai precis, stelele sunt predominant hidrogen gazos complet ionizat, adică. un amestec de protoni și electroni individuali și, prin urmare, aproape întregul univers vizibil este format din el.

Aceasta este materie vizibilă. Dar există încă materie invizibilă în Univers. Și există particule care acționează ca purtători de forțe. Există antiparticule și stări excitate ale unor particule. Toate acestea duc la o abundență în mod evident excesivă de particule „elementare”. În această abundență, se poate găsi o indicație a naturii reale, adevărate a particulelor elementare și a forțelor care acționează între ele. Conform celor mai recente teorii, particulele pot fi practic obiecte geometrice extinse - „șiruri” în spațiu zece-dimensional.

Lumea invizibilă.

Nu există doar materie vizibilă în univers (ci și găuri negre și „materie întunecată”, precum planetele reci, care devin vizibile atunci când sunt iluminate). Există, de asemenea, o materie cu adevărat invizibilă care pătrunde pe noi toți și întregul Univers în fiecare secundă. Este un gaz cu mișcare rapidă de un fel de particule - neutrinii electronici.

Neutrinul electron este partenerul electronului, dar nu are sarcină electrică. Neutrinii poartă doar așa-numita sarcină slabă. Masa lor de repaus este, după toate probabilitățile, zero. Dar ele interacționează cu câmpul gravitațional, pentru că au energie cinetică E, care corespunde masei efective m, conform formulei Einstein E = mc 2, unde c este viteza luminii.

Rolul cheie al neutrinului este că contribuie la transformare și-cuarcuri în d cuarcuri, având ca rezultat transformarea unui proton într-un neutron. Neutrinul joacă rolul „acului carburatorului” pentru reacțiile termonucleare stelare, în care patru protoni (nuclee de hidrogen) se combină pentru a forma un nucleu de heliu. Dar, deoarece nucleul de heliu este format nu din patru protoni, ci din doi protoni și doi neutroni, pentru o astfel de fuziune nucleară este necesar ca două și-quarcurile transformate în doi d-quarc. Intensitatea transformării determină cât de repede vor arde stelele. Și procesul de transformare este determinat de sarcini slabe și forțe de interacțiune slabă între particule. în care și-quarc (sarcină electrică +2/3, sarcină slabă +1/2), interacționând cu un electron (sarcină electrică - 1, sarcină slabă -1/2), formează d-quarc (sarcină electrică -1/3, sarcină slabă -1/2) și neutrin electronic (sarcină electrică 0, sarcină slabă +1/2). Încărcările de culoare (sau pur și simplu culorile) ale celor doi quarci se anulează în acest proces fără neutrin. Rolul neutrinului este de a transporta sarcina slabă necompensată. Prin urmare, rata de transformare depinde de cât de slabe sunt forțele slabe. Dacă ar fi mai slabe decât sunt, atunci stelele nu ar arde deloc. Dacă ar fi fost mai puternice, atunci stelele s-ar fi ars de mult.

Dar ce zici de neutrini? Deoarece aceste particule interacționează extrem de slab cu altă materie, ele părăsesc aproape imediat stelele în care s-au născut. Toate stelele strălucesc, emitând neutrini, iar neutrinii strălucesc prin corpurile noastre și pe întregul Pământ zi și noapte. Așa că ei rătăcesc prin Univers, până când intră, poate, într-o nouă interacțiune a Stelei).

Purtători de interacțiune.

Ce cauzează forțele care acționează între particule la distanță? Răspunsurile fizicii moderne: datorită schimbului de alte particule. Imaginează-ți doi patinatori care aruncă o minge. Dând impuls mingii atunci când aruncă și primind impuls cu mingea primită, ambele primesc o împingere în direcția unul față de celălalt. Acest lucru poate explica apariția forțelor de respingere. Dar în mecanica cuantică, care ia în considerare fenomenele din microlume, sunt permise întinderea și delocalizarea neobișnuite a evenimentelor, ceea ce duce, s-ar părea, la imposibil: unul dintre patinatori aruncă mingea în direcție. din celălalt, dar unul totuși poate prinde mingea asta. Nu este greu de imaginat că dacă acest lucru ar fi posibil (și în lumea particulelor elementare este posibil), ar exista atracție între patinatori.

Particulele, datorită schimbului cărora apar forțe de interacțiune între cele patru „particule de materie” discutate mai sus, se numesc particule gauge. Fiecare dintre cele patru interacțiuni - puternică, electromagnetică, slabă și gravitațională - are propriul său set de particule gauge. Particulele purtătoare puternice de interacțiune sunt gluoni (sunt doar opt dintre ei). Un foton este un purtător de interacțiune electromagnetică (este unul, iar noi percepem fotonii ca lumină). Particulele-purtători ai interacțiunii slabe sunt bosonii vectori intermediari (în 1983 și 1984 au fost descoperiți W + -, W- -bosoni și neutri Z-bozon). Purtătorul de particule al interacțiunii gravitaționale este încă un graviton ipotetic (trebuie să fie unul). Toate aceste particule, cu excepția fotonului și gravitonului, care pot călători pe distanțe infinit de lungi, există doar în procesul de schimb între particulele materiale. Fotonii umplu Universul cu lumină, iar gravitonii - cu unde gravitaționale (nedetectate încă cu certitudine).

Se spune că o particulă capabilă să emită particule de măsurare este înconjurată de un câmp de forță adecvat. Astfel, electronii capabili să emită fotoni sunt înconjurați de câmpuri electrice și magnetice, precum și de câmpuri slabe și gravitaționale. Cuarcii sunt, de asemenea, înconjurați de toate aceste câmpuri, dar și de câmpul de interacțiune puternică. Particulele cu încărcătură de culoare în câmpul forțelor de culoare sunt afectate de forța de culoare. Același lucru este valabil și pentru alte forțe ale naturii. Prin urmare, putem spune că lumea este formată din materie (particule materiale) și câmp (particule de măsurare). Mai multe despre asta mai jos.

Antimaterie.

Fiecare particulă corespunde unei antiparticule, cu care particula se poate anihila reciproc, adică. „anihilați”, în urma căruia se eliberează energie. Energia „pură” în sine, însă, nu există; ca urmare a anihilării, apar noi particule (de exemplu, fotoni), care duc această energie.

O antiparticulă are în cele mai multe cazuri proprietăți opuse față de particula corespunzătoare: dacă o particulă se mișcă spre stânga sub acțiunea câmpurilor puternice, slabe sau electromagnetice, atunci antiparticula ei se va deplasa spre dreapta. Pe scurt, antiparticula are semne opuse tuturor sarcinilor (cu excepția sarcinii de masă). Dacă o particulă este compozită, cum ar fi, de exemplu, un neutron, atunci antiparticula sa constă din componente cu semne de sarcină opuse. Astfel, un antielectron are o sarcină electrică de +1, o sarcină slabă de +1/2 și se numește pozitron. Antineutronul este alcătuit din și-antiquarci cu sarcina electrica –2/3 si d-antiquarci cu sarcina electrica +1/3. Particulele cu adevărat neutre sunt propriile lor antiparticule: antiparticula fotonului este fotonul.

Conform conceptelor teoretice moderne, fiecare particulă care există în natură trebuie să aibă propria antiparticulă. Și multe antiparticule, inclusiv pozitroni și antineutroni, au fost într-adevăr obținute în laborator. Consecințele acestui lucru sunt excepțional de importante și stau la baza întregii fizice experimentale a particulelor elementare. Conform teoriei relativității, masa și energia sunt echivalente și, în anumite condiții, energia poate fi transformată în masă. Deoarece sarcina este conservată și sarcina vidului (spațiul gol) este zero, orice pereche de particule și antiparticule (cu sarcină netă zero) poate ieși din vid, ca iepurii din pălăria unui magician, atâta timp cât energia este suficientă pentru a-și crea. masa.

Generații de particule.

Experimentele cu accelerație au arătat că cvartetul (cvartetul) de particule de material se repetă de cel puțin două ori la valori de masă mai mari. În a doua generație, locul electronului este ocupat de muon (cu o masă de aproximativ 200 de ori mai mare decât masa electronului, dar cu aceleași valori ale tuturor celorlalte sarcini), locul neutrinului electronic este muonul (care însoțește muonul în interacțiuni slabe în același mod în care electronul însoțește neutrinul electronic), plasează și-cuarcul ocupă Cu-quarc ( Fermecat), A d-quarc - s-quarc ( ciudat). În a treia generație, cvartetul este format dintr-un lepton tau, un neutrin tau, t-quarc și b-quarc.

Greutate t-cuarcul este de aproximativ 500 de ori masa celui mai ușor - d-quarc. S-a stabilit experimental că există doar trei tipuri de neutrini ușori. Astfel, a patra generație de particule fie nu există deloc, fie neutrinii corespunzători sunt foarte grei. Acest lucru este în concordanță cu datele cosmologice, conform cărora nu pot exista mai mult de patru tipuri de neutrini ușori.

În experimentele cu particule de înaltă energie, electronul, muonul, tau-leptonul și neutrinii corespunzători acționează ca particule izolate. Ele nu poartă o încărcătură de culoare și intră doar în interacțiuni slabe și electromagnetice. În mod colectiv, se numesc leptoni.

Cuarcii, pe de altă parte, sub influența forțelor de culoare, se combină în particule care interacționează puternic, care domină majoritatea experimentelor din fizica energiei înalte. Astfel de particule sunt numite hadronii. Acestea includ două subclase: barionii(de exemplu, protoni și neutroni), care sunt formate din trei quarci și mezonii format dintr-un quarc și un antiquarc. În 1947, primul mezon, numit pion (sau pi-meson), a fost descoperit în razele cosmice, iar de ceva timp s-a crezut că schimbul acestor particule a fost cauza principală a forțelor nucleare. Hadronii omega-minus, descoperiți în 1964 la Brookhaven National Laboratory (SUA), și particula j-psy ( J/y-meson), descoperit simultan la Brookhaven și la Centrul Stanford pentru Acceleratoare Liniare (tot în SUA) în 1974. Existența particulei omega-minus a fost prezisă de M. Gell-Mann în așa-numitul său „ SU 3-teoria” (un alt nume este „modul de opt ori”), în care a fost sugerată mai întâi posibilitatea existenței quarcilor (și acest nume le-a fost dat). Un deceniu mai târziu, descoperirea particulei J/y a confirmat existența Cu-quark și în cele din urmă a făcut pe toată lumea să creadă atât în ​​modelul cuarcului, cât și în teoria care combina forțele electromagnetice și slabe ( vezi mai jos).

Particulele din a doua și a treia generație nu sunt mai puțin reale decât cele din prima. Adevărat, după ce au apărut, ele se descompun în milionimi sau miliarde de secundă în particule obișnuite din prima generație: un electron, un neutrin electronic și, de asemenea, și- și d-cuarcuri. Întrebarea de ce există mai multe generații de particule în natură este încă un mister.

Se vorbește adesea despre diferite generații de quarci și leptoni (ceea ce, desigur, este oarecum excentric) ca fiind „arome” diferite de particule. Nevoia de a le explica se numește problema „aromei”.

BOSONI ȘI FERMIUNI, CÂMP ȘI SUBSTANTĂ

Una dintre diferențele fundamentale dintre particule este diferența dintre bozoni și fermioni. Toate particulele sunt împărțite în aceste două clase principale. Asemenea bosonilor se pot suprapune sau se suprapune, dar asemenea fermionilor nu se pot suprapune. Suprapunerea apare (sau nu are loc) în stările de energie discrete în care mecanica cuantică împarte natura. Aceste stări sunt, parcă, celule separate în care pot fi plasate particule. Deci, într-o celulă puteți pune orice număr de bozoni identici, dar doar un fermion.

Ca exemplu, luați în considerare astfel de celule, sau „stări”, pentru un electron care se rotește în jurul nucleului unui atom. Spre deosebire de planetele sistemului solar, conform legilor mecanicii cuantice, un electron nu poate circula pe nicio orbită eliptică, pentru el există doar un număr discret de „stări de mișcare” permise. Se numesc seturi de astfel de stări, grupate în funcție de distanța de la electron la nucleu orbitali. În primul orbital, există două stări cu momente unghiulare diferite și, prin urmare, două celule permise, iar în orbitalii superiori, opt sau mai multe celule.

Deoarece un electron este un fermion, fiecare celulă poate conține doar un electron. De aici rezultă consecințe foarte importante - întreaga chimie, deoarece proprietățile chimice ale substanțelor sunt determinate de interacțiunile dintre atomii corespunzători. Dacă treceți prin sistemul periodic de elemente de la un atom la altul în ordinea creșterii cu unitate a numărului de protoni din nucleu (numărul de electroni va crește și el în consecință), atunci primii doi electroni vor ocupa primul orbital, cel următoarele opt vor fi situate în al doilea etc. Această schimbare succesivă a structurii electronice a atomilor de la un element la altul determină regularitățile în proprietățile lor chimice.

Dacă electronii ar fi bosoni, atunci toți electronii unui atom ar putea ocupa același orbital corespunzător energiei minime. În acest caz, proprietățile întregii materie din Univers ar fi complet diferite, iar în forma în care o cunoaștem, Universul ar fi imposibil.

Toți leptonii - electroni, muoni, tau-leptoni și neutrinii corespunzători lor - sunt fermioni. Același lucru se poate spune despre quarci. Astfel, toate particulele care formează „materie”, principala umplutură a Universului, precum și neutrinii invizibili, sunt fermioni. Acest lucru este foarte semnificativ: fermionii nu se pot combina, așa că același lucru este valabil și pentru obiectele din lumea materială.

În același timp, toate „particulele de măsurare” sunt schimbate între particulele de material care interacționează și care creează un câmp de forțe ( Vezi deasupra), sunt bosoni, ceea ce este de asemenea foarte important. Deci, de exemplu, mulți fotoni pot fi în aceeași stare, formând un câmp magnetic în jurul unui magnet sau un câmp electric în jurul unei sarcini electrice. Datorită acestui fapt, este posibil și un laser.

A învârti.

Diferența dintre bozoni și fermioni este legată de o altă caracteristică a particulelor elementare - înapoi. Oricât de surprinzător ar părea, dar toate particulele fundamentale au propriul moment unghiular sau, cu alte cuvinte, se rotesc în jurul propriei axe. Momentul unghiular este o caracteristică a mișcării de rotație, la fel cum este momentul total al mișcării de translație. În orice interacțiune, momentul unghiular și momentul sunt conservate.

În microcosmos, momentul unghiular este cuantificat, adică. ia valori discrete. În unitățile adecvate, leptonii și quarcii au un spin egal cu 1/2, iar particulele gauge au un spin egal cu 1 (cu excepția gravitonului, care nu a fost încă observat experimental, dar teoretic ar trebui să aibă un spin egal cu 2). Deoarece leptonii și quarcii sunt fermioni, iar particulele gauge sunt bosoni, se poate presupune că „fermionicitatea” este asociată cu spin 1/2, iar „bosonicitatea” este asociată cu spin 1 (sau 2). Într-adevăr, atât experimentul, cât și teoria confirmă că, dacă o particulă are un spin pe jumătate întreg, atunci este un fermion, iar dacă este întreg, atunci este un boson.

TEORII ȘI GEOMETRIE GAUGE

În toate cazurile, forțele apar din cauza schimbului de bosoni între fermioni. Astfel, forța de interacțiune a culorii dintre doi quarci (quarci - fermioni) apare din cauza schimbului de gluoni. Un astfel de schimb are loc constant în protoni, neutroni și nuclee atomice. În același mod, fotonii schimbați între electroni și quarci creează forțe electrice atractive care rețin electronii într-un atom, iar bosonii vectori intermediari schimbați între leptoni și quarci creează forțe de interacțiune slabe responsabile de conversia protonilor în neutroni în reacțiile de fuziune în stele.

Teoria unui astfel de schimb este elegantă, simplă și probabil corectă. Se numeste teoria gauge. Dar în prezent există doar teorii gauge independente ale interacțiunilor puternice, slabe și electromagnetice și o teorie gauge a gravitației similare cu acestea, deși diferite în anumite privințe. Una dintre cele mai importante probleme fizice este reducerea acestor teorii separate într-o teorie unică și, în același timp, simplă, în care toate ar deveni aspecte diferite ale unei singure realități - precum fațetele unui cristal.

Cea mai simplă și mai veche dintre teoriile gauge este teoria gauge a interacțiunii electromagnetice. În ea, sarcina unui electron este comparată (calibrată) cu sarcina altui electron aflat la distanță de acesta. Cum pot fi comparate tarifele? Puteți, de exemplu, să apropiați al doilea electron de primul și să comparați forțele de interacțiune ale acestora. Dar încărcătura unui electron nu se schimbă atunci când se deplasează în alt punct din spațiu? Singura modalitate de a verifica este să trimiteți un semnal de la electronul apropiat la cel îndepărtat și să vedeți cum reacționează. Semnalul este o particulă gauge - un foton. Pentru a putea verifica încărcarea particulelor îndepărtate, este necesar un foton.

Din punct de vedere matematic, această teorie se distinge prin precizie și frumusețe extremă. Din „principiul gauge” descris mai sus, urmează toată electrodinamica cuantică (teoria cuantică a electromagnetismului), precum și teoria câmpului electromagnetic a lui Maxwell, una dintre cele mai mari realizări științifice ale secolului al XIX-lea.

De ce un principiu atât de simplu este atât de fructuos? Aparent, exprimă o anumită corelație a diferitelor părți ale Universului, permițând măsurători în Univers. În termeni matematici, câmpul este interpretat geometric ca curbura unui spațiu „intern” imaginabil. Măsurarea sarcinii este măsurarea „curburii interne” totale în jurul particulei. Teoriile gauge ale interacțiunilor puternice și slabe diferă de teoria gauge electromagnetică numai în „structura” geometrică internă a sarcinii corespunzătoare. Întrebarea unde se află exact acest spațiu interior i se răspunde prin teoriile câmpului unificat multidimensional, care nu sunt luate în considerare aici.

Fizica particulelor elementare nu este încă finalizată. Este încă departe de a fi clar dacă datele disponibile sunt suficiente pentru a înțelege pe deplin natura particulelor și forțelor, precum și adevărata natură și dimensiunile spațiului și timpului. Avem nevoie de experimente cu energii de 10 15 GeV pentru asta, sau efortul de gândire va fi suficient? Nu există încă un răspuns. Dar putem spune cu încredere că poza finală va fi simplă, elegantă și frumoasă. Este posibil să nu existe atât de multe idei fundamentale: principiul gabaritului, spații de dimensiuni mai mari, colaps și expansiune și, mai ales, geometrie.

Până relativ recent, câteva sute de particule și antiparticule erau considerate elementare. Un studiu detaliat al proprietăților și interacțiunilor lor cu alte particule și dezvoltarea teoriei a arătat că majoritatea dintre ele nu sunt de fapt elementare, deoarece ele însele constau din cele mai simple sau, după cum se spune acum, particule fundamentale. Particulele fundamentale în sine nu mai constau din nimic. Numeroase experimente au arătat că toate particulele fundamentale se comportă ca niște obiecte punctiforme fără dimensiune, fără structură internă, cel puțin până la cele mai mici distanțe studiate în prezent ~10 -16 cm.

Printre nenumăratele și variatele procese de interacțiune între particule, există patru interacțiuni de bază sau fundamentale: puternice (nucleare), electromagnetic, slab și gravitațional . În lumea particulelor, interacțiunea gravitațională este foarte slabă, rolul ei este încă neclar și nu vom mai vorbi despre asta.

În natură, există două grupuri de particule: hadronii, care participă la toate interacțiunile fundamentale, și leptonii, care nu participă doar la interacțiunea puternică.

Conform conceptelor moderne, interacțiunile dintre particule se realizează prin emisia și absorbția ulterioară a cuantelor câmpului corespunzător (puternic, slab, electromagnetic) din jurul particulei. Aceste cuante sunt bozoni de măsurare, care sunt și particule fundamentale. Bosonii au propriile lor moment de impuls, numit spin, este egal cu valoarea întreagă constanta lui Planck. Cuantele câmpului și, în consecință, purtătorii interacțiunii puternice sunt gluoni, notați cu simbolul g (ji), cuantele câmpului electromagnetic sunt binecunoscutele cuante de lumină - fotoni, notate cu (gamma), iar cuantele câmpului slab și, în consecință, purtătorii interacțiunilor slabe sunt W± (ve dublu) - și Z 0 (zet zero)-bosoni.

Spre deosebire de bosoni, toate celelalte particule fundamentale sunt fermioni, adică particule care au un spin semiîntreg egal cu h/2.

În tabel. 1 prezintă simbolurile fermionilor fundamentale - leptoni și quarci.

Fiecare particulă dată în tabel. 1 corespunde unei antiparticule, care diferă de o particulă numai în semnele sarcinii electrice și a altor numere cuantice (vezi Tabelul 2) și în direcția spinului în raport cu direcția impulsului particulei. Vom desemna antiparticule cu aceleași simboluri ca și particulele, dar cu o linie ondulată deasupra simbolului.

Particule din tabel. 1 sunt notate cu litere grecești și latine și anume: litera (nu) - trei neutrini diferiți, literele e - electron, (mu) - muon, (tau) - taon, literele u, c, t, d, s , b reprezintă quarci; denumirea și caracteristicile lor sunt date în tabel. 2.

Particule din tabel. 1 sunt grupate în trei generații I, II și III conform structurii teoriei moderne. Universul nostru este construit din particule din prima generație - leptoni și quarci și bosoni gauge, dar, așa cum arată știința modernă a dezvoltării Universului, în stadiul inițial al dezvoltării sale, particulele din toate cele trei generații au jucat un rol important.

Leptoni

Să luăm mai întâi în considerare proprietățile leptonilor mai detaliat. În linia de sus a tabelului 1 conține trei neutrini diferiți: neutrini de electroni, muoni și tau. Masa lor nu a fost încă măsurată cu precizie, dar limita sa superioară a fost determinată, de exemplu, pentru ne egal cu 10 -5 din masa electronilor (adică g).

Privind Masa. 1 ridică involuntar întrebarea de ce natura a avut nevoie de crearea a trei neutrini diferiți. Nu există încă un răspuns la această întrebare, deoarece nu a fost creată o astfel de teorie cuprinzătoare a particulelor fundamentale, care ar indica necesitatea și suficiența tuturor acestor particule și ar descrie proprietățile lor principale. Poate că această problemă va fi rezolvată în secolul 21 (sau mai târziu).

Linia de jos a tabelului. 1 începe cu particula pe care am studiat-o cel mai mult - electronul. Electronul a fost descoperit la sfarsitul secolului trecut de catre fizicianul englez J. Thomson. Rolul electronilor în lumea noastră este enorm. Sunt acele particule încărcate negativ care, împreună cu nucleele atomice, formează toți atomii elementelor cunoscute nouă. Tabelul periodic al lui Mendeleev. În fiecare atom, numărul de electroni este exact egal cu numărul de protoni din nucleul atomic, ceea ce face atomul neutru din punct de vedere electric.

Electronul este stabil, principala posibilitate de a distruge un electron este moartea acestuia în coliziune cu o antiparticulă - un pozitron e + . Acest proces a fost numit anihilare :

Ca urmare a anihilării, se formează două cuante gamma (așa-numiții fotoni de înaltă energie), care transportă atât energiile de repaus e + și e - cât și energiile lor cinetice. La energii mari e + și e - se formează hadronii și perechile de cuarci (vezi, de exemplu, (5) și Fig. 4).

Reacția (1) ilustrează clar validitatea celebrei formule a lui A. Einstein despre echivalența masei și energiei: E = mc 2 .

Într-adevăr, în timpul anihilării unui pozitron oprit într-o substanță și a unui electron în repaus, întreaga masă a repausului lor (egale cu 1,22 MeV) trece în energia cuantelor, care nu au o masă în repaus.

În a doua generație a rândului de jos al tabelului. 1 situat muon- o particulă care este analogă cu un electron în toate proprietățile sale, dar cu o masă anormal de mare. Masa muonului este de 207 ori masa electronului. Spre deosebire de electron, muonul este instabil. Timpul vieții lui t= 2,2 10 -6 s. Muonul se descompune în principal într-un electron și doi neutrini conform schemei

Un analog și mai greu al electronului este . Masa sa este de peste 3 mii de ori mai mare decât masa unui electron (MeV/s 2), adică taonul este mai greu decât protonul și neutronul. Durata sa de viață este de 2,9 · 10 -13 s, iar din mai mult de o sută de scheme (canale) diferite ale dezintegrarii sale, sunt posibile următoarele.

Vezi si

Scrieți o recenzie despre articolul „Particulă fundamentală”

Note

Legături

• S. A. Slavatinsky// Institutul de Fizică și Tehnologie din Moscova (Dolgoprudny, regiunea Moscova)
• Slavatinsky S.A. // SOZH, 2001, nr. 2, p. 62–68 arhiva http://web.archive.org/web/20060116134302/http://journal.issep.rssi.ru/annot.php?id=S1176
• // nuclphys.sinp.msu.ru
• // second-physics.ru
• // fizica.ru
• // nature.web.ru
• // nature.web.ru
• // nature.web.ru

Prezentat în Fig.1 fermionii fundamentali, cu spin ½, sunt „primele cărămizi” ale materiei. Ei sunt reprezentați leptoni(electroni e, neutrini etc.) - particule care nu participă la puternic interacțiuni nucleare și quarcuri, care sunt implicate în interacțiuni puternice. Particulele nucleare sunt formate din quarci hadronii(protoni, neutroni și mezoni). Fiecare dintre aceste particule are propria sa antiparticulă, care trebuie plasată în aceeași celulă. Denumirea unei antiparticule se distinge prin semnul tildei (~).

Din cele șase soiuri de quarci, sau șase parfumuri sarcină electrică 2/3 (în unități de sarcină elementară e) posedă superior ( u), Fermecat ( c) și adevărat ( t) quarci și cu sarcină –1/3 – mai mică ( d), ciudat ( s) si frumos ( b) quarci. Antiquarcii cu aceleași arome vor avea sarcini electrice de -2/3, respectiv 1/3.

În cromodinamica cuantică (teoria interacțiunii puternice), trei tipuri de sarcini de interacțiune puternică sunt atribuite quarcilor și antiquarcilor: roșu R(anti-rosu); verde G(anti-verde); albastru B(anti albastru). Interacțiunea culorii (puternice) leagă quarcii în hadroni. Acestea din urmă sunt împărțite în barionii, format din trei quarci, și mezonii format din doi quarci. De exemplu, protonii și neutronii înrudiți cu barionii au următoarea compoziție de cuarci:

p = (uud) și , n = (ddu) și .

Ca exemplu, prezentăm compoziția tripletului pi-mezon:

, ,

Este ușor de observat din aceste formule că sarcina protonului este +1, în timp ce cea a antiprotonului este -1. Neutronul și antineutronul au sarcină zero. Spiriurile quarcilor din aceste particule sunt adăugate astfel încât spinurile lor totale să fie egale cu ½. Sunt posibile și astfel de combinații ale acelorași quarci, în care rotațiile totale sunt egale cu 3/2. Astfel de particule elementare (D ++ , D + , D 0 , D –) au fost descoperite și aparțin rezonanțelor, adică. hadroni de scurtă durată.

Procesul cunoscut de dezintegrare radioactivă b, care este reprezentat de schemă

n ® p + e + ,

din punctul de vedere al teoriei cuarcilor arată ca

(udd) ® ( uud) + e+ sau d ® u + e + .

În ciuda încercărilor repetate de a detecta quarcii liberi în experimente, nu a fost posibil. Acest lucru sugerează că quarkurile, aparent, apar numai în compoziția unor particule mai complexe ( capcanarea quarcilor). O explicație completă a acestui fenomen nu a fost încă oferită.

Figura 1 arată că există o simetrie între leptoni și cuarci, numită simetrie cuarc-lepton. Particulele din rândul de sus au o încărcătură mai mult decât particulele din rândul de jos. Particulele primei coloane aparțin primei generații, a doua - a doua generație și a treia coloană - a treia generație. Cuarcuri adecvate c, bși t au fost prezise pe baza acestei simetrii. Materia din jurul nostru este formată din particule de prima generație. Care este rolul particulelor din a doua și a treia generație? Nu există încă un răspuns definitiv la această întrebare.