Моделирование в физике элементарных частиц
МИНИСТЕРСТВО НАУКИ И ОБРАЗОВАНИЯ РЕСПУБЛИКИ КАЗАХСТАН
СЕМИПАЛАТИНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ИМЕНИ ШАКАРИМА
КАФЕДРА ОБЩЕЙ ФИЗИКИ
Тема: «Моделирование в физике элементарных частиц»
Семипалатинск 2004
Содержание
|Введение |3 |
|Математическое моделирование в физике |5 |
| |11 |
|2. Историческое развитие теории моделирования элементарных | |
|частиц | |
| 2.1 Три этапа в развитии физики элементарных частиц |- |
|2.2 Первые модели элементарных частиц |13 |
| 2.3 Элементарные частицы и фундаментальные |20 |
|взаимодействия. | |
|2.4 Современная модель нейтрона |23 |
|2.5 Электрический дипольный момент элементарных частиц |31 |
|3. Кварковая модель элементарных частиц |36 |
| 3.1 Существование кварков |- |
|3.2 Кварковая модель адронов |40 |
| | |
|4. Практическая часть |47 |
| 4.1 Методика изучения темы «Элементарные частицы» |48 |
| |50 |
| |52 |
| |57 |
| |58 |
|Заключение |60 |
| Список используемой литературы |63 |
| Приложения |64 |
Введение
Информация об элементарных частицах растет день ото дня: сегодня об них
известно чрезвычайно много. Однако до сих пор усилия по созданию единой
модели этих частиц, позволяющей объяснить все явления, остаются тщетными.
Все огромные усилия в этом направлении приводили только к созданию
различных моделей, более или менее успешно объясняющих лишь ту или иную
группу явлений. И это не должно нас удивлять. Мы знаем, что любая модель в
состоянии охватить лишь часть действительности. Мы уже давно убедились в
том, что к объектам, размеры которых равны либо меньше длины волны света,
давно привычные понятия не применимы. Мир элементарных частиц окружен еще
более высоким барьером, чем тот, что стоял перед нами при проникновении в
электронную оболочку атома. В этом новом мире все попытки описать явления с
помощью наивных наглядных представлений тщетны. «Немыслимым становится
реальным событием» - это напоминание призывает нас к особой осторожности.
Современная физика элементарных частиц – это грандиозная наука, где триумфы
следуют друг за другом, часто неся взрывной характер, и представляют собой
необходимые закономерные фазы беспредельного во времени и пространстве
процесса эволюции материи. Всё это необходимо знать современному человеку и
понимать, что новые воззрения на строение атома и элементарные частицы
явились, прежде всего, результатом блестящего каскада «диковинных»
открытий, а сами открытия стали возможны благодаря научно-техническому
прогрессу, благодаря оснащению новыми приборами и новыми методами
исследования.
В данной работе я попытаюсь ответить на вопрос: Как устроены элементарные
частицы? Какие модели элементарных частиц предлагали и выдвигают ученные
сегодня?
Совсем недавно в школьных учебниках на уровне молекул и атомов появилось
понятие "валентность"; на уровне ядер - понятие дефекта массы, которое
позволило рассматривать легкие (даже без массы) объекты построенными из
более тяжелых частиц. Дефект масс для ядер сказывается в том, что масса
ядер меньше массы нуклонов (нейтронов и протонов) в ядрах, что
обусловливает их связь.
В науке на уровне элементарных частиц утвердилось понятие виртуальной
частицы, то есть частицы, существующей очень короткое время ~h/m и
отлетающей от испускающей ее частицы на расстояние h/p, где m и p - масса и
импульс виртуальных частиц. Понятие виртуальной частицы нетривиально. Есть
вопрос о правомерности применения к ней слова "существующей". Может быть,
это лишь след математического описания? Представление о виртуальной частице
как реальности противоречит законам сохранения энергии и импульса. К
примеру, когда говорят, что нуклон окружен "шубой" пионов или нуклоны
взаимодействуют, обмениваясь пионами, говорят о виртуальных пионах.
Существуют ли они? Сегодня можно смело ответить: да. Но на малые промежутки
времени и на малых расстояниях. Виртуальные частицы могут - реализоваться,
если передать им энергию так, чтобы их образование не противоречило закону
сохранения импульса и энергии. Осознание этой возможности приводит к ярким
картинам, например движущееся тело с энергией, соответствующей нескольким
ГэВ/нуклон, "выворачивает" из вакуума вдоль своей траектории куски вещества
и антивещества.
Уже сегодня быстрые протоны образуют пары дейтрон-антидейтрон, гелий-
антигелий. Сам вакуум непрерывно кипит, порождая самые разнообразные
виртуальные частицы.
На уровне кварков мы встретились с новым, неожиданным и пока до конца
непонятым явлением - конфайментом, невылетанием кварков. Кварки, как мы
увидим, частицы с дробным электрическим и барионным зарядами и новым
квантовым числом - цветом, не могут быть в свободном состоянии, они
замкнуты в области порядка размера элементарных частиц. В ряде моделей
считается, что кварки "живут" в пузырьках в вакууме и удерживаются
поверхностным давлением этих пузырьков.
Уже создана теория, так называемая квантовая хромодинамика, которая
описывает поведение кварковых систем в вакууме.
Квантовохромодинамические расчеты на качественном уровне, а для некоторых
случаев (например, водородоподобных систем из двух тяжелых кварков) на
точном количественном уровне описывают экспериментальные данные.
Понятия о кварках и их свойствах, конечно, непросты и непривычны. Это
мировоззренческое достижение современной физики, и потому оно с
неизбежностью должно войти в школьные учебники.
1. Математическое моделирование в физике
Понятие модели
Нас окружают сложные технические системы. В процессе проектирования новой
или модернизации существующей технической системы решаются задачи расчета
параметров и исследования процессов в этой системе. При проведении
многовариантных расчетов реальную систему заменяют моделью.
Модель – это материальный или мысленно представленный объект, который в
процессе познания (изучения) замещает оригинал, сохраняя некоторые важные
для данного исследования типичные свойства.
В широком смысле модель определяют как отражение наиболее существенных
свойств объекта.
Математическая модель технического объекта - совокупность математических
объектов и отношений между ними, которая адекватно отражает свойства
исследуемого объекта, интересующие исследователя.
Хорошо построенная модель доступнее для исследования – нежели реальный
объект. Например, недопустимы эксперименты с элементарными частицами для
школьников страны в познавательных целях, здесь без модели не обойтись.
Модель может быть представлена различными способами.
инвариантная - запись соотношений модели с помощью традиционного
математического языка безотносительно к методу решения уравнений модели;
аналитическая - запись модели в виде результата аналитического решения
исходных уравнений модели;
алгоритмическая - запись соотношений модели и выбранного численного метода
решения в форме алгоритма.
схемная (графическая) - представление модели на некотором графическом языке
(например, язык графов, эквивалентные схемы, диаграммы и т.п.);
физическая
аналоговая
Наиболее универсальным является математическое описание процессов -
математическое моделирование.
В понятие математического моделирования включают и процесс решения задачи
на ЭВМ.
Обобщенная математическая модель
Математическая модель описывает зависимость между исходными данными и
искомыми величинами. Элементами обобщенной математической модели являются
(рис. 1):
множество входных данных (переменные) X,Y;
X - совокупность варьируемых переменных; Y - независимые переменные
(константы);
математический оператор L, определяющий операции над этими данными; под
которым понимается полная система математических операций, описывающих
численные или логические соотношения между множествами входных и выходных
данных (переменные);
множество выходных данных (переменных) G(X,Y); представляет собой
совокупность критериальных функций, включающую (при необходимости) целевую
функцию.
[pic]
Рис. 1.
Математическая модель является математическим аналогом проектируемого
объекта. Степень адекватности ее объекту определяется постановкой и
корректностью решений задачи проектирования. Множество варьируемых
параметров (переменных) X образует пространство варьируемых параметров Rx
(пространство поиска), которое является метрическим с размерностью n,
равной числу варьируемых параметров. Множество независимых переменных Y
образуют метрическое пространство входных данных Ry. В том случае, когда
каждый компонент пространства Ry задается диапазоном возможных значений,
множество независимых переменных отображается некоторым ограниченным
подпространством пространства Ry. Множество независимых переменных Y
определяет среду функционирования объекта, т.е. внешние условия, в которых
будет работать проектируемый объект.
Это могут быть:
- технические параметры объекта, не подлежащие изменению в процессе
проектирования;
- физические возмущения среды, с которой взаимодействует объект
проектирования;
- тактические параметры, которые должен достигать объект проектирования.
Выходные данные рассматриваемой обобщенной модели образуют метрическое
пространство критериальных показателей RG.
Схема использования математической модели в системе автоматизированного
проектирования показана на рис.2.
Страницы: 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10
