подтвердил. Юкава показал, что ядерные силы могут быть объяснены как
результат обмена между нуклонами частицами с массой больше массы электрона
и меньшей массы нуклонов (частицы получили название мезонов-промежуточных
частиц), которые и были обнаружены в космических лучах. Переносчиками
ядерных сил оказались положительно и отрицательно заряженные мезоны с
массой, равной 273 массам электрона, получившие название (-мезонов или
пионов. У нейтральных мезонов масса оказалась равной 264 массам электрона.
Дирак высказал мысль о существовании античастицы для электрона, которая
была открыта и названа позитроном. Оказалось, что свойством элементарных
частиц является существование античастиц , имеющих противоположный заряд и
противоположно направленные механический и магнитный моменты. При
столкновении частицы и античастицы происходит аннигиляция, т.е. их
уничтожение с возникновением других частиц. Так, столкновение электрона и
позитрона дает два фотона, протона и антипротона - четыре мезона и т.д.
У частиц было установлено также свойство спонтанного превращения.
Элементарные частицы имеют "время жизни" - среднее время своего
существования. В настоящее время к числу стабильных частиц с бесконечным
временем существования относят электроны и позитроны. К стабильным относят
также протоны и антипротоны (хотя высказываются соображения о конечном
сроке жизни протонов), а также нейтрино, антинейтрино, фотоны. К настоящему
времени назрела необходимость в классификации элементарных частиц (подобной
периодической системе Д.И.Менделеева). Эта работа далеко не завершена.
б) Современные представления о характере фундаментальных физических
взаимодействий и типах элементарных частиц
В физике под взаимодействием понимается воздействие тел или частиц друг
на друга, приводящее к изменению состояния их движения. В механике Ньютона
взаимодействия характеризуются силой, более общей характеристикой
взаимодействия является потенциальная энергия. В трактовке взаимодействия
исторически сменяли друг друга разные концепции. Первой возникла концепция
дальнодействия, сущность которой заключается в представлении, что
взаимодействие между телами может осуществляться непосредственно через
пустое пространство, которое участвует в передаче взаимодействия не
принимает, причем передача взаимодействия происходит мгновенно. После
открытия электромагнитного поля возникла концепция близкодействия. Было
установлено, что взаимодействие электрически заряженных частиц
осуществляется не мгновенно, а с некоторой конечной скоростью, равной
скорости света. Электромагнитное поле выступает посредником, осуществляющим
передачу взаимодействия между электрически заряженными частицами. Данная
концепция была перенесена и на другие взаимодействия. В рамках данной
концепции взаимодействия между телами осуществляется посредствам
разнообразных полей. В рамках квантовой теории трактовке взаимодействия был
придан квантовый характер. Поскольку каждое тело состоит из квантов, то,
например, электромагнитное взаимодействие осуществляется путем обмена
фотонами и т.п.
Существует четыре разновидности взаимодействия (сил), которые физики
надеются представить как проявление одной и той же силы (взаимодействия).
Оказалось. что классификацию элементарных частиц удобнее всего осуществлять
по типам их взаимодействий.
Все известные частицы принято разделять на две группы, в одну из которых
входят частицы со спином 1/2 (из них состоит вещество Вселенной), а в
другую - частицы со спином 0, 1 и 2 (создающие силы, действующие между
частицами вещества).Первые подчиняются принципу запрета Паули, (гласящему,
что две одинаковые частицы не могут существовать в одном и том же
состоянии). Если бы не действовал принцип Паули, кварки не смогли бы
объединится в протоны и нейтроны, которые, в свою очередь, вместе с
электронами не смогли бы объединиться в атомы. В 1928 г. П.Дирак разработал
теорию, описывающую эти частицы, которая согласовывалась и с квантовой
механикой, и со специальной теорией относительности. Теория объяснила,
почему электрон со спиной 1/2 при одном полном обороте не возвращается в
прежнее положение и возвращается в него лишь при двукратном обороте. Эта
теория предсказывала также существование позитрона (антиэлектрона).
Оказалось, что каждой частице соответствует античастицы, которые при
столкновении аннигилируют (уничтожаются).
Силы между частицами вещества переносятся частицами с целочисленным
спином, равным 0, 1 или 2. Эти частицы-переносчики не подчиняются принципу
запрета Паули. Это значит, что ограничения для числа обмениваемых частиц
отсутствуют, поскольку возникающая сила взаимодействия может быть большой:
Первая из них - гравитационная сила, имеющая универсальный характер.
Любая частица находится под действием гравитационной силы. Ее величина
зависит от массы или энергии частицы. Гравитационная сила действует на
больших расстояниях и всегда выступает как сила притяжения. Гравитационные
силы по сравнению с другими очень слабые. Считается, что гравитационная
сила, действующая между двумя частицами, переносится частицей со спином 2
(ее называют гравитон). Гравитон собственной массой не обладает, поэтому
переносимая им сила является дальнодействующей. Считается, что гравитоны
распространяются в виде гравитационных волн, которые пока зафиксировать не
удается вследствие их слабой силы.
Вторая сила - электромагнитная, действующая между электрическими
заряженными частицами. Электромагнитные взаимодействия значительно сильнее
гравитационных. Существуют два вида электрического заряда - положительный и
отрицательный. Между двумя положительными или отрицательными зарядами
действует сила отталкивания, между положительным и отрицательным - сила
притяжения. В больших телах электромагнитная сила слаба, поскольку в них
положительных и отрицательных зарядов почти одинаково и они компенсируют
друг друга. В малых масштабах ситуация иная - в атомах и молекулах
доминируют электромагнитные силы.
Третий тип - слабое взаимодействие, отвечающее за радиоактивность и
существующее между всеми частицами вещества со спином 1/2 - в нем не
участвуют частицы со спином 0, 1, 2 (фотоны и гравитоны). В1967 г. А.Салам
и С.Вайнберг разработали теорию, объединяющую слабое взаимодействие и
электромагнитное (подобно объединению Максвеллом электричества и
магнетизма). (Несколько позже к ним присоединился Ш.Глэшоу.) Теория
предсказывала, что частицы, совершенно различные при низких энергиях, при
высоких энергиях оказываются одной и той же частицей, но находящейся в
разных состояниях.
Четвертый тип - сильное ядерное взаимодействие, удерживающее кварки
внутри протона и нейтрона, а протоны и нейтроны - внутри атомного ядра.
Переносчиком этого типа взаимодействия считается частица со спином 1 -
глюон. Глюоны взаимодействуют лишь с глюонами и кварками.
Существует идея объединить электромагнитное, слабое и сильное
взаимодействия в теорию великого объединения (на самом деле она не столь
великая, поскольку не учитывает гравитацию, но создание такой теории
явилось бы шагом на пути к созданию полной теории объединения, охватывающей
все четыре типа взаимодействия - подробнее о концепции объединения физики
см. раздел 6). Идея великого объединения заключается в следующем. Известно,
что сильные взаимодействия при высоких энергиях становятся слабее, чем при
низких. Электромагнитные же и слабые силы при высоких энергиях растут. При
каком-то очень большом значении энергии эти три силы могли бы сравняться
между собой и стать разновидностями одной силы - при этом частицы со спином
1/2 (кварки и электроны) перестали бы различаться. Препятствие на этом пути
заключается в том, что для ускорения частиц до такой энергии понадобился бы
ускоритель размером с Солнечную систему.[19] Так что возможности
экспериментально проверить теорию великого объединения нет. Однако возможна
проверка низкоэнергетических следствий. Одно из таких следствий -
возможность распада протонов, составляющих большую часть массы обычного
вещества на более легкие частицы (антиэлектроны).
Такого рода эксперименты, позволяющие дать определенные сведения о
распаде протона, затруднены. Однако, как полагает С.Хокинг,[20] не
исключено, что само наше существование есть следствие обратного процесса -
процесса образования протонов или кварков на самой начальной стадии, когда
кварков не больше, чем антикварков. Он полагает, что такая картина начала
Вселенной выглядит наиболее естественной. Ведь земное вещество в основном
состоит из протонов и нейтронов, состоящих в свою очередь из кварков. В
нашей Галактике тоже нет ни антипротонов, ни антинейтронов (за исключением
тех случаев, когда они рождаются в столкновениях частицы и античастицы при
высоких энергиях) - если бы наша Галактика имела участки антивещества, то
на границе раздела вещества и антивещества наблюдалось бы излучение высокой
энергии вследствие аннигиляции. В пределах одной Галактики смеси вещества и
антивеществ быть не может. Поэтому более вероятно предположение о том, что
все галактики состоят из кварков, а не из антикварков.
Но почему при образовании Вселенной кварков стало больше, чем
антикварков? Ранее считалось, что законы физики одинаковы для частиц и
античастиц, т.е. все процессы в природе не меняются (симметричны) при
одновременном проведении трех преобразований: переходе от частиц к
античастицам (зарядовое сопряжение или преобразование симметрии С),
зеркальном отражении (пространственная инверсия или преобразование
симметрии Р) и замене времени t на -t (обращение времени или
преобразование симметрии Т).
в) Связь принципов симметрии физической системы и законов сохранения
(теорема Э.Нетер)
Считается, что физические теории по начальному состоянию объекта
определяет его поведение в будущем. Принципы симметрии (инвариантности)
носят общий характер, т.е. им подчиняются все физические теории. Симметрия
физических законов относительно некоторого преобразования означает, что при
осуществлении данного преобразования эти законы не меняются. Именно поэтому
принципы симметрии оказывается возможным устанавливать на основании
известных физических законов. В 1918 г. Э.Нетер была сформулирована
теорема, устанавливающая связь между свойствами симметрии физической
Страницы: 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14, 15, 16, 17, 18, 19, 20, 21, 22, 23, 24, 25, 26, 27
