Умк_ксе_бак

закона Аристотеля. Если легкое тело упало за 2 секунду, то тяжелое – должно было бы затратить только 2/3 секунды. А если тяжелое тело упало за 2 секунду, то легкое должно было бы затратить 6 секунд. Проведенный опыт не дает столь больших различий, а, следовательно, противоречит предсказаниям закона Аристотеля. Однако этих опытов оказалось недостаточно, чтобы опровергнуть закон, поскольку для научного сообщества того времени авторитет древних писаний был еще несравненно выше, чем результаты современного опыта.

Отстаивая свою позицию в этом споре, Галилей привел логический довод, демонстрирующий внутреннюю противоречивость закона Аристотеля. Для этого он проанализировал с позиций Аристотеля мысленный эксперимент. Рассмотрим два тела – легкое и тяжелое, связанные тонкой и очень легкой нитью. Ясно, что нить не может оказать значительного влияния на падение тел. Теперь рассмотрим падение этой системы. Согласно Аристотелю легкое тело будет падать медленнее тяжелого и нить, в конце концов, натянется и в дальнейшем будет замедлять падение тяжелого тела. Следовательно, вся система должна падать медленнее одного тяжелого тела. Но это противоречит тому же закону Аристотеля, согласно которому она должна падать быстрее, поскольку ее вес больше веса одного тяжелого тела. Это противоречие ясно указывает на несостоятельность закона.

Единственно возможным выходом из сложившейся ситуации было только предположение, что все тела падают с одинаковой скоростью независимо от их веса. Однако это утверждение тоже противоречит опыту, так как каждому известно, что легкая пушинка падает медленнее тяжелого камня. В поисках выхода из этой противоречивой ситуации Галилей делает важнейший шаг, создавая научный подход к исследованиям. Он понял, что наблюдаемая разница в скорости падения тел обусловлена сопротивлением воздуха. То есть на падение тел оказывают влияние два фактора – притяжение Земли (вес тела) и сопротивление воздуха. Первый фактор является первичным и важнейшим, а второй во многом случайным и главное неконтролируемым. Чтобы найти правильный закон, необходимо увидеть в явлении главное и отвлечься от всего второстепенного. Для этого нужно поставить идеализированный опыт, который, сколько бы мы его не повторяли, всегда будет давать один и тот же результат, так как теперь результат не зависит от неконтролируемых случайностей. Такой опыт Галилей поставил. Он взял длинную стеклянную трубку, положил в нее пушинку и свинцовую дробинку, откачал воздух и запаял трубку. Избавившись от сопротивления воздуха, он убедился, что тела падают с одинаковой скоростью, независимо от их веса. В этом и состоит закон падения тел установленный Галилеем. Сам же путь к нему является замечательным образцом нового научного подхода к исследованию законов природы.

Следующим важным вкладом Галилея было осознание необходимости и возможности формулировки законов природы в математической форме. Опытным путем им были установлены количественные законы движения шаров по наклонной плоскости. Он же первым осознал принцип инерции тел, согласно которому в отсутствии внешних воздействий (например, сопротивления воздуха) любое тело сохраняло бы состояние равномерного движения неограниченно долго. До него считалось, что любое движение может осуществляться только посредством некоторой силы. Из принципа инерции был один шаг до осознания того, что сила является причиной ускорения, но не скорости.

До наших дней сохраняет свою значимость принцип относительности Галилея, который утверждает, что все механические явления протекают одинаково во всех инерциальных системах отсчета. Этот принцип означает, что никакими механическими опытами, проводимыми на движущемся корабле невозможно обнаружить его движение относительно неподвижной суши.

1.2.8. Становление опытного естествознания в Европе

В XVII веке число людей вовлеченных в науку в Европе непрерывно увеличивалось,

31

они объединялись сначала в кружки любителей науки, где могли свободно обмениваться мнениями и рассказывать о своих достижениях. Со временем эти кружки трансформировались в научные сообщества. В результате появились: Флорентийская академия опыта в 1657 году, Лондонское Королевское общество (1660), Академия Наук в Париже, и немного позже – Петербургская Академия Наук (1724). Эти учреждения уже своими названиями подчеркивали свое отличие от существовавших университетов, в которых опытное естествознание еще было чуждым элементом. Систематическая работа этих академий требовала регулярных публикаций добываемых знаний и вскоре появились периодические научные журналы: Труды Лондонского Королевского общества (1665), Труды Парижской Академии Наук (1692). Появление академий и их периодических изданий создает новые организационные формы развития науки, и означает признание значимости опытного естествознания европейским обществом.

1.2.9. Законы механического движения

Важнейшей проблемой науки в XVII веке были законы движения. Однако существовали препятствия принципиального характера на этом пути. С ними столкнулись уже на примере простейшей задачи о движении шарика по наклонной плоскости. Это движение происходит с переменной скоростью. Хотя интуитивно было понятно, что в каждый отдельный момент времени существует определенная скорость, но она непрерывно меняется. Это так называемая мгновенная скорость является переменной величиной, и для ее строгого определения требовалась новая математика. Значительный вклад в математическое обоснование переменных величин внес Декарт (1596 –1650). Он же сделал решающий шаг в создании системы координат. Эти открытия создали плацдарм для формулировки законов механики.

Честь завершить создание классической механики, начатое Галилеем, Декартом и другими выдающимися умами XVII век, принадлежит Исааку Ньютону (1642–1727). Ему удалось все многообразие механических движений свести к трем законам, известным каждому школьнику как законы Ньютона. В 1687 году были изданы его знаменитейшие Математические начала натуральной философии. Эта книга не только своим названием, но и стилем очень похожа на Начала Евклида. Она также начинается с определений. Приведем для примера только одно: количество материи (масса тела) есть мера таковой, устанавливаемая пропорционально плотности и объему ее. Далее определяется количество движения (импульс) и другие понятия необходимые для изложения механики. После этого формулируются три закона механики, представляющие собой удачную попытку свести всю механику к нескольким принципам или постулатам. Очевидная аналогия с геометрией.

Центральное место занимает второй закон Ньютона, дающий математическую формулировку механического движения в форме уравнения движения. Это уравнение является дифференциальным и для того, чтобы с ним можно было работать, было необходимо создать новую математику – дифференциальное и интегральное исчисления. Такая математика вскоре была создана в работах Ньютона и независимо от него великим немецким математиком Лейбницем (1646 – 1716). Этим был завершен этап создания механики и начался новый – все более широкого и плодотворного ее использования для решения самых различных научных и технических задач.

При построении механики для Ньютона основополагающим был принцип «гипотез я не измышляю». Этим он подчеркивал, что наблюдение и эксперимент являются единственным источником, лежащим в основе его законов. По его словам «из опыта можно вывести основные определения материи, пространства, времени и движения». Поэтому Математические начала натуральной философии служили для многих поколений физиков образцом индуктивного, а, следовательно, абсолютно достоверного знания.

Ньютон сформулировал правила философствования, которые устанавливали ограничения на способы получения научных знаний, а также как использовать эти знания.

32

1.Не должно приниматься в природе иных причин сверх тех, которые истинны и достаточны для объяснения явления.

2.Одинаковым явлениям должно приписывать одинаковые причины.

3.Независимые и неизменные при эксперименте свойства тел, подвергнутых исследованию, принимались за общие свойства материи.

4.Законы индуктивно найденные из опыта, считались верными, пока им не противоречат другие наблюдения.

Если бы мы не следовали первым двум правилам, как это часто бывает в обычной жизни, то получали бы объяснения явлений не обладающие предсказательной силой, следовательно, и не имеющие научной ценности. Четвертое правило тоже очень важно, поскольку оно утверждает, что закон установленный, допустим в Кембридже 1 апреля 1687 года, можно применять в любом другом месте и в любое время.

Анализируя движение Луны вокруг Земли, Ньютон пришел к выводу, что она движется по окружности, потому что участвует в двух движениях – движении по инерции и движении под действием силы притяжения Земли. Зная размеры орбиты Луны и период ее обращения, он смог вычислить силу, действующую на Луну со стороны Земли. Обобщив это открытие, он сделал важнейшее для всей последующей истории науки заключение: все тела во Вселенной взаимно тяготеют друг к другу. Далее он сформулировал это заключение в математической форме, и получил закон всемирного тяготения. Следующим его шагом было применение закона всемирного тяготения и законов движения к движению планет вокруг Солнца. Этот шаг оказался триумфальным, так как он чисто математическим путем из этих законов вывел все три закона Кеплера, тем самым показал, что планеты движутся по законам механики. Это означало, что законы механики, установленные на Земле для сравнительно легких тел, применимы и для космических объектов несравненно большей массы.

В посленьютоновскую эпоху применение закона всемирного тяготения и законов движения к изучению Солнечной системы стало рутинной деятельностью. В частности, было обнаружено, что при более тщательном наблюдении имеются отклонения в движении планет от законов Кеплера. Эти отклонения были объяснены взаимным притяжением планет друг на друга, влияющим на их относительное движение. В результате у астрономов появился возможность предсказывать движение планет с поразительной точностью. И с развитием вычислительных методов эта точность постоянно возрастала. Когда астрономы рассчитали движение Урана, самой далекой из известных тогда планет, и стали сравнивать свои результаты с наблюдениями, то оказалось, что его траектория немного отклоняется от расчетной и никакими уточнениями это расхождение устранить нельзя. Тогда Дж. Адамс и независимо от него У. Леверье, предположив, что траектория Урана возмущается некоторой неизвестной планетой, рассчитали, где она должна быть. После этого Леверье написал письмо астроному И. Галле, в котором указал положение на небе новой планеты и, действительно, именно в предсказанном месте была обнаружена планета, названная позже Нептуном. Так появилась первая планета, открытая «на кончике пера».

Развитая механика с ее поразительными успехами в объяснении земных и астрономических явлений способствовала созданию первой научной картины мира. Согласно Ньютону существуют абсолютное неподвижное пространство, независящее ни от каких внешних факторов, существует также абсолютное время, протекающее равномерно и неподверженное никаким внешним воздействиям. Пространство может быть как пустым, так и заполненным материей, то есть является пассивным вместилищем тел. Материальные тела движутся в этом пространстве, подчиняясь законам инерции и гравитации. Поскольку в механике Ньютона любое последующее состояние системы полностью предопределено ее предыдущим состоянием, то в мире не оставалось места случайности и, поэтому, господствующими были идеи абсолютного детерминизма. Вселенная Ньютону представлялась бесконечной, неизменной и вечной, хотя и имеющей свое начало. Эта картина мира оставалась единственной научной картиной до начала XX века.

33

1.2.10. Развитие представлений о веществе и его превращениях

Химия это наука о свойствах веществ, и их взаимных превращениях. Возможность превращений веществ была известна с очень далеких времен. С такими химическими процессами как горение и растворение человек во все времена сталкивался практически с рождения. Поскольку превращение веществ открывает принципиальную возможность получения новых или очень ценных веществ из достаточно распространенных, то неудивительно, что этим поискам всегда уделялось внимание. В средние века и эпоху Возрождения большое распространение получила алхимия, ставившая своей целью превращение веществ в золото. Несмотря на то, что эта цель оказалась недостижимой, труды алхимиков не пропали даром, поскольку наработанный ими опыт обращения с веществами и химическими реакциям создал предпосылки для быстрого развития химии в XVIII – XIX веках, когда сформировалась классическая химия. Открытия закона сохранения массы в химических реакциях (М.В. Ломоносов и А. Лавуазье), закона постоянства состава (Ж.Л. Пруст), закона простых кратных отношений (Дж. Дальтон), закона Авогадро (А. Авогадро) позволили сформулировать важнейшие для химии понятия: атом, молекула, химический элемент и другие. Огромным вкладом в систематизацию химических знаний было открытие периодического закона Д.И. Менделеевым в 1869 году. С этого времени химические процессы анализируются в рамках атомно-молекулярных представлений. В этих представлениях атомы были маленькими шариками с неизвестной внутренней структурой, способные почему-то взаимодействовать друг с другом, образуя молекулы. Природу химической связи удалось объяснить только после создания квантовой теории в конце 20 годов XX века. Это позволило перейти на качественно новый уровень понимания механизмов химических реакций, что в свою очередь открыло небывалые возможности в создании новых веществ с необходимыми свойствами. Другим важным направлением современных химических исследований является изучение химического состава и химических процессов, протекающих в живых организмах.

II.СТРОЕНИЕ МАТЕРИИ

2.1.Вещество и поле

Следуя традициям, сложившимся в физике, различают два вида материи: вещество и поле. К первому из них относятся атомы, молекулы и все построенные из них тела. Поле — особая форма материи, наделенная реальными физическими свойствами, такими как энергия, импульс и другими. К наиболее известным относятся электромагнитное и гравитационное поля. В классической физике эти два вида материи противопоставляются на том основании, что вещество рассматривается как дискретная, корпускулярная субстанция, а поле — как непрерывная. В макромире это противопоставление имеет под собой вполне надежное обоснование. В микромире же полевые и корпускулярные аспекты объединяются и представляют собой различные проявления единой, принципиально новой сущности микрочастиц. Другими словами, на микроуровне типичные поля, например, электромагнитное, проявляют корпускулярные свойства, и наоборот, частицы, например, электрон, атом могут вести себя как типичные поля, проявляя волновые свойства.

2.2. Уровни организации материи

Древние китайские мудрецы предложили следующий мысленный эксперимент: “Отрезай по половине от метровой трости каждый день — не закончишь и через миллион лет”. Этот эксперимент является подходящей аллегорией к тому, чем занимаются физики в поисках мельчайших составляющих материи.

За время своего развития мы примерно 60 раз “отрезали по половине трости”, достигнув размеров 10–16 см. Примерно на тридцатом шаге (10–8 см) были обнаружены

34

первые гранулы материи — атомы, казавшиеся сначала неделимыми. В дальнейшем выяснилось, что атомы состоят из электронов и ядер. Ядра в свою очередь состоят из нуклонов1 — нейтронов и протонов. В настоящее время надежно установлено, что нуклоны также не являются простыми неделимыми частицами, а состоят из кварков. Существуют указания на то, что этот процесс будет продолжаться и далее.

Оказалось, что несмотря на свое сложное строение большинство этих “элементарных” частиц являются достаточно стабильными. Это означает, если не предпринимать значительных усилий, направленных на их разрушение, то они остаются неизменными. Например, в подавляющем большинстве окружающих нас явлений атомы сохраняют свою целостность, поэтому они могут очень часто рассматриваться как неизменные кирпичики мироздания.

Микрочастицы могут объединяться, образуя макротела, которые также вполне определенным образом структурированы. Изучение окружающего нас пространства показало, что в нем существует целая иерархия структур, различающихся своими масштабами. К наименьшим космическим объектам относятся планеты, кометы, астероиды. Далее идут звезды и планетные системы. Звезды, в свою очередь объединяясь, образуют галактики, галактики — скопления галактик. Скопления галактик тоже распределены во Вселенной неравномерно, а концентрируются в плоскостях, образуя ячеистую структуру.

Таким образом, окружающий нас мир на всех уровнях имеет выраженную структуру, и одной из основных задач естествознания является выяснение причин устойчивости всех этих структур.

2.3. Фундаментальные взаимодействия

Раздумывая над вопросами, почему Луна движется вокруг Земли не покидая ее, почему Земля в свою очередь движется вокруг Солнца, почему тела падают на Землю, а не наоборот, естествоиспытатели пришли к выводу, что все материальные тела притягиваются друг к другу с силой обратно пропорциональной квадрату расстояния между ними и назвали эту силу — силой всемирного тяготения или силой гравитации. В гравитационных взаимодействиях участвуют все известные частицы, потому что все они обладают наиболее универсальным свойством — массой. Для жителей Земли большое значение имеет сила притяжения планеты или сила тяжести.

Большинство элементарных частиц имеет электрический заряд, с которым связано так называемое электромагнитное взаимодействие. В природе существует два типа электрического заряда — положительный и отрицательный. Поскольку разноименные электрические заряды притягиваются друг к другу, а одноименные отталкиваются, то оказывается, что макроскопические тела, как правило, являются электрически нейтральными. Это приводит к тому, что на макроскопическом уровне электромагнитные силы не играют заметной роли. По этой же причине в астрономических масштабах электромагнитное взаимодействие звезд пренебрежимо мало, по сравнению с гравитационным: распределение и движение звезд и межзвездной среды определяет только тяготение.

Тем не менее, электромагнитные взаимодействия в нашей жизни играют огромную роль. Именно эти силы ответственны за стабильность атома, они же определяют строение молекул и протекание химических реакций. Хотя атомы электрически нейтральны и на расстояниях в несколько ангстрем практически не взаимодействуют друг с другом, на малых расстояниях электрические взаимодействия между электронами и ядрами атомов становятся значительными, что и приводит к существованию устойчивых молекул. Все окружающие нас макротела состоят из атомов и молекул, поэтому их устойчивость и наблюдаемые свойства также обусловлены электромагнитными силами.

1 Нейтрон и протон получили единое название — нуклон, потому что внутри ядра они ведут себя как совершенно одинаковые частицы. Это и дает основание рассматривать их как два разных зарядовых состояния одной и той же частицы.

35

Кроме этого, электромагнитные явления нашли широчайшее применение в технике. Изучив законы электромагнетизма, человечество научилось управлять этими явлениями, что в конечном счете позволило создать электростанции, радио, телевидение, компьютеры и многое другое, чем каждый из нас пользуется ежедневно. Эти достижения коренным образом изменили весь уклад нашей жизни и без них уже невозможно представить современного человека.

После того как стало известно строение атомного ядра, в состав которого входят нейтроны и положительно заряженные протоны, встал вопрос о том, что удерживает от разлета отталкивающиеся друг от друга с огромной силой одноименно заряженные частицы. Те же силы, которые удерживают электрон в атоме должны были бы мгновенно разрушить ядро. Этого, однако не происходит — огромное количество ядер чрезвычайно устойчиво и они могут существовать сколь угодно долго. Для объяснения устойчивости ядер были введены так называемые ядерные силы. Эти силы обеспечивают притяжение между нуклонами, причем значительно более мощное, чем электромагнитное отталкивание. Именно поэтому, данное взаимодействие назвали сильным. В дальнейшем выяснилось, что эти силы обладают очень малым радиусом действия и они практически не проявляются на расстояниях, превышающих размер атомного ядра (1013 см). Другими словами, ядерные силы являются короткодействующими, в противоположность гравитационным и электромагнитным.

Для объяснения некоторых превращений нуклонов, например, распад нейтрона на протон, электрон и нейтрино, точнее антинейтрино, n p e− u 2 пришлось ввести еще один вид взаимодействия — слабое.

Слабые силы как и ядерные являются короткодействующими.

Таким образом, согласно современным представлениям, в природе существует всего четыре фундаментальных взаимодействия:

♦гравитационное

♦электромагнитное

♦сильное

♦слабое

Все встречающиеся в природе взаимодействия являются проявлением одного из названных взаимодействий или их комбинации. Количественно каждое фундаментальное взаимодействие характеризуется безразмерной константой взаимодействия и радиусом действия.

Из таблицы видно, что самым слабым является гравитационное взаимодействие, поэтому в микромире это взаимодействие существенной роли не играет. Тем не менее, ему принадлежит определяющая роль в макропроцессах. Например, движение планет, течение рек полностью определяется гравитационным взаимодействием. Значительно более интенсивным является слабое взаимодействие, безразмерная константа которого на 24 порядка больше, чем у гравитационного. Еще более мощным является электромагнитное

2 Для обозначения античастиц используют обычно ту же букву, что и для частиц, но со знаком тильды.

36

взаимодействие.

2.4. Элементарные частицы

Согласно современным представлениям, материя дискретна. Все несметное многообразие окружающих нас макрообъектов обусловлено многообразием возможных сочетаний, сравнительно небольшого числа микрообъектов, таких как электрон, протон, нейтрон и т.д.

Обычно элементарными частицами называют такие частицы, которые не удается расщепить на составные части. В соответствии с этим определением атомы и их ядра не являются элементарными частицами, но таковыми следует считать электроны, протоны и нейтроны. Однако стоит подчеркнуть, что нуклоны не отвечают наивному представлению об элементарности, так как имеют заметные размеры и сложную внутреннюю структуру. Термин “элементарные частицы” также как и многие другие физические термины, не следует воспринимать слишком буквально, поскольку он достался по наследству от прошлых времен,

алучшего пока не придумали.

Кшироко распространенным элементарным частицам относятся также фотон — частица света и электрически нейтральное нейтрино3. Эта удивительная частица была теоретически предсказана немецким физиком Паули в 1930 году. Нейтрино подвержено только действию слабых сил, поэтому его взаимодействие с веществом оказывается настолько ничтожным, что оно легко проходит сквозь Землю.

Далее было установлено, что каждая элементарная частица имеет двойника — античастицу. Частицы отличаются от соответствующих им античастиц только знаком

зарядов, все же количественные характеристики, в том числе и время жизни, абсолютно одинаковые. Это означает, что в системе, состоящей из частицы и античастицы все суммарные заряды равны нулю.

Нейтрино, фотоны, электроны и протоны — стабильные частицы, по крайней мере, согласно современным представлениям время их жизни значительно больше времени жизни Вселенной. Находясь в составе ядра нейтрон живет сколь угодно долго, но свободный нейтрон имеет время жизни примерно равное 20 минутам, затем он распадается. Следует иметь в виду, что продукты распада — протон, электрон и антинейтрино — не являются составными частями нейтрона, а рождаются в момент его распада. Кроме названных, известно еще несколько сотен нестабильных частиц, время жизни которых лежит в интервале от 10–24 до 10–6 с.

Всем элементарным частицам присущи две черты. Во-первых, все частицы, пока существуют остаются неизменными и все частицы одного сорта абсолютно одинаковые, другими словами, — неразличимые. Во-вторых, частицы могут рождаться и исчезать. Например, при столкновении протона и антипротона оба они исчезают, а вместо их образуется несколько фотонов. С другой стороны, при столкновении двух или более достаточно энергичных частиц рождается множество новых. Известны случаи, когда две частицы порождали сотни новых частиц и все они — не осколки столкнувшихся, а полноценные, родившиеся заново частицы.

Существование столь большого количества элементарных частиц требует их классификации. Все частицы разбиты на два класса. К первому классу относятся частицы, участвующие в сильных взаимодействиях, такие частицы назвали адронами. Ко второму классу относятся частицы не участвующие в сильных взаимодействиях — лептоны4. В свою очередь лептоны делятся на пары: электрон и нейтрино электронное; мюон и нейтрино

мюонное; τ-лептон и нейтрино τ-лептонное. Электрон, мюон и τ-лептон имеют одинаковый электрический заряд, различаются же они прежде всего массой. Мюон тяжелее электрона в

3 Существует три различных вида нейтрино.

4 Лептон означает легкий. Это название класса связано с тем, что первоначально в него входили только легкие частицы, но после открытия τ-лептона название потеряло свой первоначальный смысл.

37

адронов и не наблюдаются как изолированные частицы. В состав нейтрона и протона входят u-кварк и d-кварк. Первый, u-кварк имеет электрический заряд (2/3)e и d-кварк — (–1/3)e, где е — элементарный заряд, равный заряду протона. Протон состоит из трех кварков (u,u,d),

нейтрон тоже из трех, но в другой комбинации — (u,d,d). π-мезоны состоят из различных комбинаций двух частиц — кварка и антикварка, например, p− = u d . Здесь тильда над символом обозначает соответствующую античастицу. Кварки участвуют в сильных взаимодействиях, что и удерживает их внутри соответствующих частиц.

Причиной сильного взаимодействия кварков является особый заряд, называемый цветом. Только частицы, обладающие цветом могут участвовать в сильных взаимодействиях, в частности, лептоны нейтральны, или бесцветны, и поэтому в сильных взаимодействиях не участвуют. Безусловно, здесь цвет не имеет ничего общего с обиходным представлением об этом понятии. Взаимодействие частиц, обладающих цветом, исключительно своеобразно, а именно: сила взаимного притяжения частиц не уменьшается с ростом расстояния между ними, более того, она нарастает. В результате кварки не наблюдаются в свободном состоянии, потому что их невозможно разъединить. В наблюдаемых адронах цветные заряды трех кварков скомпенсированы. Из этого следует, что существует три различных цвета, три различных заряда. То есть имеется три сорта или цвета каждого кварка u и каждого кварка d. Нумеруя цвета индексами i=1,2,3, получим условие компенсации цвета: в протоне должны присутствовать кварки всех трех цветов p= u1u2d3. С цветными зарядами, как и с электрическими, связано поле, получившее название глюонного.

Оказалось, что кроме пары кварков u и d существует еще две пары: c и s; t и b. Последним был открыт в 1995 году самый тяжелый — t-кварк, масса которого была предсказана теоретически, как и процесс, в котором можно наблюдать его распад. Это является одним из наиболее убедительных свидетельств в пользу того, что мы находимся на правильном пути к пониманию закономерностей, присущих элементарным частицам.

Часто говорят, что кварки различных типов отличаются друг от друга своим ароматом. Конечно, никакого отношения к привычному понятию об аромате этот термин не имеет. Слово аромат употребляется здесь как синоним слова тип или сорт. Между кварками различных ароматов и лептонами существует глубокая симметрия. Эту симметрию отражает таблица. Именно, на основе этой симметрии было предсказано существование трех кварков: c-, b- и t-кварков.

Лептоны и кварки называют также фундаментальными частицами, подчеркивая тем самым, что они представляются нам бесструктурными. Всего имеется 24 фундаментальных частиц. Как видно из приведенной таблицы, двенадцать лептонов и кварков разбиваются на три группы или три поколения фундаментальных частиц. Самые легкие частицы образуют первое поколение. В каждом последующем поколении заряженные частицы тяжелее, чем в предыдущем.

Частицы первого поколения вместе с фотонами являются той материей, из которой построена современная Вселенная. Что касается частиц второго и третьего поколений, то их роль в современном мире кажется ничтожной. Однако на ранних этапах развития Вселенной эти частицы играли важную роль.

2.5. Как взаимодействуют частицы

Взаимодействие и движение — формы существования материи. Существование

38

любого объекта проявляется через его взаимодействие с другими объектами. Гипотетический объект, который бы не взаимодействовал ни с какими другими телами, никак бы не мог проявить себя, другими словами, информация о нем была бы нулевой, и он для них просто бы не существовал.

Характерным свойством всех фундаментальных взаимодействий является то, что участвующие в них частицы могут взаимодействовать, находясь на значительном расстоянии друг от друга. В связи с этим возникает вопрос: как передается взаимодействие от одной частицы к другой. Как одна частица узнает о присутствии другой на расстоянии?

Согласно современным представлениям, взаимодействие на расстоянии передается через поле. С каждым зарядом связано специфическое поле, заполняющее окружающее пространство. Например, любая масса порождает вокруг себя гравитационное поле, электрический заряд — электромагнитное поле и так далее. Любая частица, попадая в такое поле, испытывает его воздействие. Сила такого воздействия и является мерой интенсивности поля. Замечательным свойством таких полей является возможность их излучения соответствующим зарядом. Будучи излученным, поле уже существует независимо от излучившего его заряда и может распространятся в виде волн на огромные расстояния, перенося информацию об объекте их породившем. Наиболее изученными являются гравитационное и электромагнитное поля. В отличие от электромагнитных волн, которые не только изучены, но и нашли широкое применение в технике, гравитационные волны предсказаны теоретически, но до сих пор не были зарегистрированы экспериментально. Отсутствие данных о гравитационных волнах связано, как нам сейчас представляется, с тем, что они чрезвычайно слабо должны взаимодействовать с веществом, и современные установки не обладают достаточной чувствительностью, чтобы зарегистрировать их.

Значительные изменения в наши представления о том, как взаимодействуют частицы, были внесены в результате развития квантово-механических концепций. Согласно квантовой механике, любое поле должно квантоваться, то есть поле должно состоять из особых частиц, называемых квантами поля. Квантами электромагнитного поля являются фотоны, гравитационного — гравитоны. Как и все частицы в рамках квантово-механического описания, кванты любого поля обладают свойствами и частиц, и волн в классическом понимании этих объектов. При этом, чем меньше область пространства и чем короче промежуток времени, в течении которого мы наблюдаем поле, тем больше проявляются квантовые свойства поля. Например, квантовые свойства гравитационного поля должны проявляться лишь на расстояниях, сравнимых с планковской длиной l »10−33 см, и временах

порядка планковского времени t »10−43 с. В силу чрезвычайно малых значений этих величин следует ожидать, что в любом обозримом будущем не удастся поставить эксперименты, в которых могли бы проявить себя квантово-гравитационные эффекты. Поэтому, теоретические исследования вопросов квантовой гравитации остаются единственной возможностью продвижения вперед. Тем не менее существуют явления, в которых квантово-гравитационные эффекты не только проявляются, но и играют определяющую роль. К ним относится гравитационный коллапс — катастрофическое сжатие достаточно массивных звезд на поздних стадиях эволюции, а также Большой Взрыв, в результате которого родилась Вселенная. На определенном этапе эволюции размер коллапсирующей звезды и Вселенной оказываются меньшими планковской длины. Следовательно, понимание физики Большого Взрыва на его ранних этапах, как и коллапса звезд, возможно лишь в рамках квантовой теории гравитации.

Электромагнитное поле, в отличие от гравитационного, сравнительно легко позволяет наблюдать его квантовые свойства, поэтому они хорошо изучены. Например, к рутинным относятся эксперименты, в которых точно подсчитывается число фотонов, участвующих в тех или иных процессах. У коротковолнового электромагнитного излучения корпускулярные

свойства выходят на первый план и наблюдать волновые свойства, например у γ-квантов, становится достаточно сложно.

Из современных теоретических исследований вытекает, что гравитационное

39

взаимодействие переносится гравитоном. Гравитон является безмассовой частицей, движущейся со скоростью света и обладающей спином равным 2. Спин — это внутренняя характеристика элементарной частицы, являющаяся квантовым аналогом вращения частицы вокруг своей оси. Мерой вращения является момент импульса, который в квантовой механике принято измерять в единицах постоянной Планка ћ. Ее численное значение ћ

=1,05 10−34 Дж с. Именно это ее значение задает масштаб явлений, в которых квантовые свойства системы становятся важными. Когда говорят, что спин частицы равен 2, то имеют в виду, что внутренний момент импульса частицы равен 2ћ. Частица испускает гравитон,

уносящий импульс и энергию, в силу чего состояние ее движения изменяется. Другая частица поглощает гравитон и также изменяет состояние своего движения. В результате возникает воздействие одной частицы на другую.

Совершенно аналогично осуществляется электромагнитное взаимодействие. Заряженная частица испускает фотон, в силу чего состояние ее движения изменяется. Другая заряженная частица поглощает этот фотон и также изменяет состояние своего движения. В результате, частицы отталкиваются или притягиваются друг к другу. Фотон как и гравитон является безмассовой частицей со спином 1. Именно, благодаря безмассовости переносчиков гравитационного и электромагнитного взаимодействия, эти взаимодействия являются дальнодействующими.

Слабое взаимодействие ответственно, прежде всего, за превращение одних элементарных частиц в другие. Наиболее известный пример проявления слабого

взаимодействия — это бета-распад нейтрона n p e− νe . Здесь n — нейтрон, p —

протон, e− — электрон, νe — электронное антинейтрино. Слабое взаимодействие является

короткодействующим. Это значит, что слабое взаимодействие начинает проявляться, если частицы находятся достаточно близко друг к другу. Проблема экспериментального выявления переносчиков слабого взаимодействия оказалась чрезвычайно сложной и ее удалось решить совсем недавно, хотя теоретически эти переносчики и их свойства были предсказаны значительно раньше. Согласно современным представлениям, переносчиками слабого взаимодействия являются так называемые W ,W− и Z0 — бозоны. Их также называют векторными бозонами. Индекс указывает величину электрического заряда в единицах заряда протона. Эти частицы обладают спином равным 1 и большой, по меркам микромира, массой, равной по порядку величин ста массам протона. Большая масса этих частиц являлась основным препятствием на пути их регистрации в экспериментах. Кроме того, большая масса покоя переносчиков слабого взаимодействия приводит к тому, что оно является исключительно короткодействующим, так как радиус взаимодействия обратнопропорционален массе частиц переносчиков.

Как уже отмечалось, в сильных взаимодействиях участвуют только адроны — частицы, состоящие из кварков. Взаимодействие между адронами есть проявление взаимодействия между входящими в них кварками. Таким образом, чтобы понять как взаимодействую адроны, нужно понять как взаимодействуют кварки. Согласно существующей теории сильных взаимодействий, получившей название квантовой хромодинамики, переносчиками сильного взаимодействия являются элементарные частицы

— глюоны. Глюоны — безмассовые частицы со спином 1, обладающие цветом. Напомним, что цветом называют особый заряд, ответственный за сильные взаимодействия. Всего существует восемь типов глюонов. Взаимодействие адронов представляется следующим образом. Кварк, входящий в состав адрона, испускает глюон, в силу чего состояние движения адрона меняется. Этот глюон поглощается кварком, входящим в состав другого адрона, и меняет его состояние движения. В результате, возникает взаимодействие адронов друг с другом.

Отличительная черта кварк-кваркового взаимодействия состоит в том, что с

40