Характеристики элементарных частиц

1. Одна из существенных характеристик элементарных частиц состоит в том, что они имеют крайне незначительные массы и размеры. Масса большинства из них составляет 10^-24 грамма, а размер - порядка 10^-16 сантиметра.

2. Другая характеристика элементарных частиц – это способность рождаться и уничтожаться, то есть испускаться и поглощаться при взаимодействии с другими частицами. Например, при взаимодействии (аннигиляции) двух противоположных частиц электрона и позитрона выделяется два фотона (кванта энергии): е^- + е⁺ = 2γ

3. Следующей важной характеристикой является трансмутация, то есть «превращение» частиц при взаимодействии, причем масса новых частиц может превосходить массу исходных: часть энергии, выделившейся при взаимодействии, переходит в массу.

4. Элементарные частицы различаются по: 1) видам взаимодействия; 2) типам взаимодействия; 3) массе; 4) времени жизни; 5) спину; 6) электрическому или барионному заряду.

5. Элементарные частицы участвуют во всех видах фундаментального взаимодействия.

Все разнообразие сил, действующих в природе, можно свести к четырем фундаментальным взаимодействиям: сильному, электромагнитному, слабому и гравитационному. Все взаимодействия между частицами вещества переносятся другими частицами – частицами-переносчиками взаимодействий, называемыми виртуальными, т. к. их нельзя зафиксировать при помощи детектора частиц. При некоторых условиях частицы-переносчики можно зарегистрировать в виде волн (например, электромагнитных волн для фотона).

Как происходит взаимодействие? Действие поля одной частицы вещества на другую частицу происходит в результате поглощения второй частицей одного из квантов, испущенных первой частицей. Например, один из электронов испускает фотон (квант) и переходит при этом в новое энергетическое состояние. Этот фотон поглощается другим электроном, и состояние последнего тоже изменяется.

Виды взаимодействия.

Сильное ядерное взаимодействие – обусловливает связь между протонами и нейтронами в атомных ядрах, а также связь между кварками в протонах и нейтронах. Переносчиком этого взаимодействия являются глюоны.

Электромагнитное взаимодействие – менее интенсивно, чем сильное ядерное, определяет связь между электронами и ядром в атоме, а также связь между атомами в молекуле. Переносчиком этого взаимодействия являются фотоны.

Слабое взаимодействие вызывает медленно текущие процессы, в частности процесс распада частиц, например, радиоактивные процессы. Переносчиком этого взаимодействия являются промежуточные векторные бозоны.

Гравитационное взаимодействие – это взаимодействие между отдельными частицами; сила этого взаимодействия в квантовой механике крайне мала вследствие малых расстояний и малости масс, но его сила значительно возрастает при взаимодействии больших масс. Переносчиком этого взаимодействия являются гипотетические, пока еще не обнаруженные частицы – гравитоны.

В квантовой механики все элементарные частицы могут взаимодействовать только по двум типам: адронному и лептонному.

По массе частицы подразделяют на тяжелые (протон, нейтрон, гравитон и др.), промежуточные (мезон) и легкие (электрон, фотон, нейтрино и др.) Фотон в состоянии покоя имеет нулевую массу.

По времени своего существования частицы подразделяются на стабильные, с достаточно длительным сроком существования (например, протоны, нейтроны в составе атома, электроны, фотоны, нейтрино и др.), квазистабильные, то есть имеющие достаточно короткое время жизни (например, античастицы) и нестабильные, имеющие предельно короткое время существования (например, резонансы).

Каждая элементарная частица имеет спин (от английского - вертеться, вращаться), характеризующий ее собственный момент количества движения, имеющий квантовую природу и не связанный с ее перемещением как целого. Спин измеряется целым или полуцелым числом. Элементарные частицы можно разделить по спину на бозоны и фермионы. Частицы с нулевым или целыми спинами (1 или 2) называют бозонами. Частицы с полуцелыми спинами называют фермионами. Частицы, из которых состоит вещество, являются фермионами, а частицы-переносчики взаимодействий – бозонами.

Концепция спина была введена в физику в 1925 году американским ученым Дж. Уленбеком и С. Гаудсмитом, предположившими, что электрон можно рассматривать как «вращающийся волчок».

Для элементарных частиц характерно наличие положительного или отрицательного электрического заряда, либо отсутствие электрического заряда вообще. Кроме электрического заряда, у элементарных частиц группы барионов присутствует барионный заряд.
Теория кварков.

В 1964 году американский ученый Мюррей Гелл-Манн и швейцарский ученый Георг Цвейг предположили, что адроны должны состоять из простейших структурных частиц – кварков. Кварк – это точечное бесструктурное образование, с размерами менее 10^-18 м. Термин «кварк» предложил Гелл-Манн. Он позаимствовал его из романа Джеймса Джойса «Поминки по Финнегану», где главный герой – король Марк - мчится на корабле за Тристаном и Изольдой, а злобные чайки, кружащиеся над Марком, кричат: «Три кварка для мистера Марка». Цвейг предлагал другой термин – «туз», который не прижился.

Согласно теории кварков, существует шесть типов или «ароматов» кварков. Каждому кварку соответствует антикварк.

Все барионы состоят из 3 кварков, а мезоны из 1 кварка и 1 антикварка.

Каждый кварк может иметь три энергетических состояния или «цвета», каждый окружен своим глюонным облаком. Глюон – это частица-переносчик сильного ядерного взаимодействия (от англ. слова glue, что означает «склеивать». Глюоны «склеивают» кварки в барионах и мезонах, а также они «склеивают» протоны и нейтроны в атомном ядре.

При взаимодействии двух протонов (или двух нейтронов, или протона и нейтрона) происходит сближение двух «мешков» с кварками, которые на достаточно малом расстоянии начинают обмениваться глюонами. Глюоны взаимодействуют только с кварками и другими глюонами.

У сильного ядерного взаимодействия есть еще одно необычное свойство – конфайнмент (от англ. слова confinement – ограничение, удержание). Конфайнмент заключается в том, что частицы всегда удерживаются в «бесцветных» комбинациях. Один кварк не может существовать сам по себе, потому что в этом случае он должен был бы иметь цвет (зеленый, красный или желтый). При попытке «вытащить» один кварк из протона получается мезон, который и наблюдается в опыте. Красный кварк должен быть соединен с желтым и зеленым (чтобы получилась бесцветная комбинация) посредством глюонной струны. Такой триплет оказывается протоном или нейтроном. Если объединяются кварк и антикварк (красный и антикрасный, либо синий и антисиний, либо желтый и антижелтый), то образуется мезон.

Глюоны тоже имеют «цвет» и аналогично кваркам не могут существовать по отдельности из-за конфайнмента. Глюоны должны группироваться таким образом, чтобы в сумме давать «белый» цвет.

Попытки обнаружить кварки в свободном состоянии к успеху не привели. Доказательством существования кварков служит опыт по просвечиванию нуклонов (протонов, нейтронов) электронами, который называется глубоконеупругим рассеянием электронов.

Вспомним историю изучения природы света, а точнее, непримиримые разногласия между Ньютоном и Гюйгенсом. Ньютон рассматривал свет как поток корпускул, а Гюйгенс – как волны, возникающие в особой среде – эфире.

В 1900 году М.Планк, как мы помним, обнаружил дискретные порции энергии (кванты), и возникло представление о свете как о потоке квантов или фотонов.

Однако наряду с квантовым представлением о свете продолжала развиваться и волновая механика света в работах Луи де Бройля и Э. Шредингера. Луи де Бройль открыл подобие между колебанием струны и атомом, испускающим излучение. Атом ведет себя подобно акустическому инструменту, создающему стоячие волны. Луи де Бройль сделал смелое предположение, что движущийся равномерно и прямолинейно электрон – это волна определенной длины. В то же время электрон - частица (были определены его масса и заряд). Электрон ведет себя подобно частице, когда он движется в электрическом или магнитном поле. Он же ведет себя подобно волне, когда дифрагирует, проходя сквозь кристалл или дифракционную решетку.

Изучение специфических свойств микрообъектов началось с экспериментов, в ходе которых было установлено, что микрообъекты в одних опытах обнаруживают себя как частицы (корпускулы), а в других – как волны.

Опыт Дэвисона и Джермера по отражению электронов от монокристалла никеля показал существование дифракции электронов, подобной дифракции световых волн. Более того, другие эксперименты привели к парадоксу: если электроны, вылетающие по одному, проходят через экран с двумя отверстиями, то не имеет смысла говорить, что каждый отдельный электрон прошел через одно определенное отверстие. Если бы это было так, результат опыта был бы совершенно иным. Приходится признать, что единый и неделимый электрон может проходить сразу через оба отверстия!

Принцип Луи де Бройля. «Волны материи».

В 1925 году Луи де Бройль (1875-1960) выдвинул принцип, согласно которому каждой материальной частице независимо от ее природы следует поставить в соответствие волну, длина которой обратно пропорциональна импульсу частицы:

где λ – длина волны, h – постоянная Планка, равная 6,63 х 10^-34 Дж х сек, р – импульс частицы, равный произведению массы частицы на ее скорость (р = mν). Таким образом, было установлено, что не только фотоны (частицы света), но и другие материальные частицы, такие как электрон, протон, нейтрон и др. обладают двойственными свойствами. Это явление получило название дуализма волны и частицы. Так, в одних экспериментах элементарная частица может себя вести как корпускула, а в других - как волна. Очевидно, что чем меньше масса частицы, тем длина ее волны больше, и тем больше она проявляет свои волновые свойства. Самой легкой частицей является фотон. У него масса покоя равно нулю, а поэтому преобладают волновые свойства. У тяжелой частицы – протона - тоже имеются волновые свойства, но длина его волны крайне мала.

Отсюда следует, что любое наблюдение микрообъектов невозможно без учета влияния приборов и измерительных средств. В нашем макромире мы не замечаем влияния прибора наблюдения и измерения на макротела, которые изучаем, так как это влияние чрезвычайно мало и им можно пренебречь. В микромире макроприбор не может не влиять на объект, не вносить в него изменения.

В качестве следствия из противоречивости корпускулярных и волновых свойств частиц Бор выдвинул в 1925 году принцип дополнительности. Этот принцип имеет две формулировки: содержательную квантово-механическую и облегченную.

Однако, прежде чем говорить о собственно принципе дополнительности, нужно вспомнить ряд важных положений квантовой механики.

1. Движение микрообъектов радикально отличается от движения макрообъектов: если любой макрообъект всегда движется по некоторой траектории (например, Земля движется вокруг Солнца по эллипсу), то движение в микромире не имеет траектории (например, движение электрона в атоме водорода не может быть описано с помощью представлений об орбите, а может быть описано с помощью некоторого «облака вероятности», окружающего атомное ядро).

2. В силу «бестраекторности» микродвижения оно описывается «волной» или «облаком» вероятности, выражаемой особой волновой функцией ψ(x, t), зависящей от положения микрообъекта в пространстве (x) во времени (t). Эта функция показывает, чем отличается вероятность пребывания микрообъекта в одной точке пространства в один момент времени от вероятности его пребывания в другой точке пространства в другой момент времени. Основным законом квантовой механики, описывающим движение микрообъекта, является уравнение Э.Шредингера(1887-1961).
iћ = _

Где i – любое произвольное действительное число, ћ – величина обратная h (постоянной Планка), t – время.

Точная локализация микрообъекта в пространстве и времени и точное применение к нему динамических законов сохранения (закона сохранения энергии, закона сохранения импульса, закона сохранения момента импульса и др.) взаимоисключают друг друга. Подчинение объекта динамическим законам сохранения означает применимость к объекту понятия причинности.

Взаимоисключаемость пространственно-временного и причинного описания означает следующее. Если точно известно, где и когда сила действует на микрообъект, то совершенно не определен динамический эффект ее действия, то есть вызываемое ею изменение энергии и импульса; если же точно известен эффект действия силы, то совершенно не определено, где и когда она действует.

Пространственно-временное описание микрообъектов и точное причинное их описание взаимно исключают друг друга, но хотя они и исключают друг друга, их следует рассматривать как взаимодополнительные.

Говоря о пространстве, времени и причинности, Бор подразумевает «наши» макро-пространство, макро-время и макро-причинность, которые он использует для описания микрообъектов.

Суть ее состоит в следующем: чрезвычайно характерную черту атомной физики представляет новое отношение между явлениями, наблюдаемыми в разных экспериментальных условиях. Получаемые при таких условиях опытные данные надо рассматривать как дополнительные, так как они представляют одинаково существенные сведения об атомных объектах, и, взятые вместе, исчерпывают их. Взаимодействие между измерительными приборами и исследуемыми физическими объектами составляет неотъемлемую часть квантовых явлений.

Бор предлагал использовать свой принцип дополнительности не только в квантовой механике, где он был открыт, но и в других областях знания, например, в психологии, культурологи, социологии и др. К примеру, если мы изучаем мировую культуру, то нам следует рассматривать различные культуры, даже противоречащие друг другу, как взаимодополнительные, и, взятые вместе, исчерпывающие мировой культурный процесс.

Принцип неопределенности В.Гейзенберга.

Следующим, наиболее фундаментальным принципом квантовой механики является принцип неопределенности, сформулированный в 1927 году Вернером Гейзенбергом (1901 – 1976). Суть его состоит в следующем. Невозможно одновременно и с одинаковой точностью определить координату микрочастицы и ее импульс. Точность измерения координаты зависит от точности измерения импульса, и наоборот; невозможно обе эти величины измерить с какой угодно точностью; чем больше точность измерения координаты (х), тем неопределеннее импульс (р), и, наоборот. Произведение неопределенности в измерении координаты и неопределенности в измерении импульса должно быть “больше или равно” постоянной Планка (h): ∆х х ∆p ≥ Һ. Аналогичное соотношение имеет место и для неопределенности энергии и времени. Границы, определяемые этим принципом, не могут быть преодолены никаким совершенствованием средств измерения и измерительных процедур: дело не в приборах, а в природе вещей.

Принцип неопределенности показал, что предсказания квантовой механики носят лишь вероятностный характер и не обеспечивают точных предсказаний, к каким мы привыкли в классической механике. Именно неопределенность предсказаний квантовой механики вызывала и вызывает споры среди ученых. Некоторые из них, например, А.Эйнштейн, были убеждены, что по мере совершенствования науки и измерительной техники законы квантовой механики станут точными и однозначными, и что никакого предела для точности измерений и предсказаний в квантовой физике не существует. Эйнштейн сказал по поводу возможной интерпретации квантовой механики, что «Бог не играет в кости».

Принцип соответствия.

Принцип соответствия в методологии науки утверждает, что любая новая научная теория при наличии старой, хорошо проверенной теории, находится с ней не в полном противоречии, а дает те же следствия в частном случае. Например, закон Бойля – Мариотта является частным случаем уравнения состояния идеального газа.

В основе принципа соответствия лежит идея, высказанная М.Планком в 1906 году, о том, что если постоянная Планка стремится к нулю, то квантовые результаты приближаются к классическим, или, иначе говоря, классическую теорию можно охарактеризовать как теорию, в которой квант действия бесконечно мал.

В известном высказывании Лапласа «Дайте мне начальные данные частиц всего мира, и я предскажу вам будущее всего мира» нашла свое выражение крайняя форма идеи определенности и предопределенности всего существующего, названная «лапласовским детерминизмом».

Человечество издавна верило в провидение и предопределение, позднее - в «железную» причинную связь природы. Однако не стоит игнорировать и «его Величество» случай, благодаря которому имеют место вещи неожиданные и маловероятные. В атомной физике случайность проявляется особенно ярко. Квантовая механика заставляет свыкнуться с мыслью, что мир не устроен прямолинейным образом и не так прост, как нам хотелось бы.

Детерминизм особенно наглядно проявляется в классической механике. Так, последняя учит, что по начальным данным можно определить полностью состояние механической системы в любом сколь угодно далеком будущем. На самом же деле это лишь кажущаяся простота. Начальные данные даже в классической механике не могут быть определены с абсолютной точностью. Истинное значение начальных данных известно нам лишь с некоторой степенью вероятности; об этом свидетельствует принцип неопределенности Гейзенберга. В процессе движения на механическую систему действуют случайные силы, которые мы не в состоянии предвидеть. Даже если эти силы будут малы, их эффект может оказаться очень значительным для большого промежутка времени. У нас нет также гарантии того, что за время, в течение которого мы намерены предсказывать будущее системы, эта система будет оставаться изолированной. Эти обстоятельства обычно и игнорируются в классической механике. Влияние случайности не стоит игнорировать, так как с течением времени неопределенность начальных условий возрастает и предсказание становится совершенно бессодержательным.

Как показывает опыт, в системах, где действуют случайные факторы, при многократном повторении наблюдения можно обнаружить определенные закономерности, обычно называемые статистическими (вероятностными). В случае если система имеет много случайных воздействий, то сама детерминистическая (динамическая) закономерность становится слугой случая; а сам случай порождает новый тип закономерности – статистическую. Невозможно вывести статистическую закономерность из закономерности динамической. В системах, где случай начинает играть существенную роль, приходится делать предположения статистического (вероятностного) характера. Случай способен создать закономерность.

Что же касается детерминизма и индетерминизма, то современная наука органически сочетает необходимость и случайность. Поэтому мир и события в нем не оказываются ни предопределенными однозначно, ни чисто случайными, ничем не обусловленными. Классический детерминизм лапласовского толка чрезмерно подчеркивал роль необходимости за счет отрицания случайности в природе и потому давал искаженное представление о мире. Ряд же современных ученых, распространив принцип неопределенности в квантовой механики на другие области, провозгласил господство случайности, отрицая необходимость. Однако наиболее адекватной позицией было бы считать необходимость и случайность взаимосвязанными и дополняющими друг друга аспектами действительности.