Фундаментальная частица. Фундаментальные частицы Полевой подход к проблеме взаимодействий

Еще сравнительно недавно элементарными считались несколько сот частиц и античастиц. Детальное изучение их свойств и взаимодействий с другими частицами и развитие теории показали, что большинство из них на самом деле не элементарны, так как сами состоят из простейших или, как сейчас говорят, фундаментальных частиц. Фундаментальные частицы сами уже ни из чего не состоят. Многочисленные эксперименты показали, что все фундаментальные частицы ведут себя как безразмерные точечные объекты, не имеющие внутренней структуры, по крайней мере до наименьших, изученных сейчас расстояний ~10 -16 см.

Введение

Среди бесчисленных и разнообразных процессов взаимодействия между частицами имеются четыре основных или фундаментальных взаимодействия: сильное (ядерное), электромагнитное, и гравитационное. В мире частиц гравитационное взаимодействие очень слабое, его роль еще неясна, и о нем дальше мы говорить не будем.

В природе существуют две группы частиц: адроны, которые участвуют во всех фундаментальных взаимодействиях, и лептоны, не участвующие только в сильном взаимодействии.

Согласно современным представлениям, взаимодействия между частицами осуществляются посредством испускания и последующего поглощения квантов соответствующего поля (сильного, слабого, электромагнитного), окружающего частицу. Такими квантами являются калибровочные бозоны, также являющиеся фундаментальными частицами. У бозонов собственный момент количества движения, называемый спином, равен целочисленному значению постоянной Планка $h = 1,05 \cdot 10^{-27} эрг \cdot с$. Квантами поля и соответственно переносчиками сильного взаимодействия являются глюоны, обозначаемые символом g, квантами электромагнитного поля являются хорошо известные нам кванты света - фотоны, обозначаемые $\gamma $, а квантами слабого поля и соответственно переносчиками слабых взаимодействий являются W ± (дубль ве)- и Z 0 (зет нуль)-бозоны.

В отличие от бозонов все остальные фундаментальные частицы являются фермионами, то есть частицами, имеющими полуцелое значение спина, равное h /2.

В табл. 1 приведены символы фундаментальных фермионов - лептонов и кварков.

Каждой частице, приведенной в табл. 1, соответствует античастица, отличающаяся от частицы лишь знаками электрического заряда и других квантовых чисел (см. табл. 2) и направлением спина относительно направления импульса частицы. Античастицы мы будем обозначать теми же символами, как и частицы, но с волнистой чертой над символом.

Частицы в табл. 1 обозначены греческими и латинскими буквами, а именно: буквой $\nu$ - три различных нейтрино, буквами е - электрон, $\mu$ - мюон, $\tau$ - таон, буквами u, c, t, d, s, b обозначены кварки; их наименования и характеристики приведены в табл. 2.

Частицы в табл. 1 сгруппированы в три поколения I, II и III в соответствии со структурой современной теории . Наша Вселенная построена из частиц первого поколения - лептонов и кварков и калибровочных бозонов, но, как показывает современная наука о развитии Вселенной, на начальной стадии ее развития важную роль играли частицы всех трех поколений.

Лептоны	Кварки
I II III $\nu_e$ e $\nu_{\mu}$ $\mu$ $\nu_{\tau}$ $\tau$	I II III u d c s t b

Лептоны

Сначала рассмотрим более подробно свойства лептонов. В верхней строке табл. 1 содержатся три разных нейтрино: электронное $\nu_e$, мюонное $\nu_m$ и тау-нейтрино $\nu_t$. Их масса до сих пор точно не измерена, но определен ее верхний предел, например для ne равный 10 -5 от величины массы электрона (то есть $\leq 10^{-32}$ г).

При взгляде на табл. 1 невольно возникает вопрос о том, зачем природе потребовалось создание трех разных нейтрино. Ответа на этот вопрос пока нет, ибо не создана такая всеобъемлющая теория фундаментальных частиц, которая бы указала на необходимость и достаточность всех таких частиц и описала бы их основные свойства. Возможно, эта проблема будет решена в XXI веке (или позже).

Нижняя строка табл. 1 начинается с наиболее изученной нами частицы - электрона. Электрон был открыт еще в конце прошлого века английским физиком Дж. Томсоном. Роль электронов в нашем мире огромна. Они являются теми отрицательно заряженными частицами, которые вместе с атомными ядрами образуют все атомы известных нам элементов Периодической таблицы Менделеева. В каждом атоме число электронов в точности равно числу протонов в атомном ядре, что и делает атом электрически нейтральным.

Электрон стабилен, главной возможностью уничтожения электрона является его гибель при соударении с античастицей - позитроном e + . Этот процесс получил название аннигиляции:

$$e^- + e^+ \to \gamma + \gamma .$$

В результате аннигиляции образуются два гамма-кванта (так называют фотоны высокой энергии), уносящие и энергии покоя e + и e - , и их кинетические энергии. При высокой энергии e + и e - образуются адроны и кварковые пары (см., например, (5) и рис. 4).

Реакция (1) наглядно иллюстрирует справедливость знаменитой формулы А. Эйнштейна об эквивалентности массы и энергии: E = mc 2 .

Действительно, при аннигиляции остановившегося в веществе позитрона и покоящегося электрона вся масса их покоя (равная 1,22 МэВ) переходит в энергию $\gamma$-квантов, которые не имеют массы покоя.

Во втором поколении нижней строки табл. 1 расположен >мюон - частица, являющаяся по всем своим свойствам аналогом электрона, но с аномально большой массой. Масса мюона в 207 раз больше массы электрона. В отличие от электрона мюон нестабилен. Время его жизни t = 2,2 · 10 -6 с. Мюон преимущественно распадается на электрон и два нейтрино по схеме

$$\mu^- \to e^- + \tilde \nu_e +\nu_{\mu}$$

Еще более тяжелым аналогом электрона является $\tau$-лептон (таон). Его масса более чем в 3 тыс. раз превосходит массу электрона ($m_{\tau} = 1777$ МэВ/с 2), то есть таон тяжелее протона и нейтрона. Время его жизни равно 2,9 · 10 -13 с, а из более чем ста разных схем (каналов) его распада возможны следующие:

$$\tau^-\left\langle\begin{matrix} \to e^- + \tilde \nu_e +\nu_{\tau}\\ \to \mu^- + \tilde \nu_\mu +\nu_{\tau} \end{matrix}\right.$$

Говоря о лептонах, интересно сравнить слабые и электромагнитные силы на некотором определенном расстоянии, например R = 10 -13 см. На таком расстоянии электромагнитные силы больше слабых сил почти в 10 млрд раз. Но это вовсе не значит, что роль слабых сил в природе мала. Отнюдь нет.

Именно слабые силы ответственны за множество взаимных превращений различных частиц в другие частицы, как, например, в реакциях (2), (3), и такие взаимопревращения являются одной из характернейших черт физики частиц. В отличие от реакций (2), (3) в реакции (1) действуют электромагнитные силы.

Говоря о лептонах, необходимо добавить, что современная теория описывает электромагнитные и слабые взаимодействия с помощью единой электрослабой теории. Она разработана С. Вайнбергом, А. Саламом и Ш. Глэшоу в 1967 году .

Кварки

Сама идея кварков возникла в результате блестящей попытки классифицировать большое количество частиц, участвующих в сильных взаимодействиях и называемых адронами. М. Гелл-Ман и Г. Цвейг предположили, что все адроны состоят из соответствующего набора фундаментальных частиц - кварков, их антикварков и переносчиков сильного взаимодействия - глюонов .

Полное число адронов, наблюденное в настоящее время, составляет более ста частиц (и столько же античастиц). Много десятков частиц еще не зарегистрировано. Все адроны подразделяются на тяжелые частицы, названные барионами , и средние, названные мезонами .

Барионы характеризуются барионным числом b = 1 для частиц и b  = -1 для антибарионов. Их рождение и уничтожение всегда происходят парами: бариона и антибариона. У мезонов барионный заряд b  = 0. Согласно идее Гелл-Мана и Цвейга, все барионы состоят из трех кварков, антибарионы - из трех антикварков. Поэтому каждому кварку было приписано барионное число 1/3, чтобы в сумме у бариона было b = 1 (или -1 для антибариона, состоящего из трех антикварков). Мезоны имеют барионное число b = 0, поэтому они могут быть составлены из любой комбинации пар любого кварка и любого антикварка. Помимо одинаковых для всех кварков квантовых чисел - спина и барионного числа имеются другие важные их характеристики, такие, как величина их массы покоя m , величина электрического заряда Q /e (в долях заряда электрона е = 1,6 · 10 -19 кулон) и некоторого набора квантовых чисел, характеризующих так называемый аромат кварка . К ним относятся:

1) величина изотопического спина I и величина его третьей проекции, то есть I 3 . Так, u -кварк и d -кварк образуют изотопический дублет, им приписан полный изотопический спин I = 1/2 с проекциями I 3 = +1/2, соответствующей u -кварку, и I 3 = -1/2, соответствующей d -кварку. Обе компоненты дублета имеют близкие значения массы и идентичны по всем остальным свойствам, за исключением электрического заряда;

2) квантовое число S - странность характеризует странное поведение некоторых частиц, имеющих аномально большое время жизни (~10 -8 - 10 -13 с) по сравнению с характерным ядерным временем (~10 -23 с). Сами частицы были названы странными, в их состав входит один или несколько странных кварков и странных антикварков. Рождение или исчезновение странных частиц вследствие сильных взаимодействий происходят парами, то есть в любой ядерной реакции сумма $\Sigma$S до реакции должна быть равна $\Sigma$S после реакции. Однако в слабых взаимодействиях закон сохранения странности не выполняется.

В опытах на ускорителях наблюдали частицы, которые было невозможно описать с помощью u -, d - и s -кварков. По аналогии со странностью потребовалось ввести еще три новых кварка с новыми квантовыми числами С = +1, В = -1 и Т = +1. Частицы, составленные из этих кварков, имеют существенно большую массу (> 2 ГэВ/с 2). Они имеют большое разнообразие схем распадов со временем жизни ~10 -13 с. Сводка характеристик всех кварков приведена в табл. 2.

Каждому кварку табл. 2 соответствует свой антикварк. У антикварков все квантовые числа имеют знак, противоположный тому, который указан для кварка. О величине массы кварков необходимо сказать следующее. Приведенные в табл. 2 значения соответствуют массам голых кварков, то есть собственно кварков без учета окружающих их глюонов. Масса одетых кварков за счет энергии, несомой глюонами, больше. Особенно это заметно для легчайших u - и d -кварков, глюонная шуба которых имеет энергию около 300 МэВ.

Кварки, которые определяют основные физические свойства частиц, называют валентными кварками. Помимо валентных кварков в составе адронов имеются виртуальные пары частиц - кварки и антикварки, которые испускаются и поглощаются глюонами на очень короткое время

(где Е - энергия виртуальной пары), что происходит с нарушением закона сохранения энергии в соответствии с соотношением неопределенности Гейзенберга . Виртуальные пары кварков называют кварками моря или морскими кварками . Таким образом, в структуру адронов входят валентные и морские кварки и глюоны.

Главная особенность всех кварков в том, что они являются обладателями соответствующих сильных зарядов. Заряды сильного поля имеют три равноправные разновидности (вместо одного электрического заряда в теории электрических сил). В исторически сложившейся терминологии эти три разновидности заряда называют цветами кварков, а именно: условно красным, зеленым и синим. Таким образом, каждый кварк в табл. 1 и 2 может быть в трех ипостасях и является цветной частицей. Смешение всех трех цветов, подобно тому как это имеет место в оптике, дает белый цвет, то есть обесцвечивает частицу. Все наблюдаемые адроны бесцветны.

Кварки	u (up)	d (down)	s (strange)	c (charm)	b (bottom)	t (top)
Масса m 0	(1,5-5) МэВ/с 2	(3-9) МэВ/с 2	(60-170) МэВ/с 2	(1,1-4,4) ГэВ/с 2	(4,1-4,4) ГэВ/с 2	174 ГэВ/с 2
Изоспин I	+1/2	+1/2	0	0	0	0
Проекция I 3	+1/2	-1/2	0	0	0	0
Электрический заряд Q /e	+2/3	-1/3	-1/3	+2/3	-1/3	+2/3
Странность S	0	0	-1	0	0	0
Чарм C	0	0	0	+1	0	0
Боттом B	0	0	0	0	-1	0
Топ T	0	0	0	0	0	+1

Взаимодействия кварков осуществляют восемь разных глюонов. Термин "глюон" означает в переводе с английского языка клей, то есть эти кванты поля есть частицы, которые как бы склеивают кварки между собой. Как и кварки, глюоны являются цветными частицами, но поскольку каждый глюон изменяет цвета сразу двух кварков (кварка, который испускает глюон, и кварка, который поглотил глюон), то глюон окрашен дважды, неся на себе цвет и антицвет, как правило отличный от цвета.

Масса покоя глюонов, как и у фотона, равна нулю. Кроме того, глюоны электрически нейтральны и не обладают слабым зарядом.

Адроны принято также делить на стабильные частицы и резонансы: барионные и мезонные.
Для резонансов характерно чрезвычайно малое время жизни (~10 -20 -10 -24 с), так как их распад обусловлен сильным взаимодействием.

Десятки таких частиц были открыты американским физиком Л.В. Альваресом. Поскольку путь таких частиц до распада столь мал, что они не могут наблюдаться в детекторах, регистрирующих следы частиц (таких, как пузырьковая камера и др.), все они были обнаружены косвенно, по наличию пиков в зависимости вероятности взаимодействия различных частиц друг с другом от энергии. Рисунок 1 поясняет сказанное. На рисунке приведена зависимость сечения взаимодействия (пропорциональное величине вероятности) положительного пиона $\pi^+$ с протоном p от кинетической энергии пиона. При энергии около 200 МэВ виден пик в ходе сечения. Его ширина $\Gamma = 110$ МэВ, а полная масса частицы $\Delta^{++}$ равна $T^{"}_{max}+M_p c^2+M_\pi c^2=1232$ МэВ/с 2 , где $T^{"}_{max}$ - кинетическая энергия соударения частиц в системе их центра масс. Большинство резонансов можно рассматривать как возбужденное состояние стабильных частиц, так как они имеют тот же кварковый состав, что и их стабильные аналоги, хотя масса резонансов больше за счет энергии возбуждения.

Кварковая модель адронов

Кварковую модель адронов начнем описывать с рисунка силовых линий, исходящих из источника - кварка с цветным зарядом и заканчивающихся на антикварке (рис. 2, б ). Для сравнения на рис. 2, а мы показываем, что в случае электромагнитного взаимодействия силовые линии расходятся от их источника - электрического заряда веером, ибо виртуальные фотоны, испущенные одновременно источником, не взаимодействуют друг с другом. В результате получаем закон Кулона.

В отличие от этой картины глюоны сами обладают цветными зарядами и сильно взаимодействуют друг с другом. В результате вместо веера из силовых линий мы имеем жгут, показанный на рис. 2, б . Жгут протянут между кварком и антикварком, но самое удивительное то, что сами глюоны, имея цветные заряды, становятся источниками новых глюонов, число которых нарастает по мере их удаления от кварка.
Такая картина взаимодействия соответствует зависимости потенциальной энергии взаимодействия между кварками от расстояния между ними, показанной на рис. 3. А именно: до расстояния R > 10 -13 см зависимость U(R) имеет воронкообразный характер, причем сила цветного заряда в этой области расстояний относительно невелика, так что кварки при R > 10 -15 cм в первом приближении можно рассматривать как свободные, невзаимодействующие частицы. Это явление имеет специальное название асимптотической свободы кварков при малых R . Однако при R больше некоторого критического $R_{кр} \approx 10^{-13}$ cм величина потенциальной энергии взаимодействия U (R ) становится прямо пропорциональной величине R . Отсюда прямо следует, что сила F = -dU /dR = const, то есть не зависит от расстояния. Никакие другие взаимодействия, которые физики ранее изучили, не обладали столь необычным свойством .

Расчеты показывают, что силы, действующие между кварком и антикварком, действительно, начиная с $R_{кр} \approx 10_{-13}$ см, перестают зависеть от расстояния, оставаясь на уровне огромной величины, близкой 20 т. На расстоянии R ~ 10 -12 см (равном радиусу средних атомных ядер) цветные силы более чем в 100 тыс. раз больше электромагнитных сил. Если сравнить цветную силу с ядерными силами между протоном и нейтроном внутри атомного ядра, то оказывается, что цветная сила в тысячи раз больше! Таким образом, перед физиками открылась новая грандиозная картина цветных сил в природе, на много порядков превышающих ныне известные ядерные силы. Конечно, сразу же возникает и вопрос о том, можно ли такие силы заставить работать как источник энергии. К сожалению, ответ на этот вопрос отрицательный.

Естественно, встает и другой вопрос: до каких расстояний R между кварками потенциальная энергия линейно растет с ростом R ?
Ответ простой: при больших расстояниях жгут силовых линий рвется, так как энергетически более выгодно образовать разрыв с рождением кварк-антикварковой пары частиц. Это происходит, когда потенциальная энергия в месте разрыва больше массы покоя кварка и антикварка. Процесс разрыва жгута силовых линий глюонного поля показан на рис. 2, в .

Такие качественные представления о рождении кварка-антикварка позволяют понять, почему одиночные кварки вообще не наблюдаются и не могут наблюдаться в природе. Кварки навечно заключены внутри адронов. Это явление невылета кварков называется конфайнментом . При высоких энергиях жгуту может быть выгоднее разорваться сразу во многих местах, образовав множество $q \tilde q$-пар. Таким путем мы подошли к проблеме множественного рождения кварк-антикварковых пар и образованию жестких кварковых струй.

Рассмотрим сначала строение легких адронов, то есть мезонов. Они состоят, как мы уже говорили, из одного кварка и одного антикварка.

Чрезвычайно важно, что оба партнера пары имеют при этом одинаковый цветной заряд и такой же антизаряд (например, кварк синий и антикварк антисиний), так что их пара независимо от ароматов кварков не имеет цвета (а только бесцветные частицы мы и наблюдаем).

Все кварки и антикварки имеют спин (в долях от h ), равный 1/2. Поэтому суммарный спин сочетания кварка с антикварком равен либо 0, когда спины антипараллельны, либо 1, когда спины параллельны друг другу. Но спин частицы может быть и больше 1, если сами кварки вращаются по каким-либо орбитам внутри частицы.

В табл. 3 приведены некоторые парные и более сложные комбинации кварков с указанием, каким известным ранее адронам данное сочетание кварков соответствует.

Кварки	Мезоны			Кварки	Барионы
	J =0	J =1			J =1/2	J =3/2
	частицы	резонансы			частицы	резонансы
	$\pi^+$	$\rho^+$		uuu		$\Delta^{++}$
$\tilde u d$	$\pi^-$	$\rho^-$		uud	p	$\Delta^+$
$u \tilde u - d \tilde d$	$\pi^0$	$\rho^0$		udd	n (нейтрон)	\Delta^0 (дельта0)
$u \tilde u + d \tilde d$	$\eta$	$\omega$		ddd		$\Delta^-$
$d \tilde s$	$k^0$	$k^0*$		uus	$\Sigma^+$	$\Sigma^+*$
$u \tilde s$	$k^+$	$k^+*$		uds	$\Lambda^0$	$\Sigma^0*$
$\tilde u s$	$k^-$	$k^-*$		dds	$\Sigma^-$	$\Sigma^-*$
$c \tilde d$	$D^+$	$D^+*$		uss	$\Xi^0$	$\Xi^0*$
$c \tilde s$	$D^+_s$	$D^+_s*$		dss	$\Xi^-$	$\Xi^-*$
$c \tilde c$	Чармоний	$J/\psi$		sss	$\Omega^-$
$b \tilde b$	Боттоний	Ипсилон		udc	$\Lambda^+_c$ (лямбда-цэ+)
$c \tilde u$	$D^0$	$D^0*$		uuc	$\Sigma^{++}_c$
$b \tilde u$	$B^-$	$B*$		udb	$\Lambda_b$

Из наиболее изученных в настоящее время мезонов и мезонных резонансов наибольшую группу составляют легкие неароматные частицы, у которых квантовые числа S = C = B = 0. В эту группу входят около 40 частиц. Таблица 3 начинается с пионов $\pi$ ±,0 , открытых английским физиком С.Ф. Пауэллом в 1949 году. Заряженные пионы живут около 10 -8 с, распадаясь на лептоны по следующим схемам:

$\pi^+ \to \mu + \nu_{\mu}$ и $\pi^- \to \mu^- + \tilde \nu_{\mu}$.

Их "родственники" в табл. 3 - резонансы $\rho$ ±,0 (ро-мезоны) имеют в отличие от пионов спин J = 1, они нестабильны и живут всего около 10 -23 с. Причина распада $\rho$ ±,0 - сильное взаимодействие.

Причина распада заряженных пионов обусловлена слабым взаимодействием, а именно тем, что составляющие частицу кварки способны испускать и поглощать в результате слабого взаимодействия на короткое время t в соответствии с соотношением (4) виртуальные калибровочные бозоны: $u \to d + W^+$ или $d \to u + W^-$, причем в отличие от лептонов осуществляются и переходы кварка одного поколения в кварк другого поколения, например $u \to b + W^+$ или $u \to s + W^+$ и т.д., хотя такие переходы существенно более редкие, чем переходы в рамках одного поколения. Вместе с тем при всех подобных превращениях электрический заряд в реакции сохраняется.

Изучение мезонов, включающих s - и c -кварки, привело к открытию нескольких десятков странных и чармированных частиц. Их исследование проводится сейчас во многих научных центрах мира.

Изучение мезонов, включающих b - и t -кварки, интенсивно началось на ускорителях, и мы пока не будем говорить о них более подробно.

Перейдем к рассмотрению тяжелых адронов, то есть барионов. Все они составлены из трех кварков, но таких, у которых имеются все три разновидности цвета, поскольку, так же как и мезоны, все барионы бесцветны. Кварки внутри барионов могут иметь орбитальное движение. В этом случае суммарный спин частицы будет превышать суммарный спин кварков, равный 1/2 или 3/2 (если спины всех трех кварков параллельны друг другу).

Барионом с минимальной массой является протон p (см. табл. 3). Именно из протонов и нейтронов состоят все атомные ядра химических элементов. Число протонов в ядре определяет его суммарный электрический заряд Z .

Другой основной частицей атомных ядер является нейтрон n . Нейтрон немного тяжелее протона, он неустойчив и в свободном состоянии со временем жизни около 900 с распадается на протон, электрон и нейтрино. В табл. 3 показано кварковое состояние протона uud и нейтрона udd . Но при спине этой комбинации кварков J = 3/2 образуются резонансы $\Delta^+$ и $D^0$ соответственно. Все другие барионы, состоящие из более тяжелых кварков s , b , t , имеют и существенно большую массу. Среди них особый интерес вызывал W - -гиперон, состоящий из трех странных кварков. Он был открыт сначала на бумаге, то есть расчетным образом, с использованием идей кваркового строения барионов. Были предсказаны все основные свойства этой частицы, подтвержденные затем экспериментами.

Многие экспериментально наблюденные факты убедительно говорят сейчас о существовании кварков. В частности, речь идет и об открытии нового процесса в реакции соударения электронов и позитронов, приводящей к образованию кварк-антикварковых струй. Схема этого процесса показана на рис. 4. Эксперимент выполнен на коллайдерах в Германии и США. На рисунке показаны стрелками направления пучков e + и e - , а из точки их столкновения вылет кварка q и антикварка $\tilde q$ под зенитным углом $\Theta$ к направлению полета e + и e - . Такое рождение $q+\tilde q$ пары происходит в реакции

$$e^+ + e^- \to \gamma_{вирт} \to q + \tilde q$$

Как мы уже говорили, жгут силовых линий (чаще говорят струна) при достаточно большом растяжении рвется на составляющие.
При большой энергии кварка и антикварка, как говорилось ранее, струна рвется во многих местах, в результате чего в обоих направлениях вдоль линии полета кварка q и антикварка образуются два узких пучка вторичных бесцветных частиц, как это показано на рис. 4. Такие пучки частиц названы струями. Достаточно часто на опыте наблюдается образование трех, четырех и более струй частиц одновременно.

В экспериментах, которые проводились при сверхускорительных энергиях в космических лучах, в которых принимал участие и автор этой статьи, получены как бы фотографии процесса образования многих струй. Дело в том, что жгут или струна одномерны и поэтому центры образования трех, четырех и более струй также располагаются вдоль прямой линии .

Теория, описывающая сильные взаимодействия, называется квантовой хромодинамикой или сокращенно КХД . Она гораздо сложнее теории электрослабых взаимодействий. Особенно успешно КХД описывает так называемые жесткие процессы, то есть процессы взаимодействия частиц с большой передачей импульса между частицами. Хотя создание теории еще не завершено, многие физики-теоретики уже сейчас заняты созданием "великого объединения" - объединения квантовой хромодинамики и теории электрослабого взаимодействия в единую теорию.

В заключение кратко остановимся на том, исчерпывают ли шесть лептонов и 18 разноцветных кварков (и их античастицы), а также кванты фундаментальных полей - фотон, W ± -, Z 0 -бозоны, восемь глюонов и, наконец, кванты гравитационного поля - гравитоны весь арсенал истинно элементарных, точнее, фундаментальных частиц. По-видимому, нет. Скорее всего, описанные картины частиц и полей суть отражение лишь наших знаний в настоящее время. Недаром уже сейчас есть много теоретических идей, в которые вводятся большая группа еще на наблюденных так называемых суперсимметричных частиц, октет сверхтяжелых кварков и многое другое.

Очевидно, современная физика еще далека от построения завершенной теории частиц. Возможно, был прав великий физик Альберт Эйнштейн, полагая, что лишь учет гравитации, несмотря на ее сейчас кажущуюся малую роль в микромире, позволит построить строгую теорию частиц. Но все это уже в XXI веке или еще позже.

Литература

1. Окунь Л.Б. Физика элементарных частиц. М.: Наука, 1988.

2. Кобзарев И.Ю. Лауреаты Нобелевской премии 1979 г.: С. Вайнберг, Ш. Глэшоу, А. Салам // Природа. 1980. N 1. С. 84.

3. Зельдович Я.Б. Классификация элементарных частиц и кварки в изложении для пешеходов // Успехи физ. наук. 1965. Т. 8. С. 303.

4. Крайнов В.П. Соотношение неопределенности для энергии и времени // Соросовский Образовательный Журнал. 1998. N 5. С. 77-82.

5. Намбу И. Почему нет свободных кварков // Успехи физ. наук. 1978. Т. 124. С. 146.

6. Жданов Г.Б., Максименко В.М., Славатинский С.А. Эксперимент "Памир" // Природа. 1984. N 11. С. 24

Рецензент статьи Л.И. Сарычева

С. А. Славатинский Московский физико-технический институт, Долгопрудный Московской обл.

±1 1 80,4 Слабое взаимодействие Z 0 0 1 91,2 Слабое взаимодействие Глюон 0 1 0 Сильное взаимодействие Бозон Хиггса 0 0 ≈125,09±0,24 Инертная масса

Поколение		Кварки с зарядом (+2/3)				Кварки с зарядом (−1/3)
			Символ кварка/ антикварка	Масса (МэВ)		Название/ аромат кварка/ антикварка	Символ кварка/ антикварка	Масса (МэВ)
1		u-кварк (up-кварк) / анти-u-кварк	$u\; /\; \backslash ,\; \backslash overline\{u\}$	от 1,5 до 3		d-кварк (down-кварк) / анти-d-кварк	$d\; /\; \backslash ,\; \backslash overline\{d\}$	4,79±0,07
2		c-кварк (charm-кварк) / анти-c-кварк	$c\; /\; \backslash ,\; \backslash overline\{c\}$	1250 ± 90		s-кварк (strange-кварк) / анти-s-кварк	$s\; /\; \backslash ,\; \backslash overline\{s\}$	95 ± 25
3		t-кварк (top-кварк) / анти-t-кварк	$t\; /\; \backslash ,\; \backslash overline\{t\}$	174 200 ± 3300		b-кварк (bottom-кварк) / анти-b-кварк	$b\; /\; \backslash ,\; \backslash overline\{b\}$	4200 ± 70

См. также

Напишите отзыв о статье "Фундаментальная частица"

Примечания

Ссылки

• С. А. Славатинский // Московский физико-технический институт (Долгопрудный , Московской обл.)
• Славатинский С.А. // СОЖ, 2001, No 2, с. 62–68 архив web.archive.org/web/20060116134302/journal.issep.rssi.ru/annot.php?id=S1176
• // nuclphys.sinp.msu.ru
• // second-physics.ru
• // physics.ru
• // nature.web.ru
• // nature.web.ru
• // nature.web.ru

Фундаментальные частицы Составные частицы Соединения фундаментальных и/или составных частиц Обычные Необычные Другие классификации частиц

Отрывок, характеризующий Фундаментальная частица

На другой день он проснулся поздно. Возобновляя впечатления прошедшего, он вспомнил прежде всего то, что нынче надо представляться императору Францу, вспомнил военного министра, учтивого австрийского флигель адъютанта, Билибина и разговор вчерашнего вечера. Одевшись в полную парадную форму, которой он уже давно не надевал, для поездки во дворец, он, свежий, оживленный и красивый, с подвязанною рукой, вошел в кабинет Билибина. В кабинете находились четыре господина дипломатического корпуса. С князем Ипполитом Курагиным, который был секретарем посольства, Болконский был знаком; с другими его познакомил Билибин.
Господа, бывавшие у Билибина, светские, молодые, богатые и веселые люди, составляли и в Вене и здесь отдельный кружок, который Билибин, бывший главой этого кружка, называл наши, les nфtres. В кружке этом, состоявшем почти исключительно из дипломатов, видимо, были свои, не имеющие ничего общего с войной и политикой, интересы высшего света, отношений к некоторым женщинам и канцелярской стороны службы. Эти господа, повидимому, охотно, как своего (честь, которую они делали немногим), приняли в свой кружок князя Андрея. Из учтивости, и как предмет для вступления в разговор, ему сделали несколько вопросов об армии и сражении, и разговор опять рассыпался на непоследовательные, веселые шутки и пересуды.
– Но особенно хорошо, – говорил один, рассказывая неудачу товарища дипломата, – особенно хорошо то, что канцлер прямо сказал ему, что назначение его в Лондон есть повышение, и чтоб он так и смотрел на это. Видите вы его фигуру при этом?…
– Но что всего хуже, господа, я вам выдаю Курагина: человек в несчастии, и этим то пользуется этот Дон Жуан, этот ужасный человек!
Князь Ипполит лежал в вольтеровском кресле, положив ноги через ручку. Он засмеялся.
– Parlez moi de ca, [Ну ка, ну ка,] – сказал он.
– О, Дон Жуан! О, змея! – послышались голоса.
– Вы не знаете, Болконский, – обратился Билибин к князю Андрею, – что все ужасы французской армии (я чуть было не сказал – русской армии) – ничто в сравнении с тем, что наделал между женщинами этот человек.
– La femme est la compagne de l"homme, [Женщина – подруга мужчины,] – произнес князь Ипполит и стал смотреть в лорнет на свои поднятые ноги.
Билибин и наши расхохотались, глядя в глаза Ипполиту. Князь Андрей видел, что этот Ипполит, которого он (должно было признаться) почти ревновал к своей жене, был шутом в этом обществе.
– Нет, я должен вас угостить Курагиным, – сказал Билибин тихо Болконскому. – Он прелестен, когда рассуждает о политике, надо видеть эту важность.
Он подсел к Ипполиту и, собрав на лбу свои складки, завел с ним разговор о политике. Князь Андрей и другие обступили обоих.
– Le cabinet de Berlin ne peut pas exprimer un sentiment d"alliance, – начал Ипполит, значительно оглядывая всех, – sans exprimer… comme dans sa derieniere note… vous comprenez… vous comprenez… et puis si sa Majeste l"Empereur ne deroge pas au principe de notre alliance… [Берлинский кабинет не может выразить свое мнение о союзе, не выражая… как в своей последней ноте… вы понимаете… вы понимаете… впрочем, если его величество император не изменит сущности нашего союза…]
– Attendez, je n"ai pas fini… – сказал он князю Андрею, хватая его за руку. – Je suppose que l"intervention sera plus forte que la non intervention. Et… – Он помолчал. – On ne pourra pas imputer a la fin de non recevoir notre depeche du 28 novembre. Voila comment tout cela finira. [Подождите, я не кончил. Я думаю, что вмешательство будет прочнее чем невмешательство И… Невозможно считать дело оконченным непринятием нашей депеши от 28 ноября. Чем то всё это кончится.]
И он отпустил руку Болконского, показывая тем, что теперь он совсем кончил.
– Demosthenes, je te reconnais au caillou que tu as cache dans ta bouche d"or! [Демосфен, я узнаю тебя по камешку, который ты скрываешь в своих золотых устах!] – сказал Билибин, y которого шапка волос подвинулась на голове от удовольствия.
Все засмеялись. Ипполит смеялся громче всех. Он, видимо, страдал, задыхался, но не мог удержаться от дикого смеха, растягивающего его всегда неподвижное лицо.
– Ну вот что, господа, – сказал Билибин, – Болконский мой гость в доме и здесь в Брюнне, и я хочу его угостить, сколько могу, всеми радостями здешней жизни. Ежели бы мы были в Брюнне, это было бы легко; но здесь, dans ce vilain trou morave [в этой скверной моравской дыре], это труднее, и я прошу у всех вас помощи. Il faut lui faire les honneurs de Brunn. [Надо ему показать Брюнн.] Вы возьмите на себя театр, я – общество, вы, Ипполит, разумеется, – женщин.
– Надо ему показать Амели, прелесть! – сказал один из наших, целуя кончики пальцев.
– Вообще этого кровожадного солдата, – сказал Билибин, – надо обратить к более человеколюбивым взглядам.
– Едва ли я воспользуюсь вашим гостеприимством, господа, и теперь мне пора ехать, – взглядывая на часы, сказал Болконский.
– Куда?
– К императору.
– О! о! о!
– Ну, до свидания, Болконский! До свидания, князь; приезжайте же обедать раньше, – пocлшaлиcь голоса. – Мы беремся за вас.
– Старайтесь как можно более расхваливать порядок в доставлении провианта и маршрутов, когда будете говорить с императором, – сказал Билибин, провожая до передней Болконского.
– И желал бы хвалить, но не могу, сколько знаю, – улыбаясь отвечал Болконский.
– Ну, вообще как можно больше говорите. Его страсть – аудиенции; а говорить сам он не любит и не умеет, как увидите.

Эти три частицы (как и другие описываемые ниже) взаимно притягиваются и отталкиваются соответственно своим зарядам , которых всего четыре вида по числу фундаментальных сил природы. Заряды можно расположить в порядке уменьшения соответствующих сил следующим образом: цветовой заряд (силы взаимодействия между кварками); электрический заряд (электрические и магнитные силы); слабый заряд (силы в некоторых радиоактивных процессах); наконец, масса (силы тяготения, или гравитационного взаимодействия). Слово «цвет» здесь не имеет ничего общего с цветом видимого света; это просто характеристика сильного заряда и самых больших сил.

Заряды сохраняются , т.е. заряд, входящий в систему, равен заряду, из нее выходящему. Если суммарный электрический заряд некоторого числа частиц до их взаимодействия равен, скажем, 342 единицам, то он и после взаимодействия независимо от его результата будет равен 342 единицам. Это относится и к другим зарядам: цветовому (заряду сильного взаимодействия), слабому и массовому (массе). Частицы различаются своими зарядами: в сущности, они и «есть» эти заряды. Заряды – это как бы «справка» о праве отвечать на соответствующую силу. Так, только на цветные частицы действуют цветовые силы, только на электрически заряженные частицы действуют электрические силы и т.д. Свойства частицы определяются наибольшей силой, действующей на нее. Только кварки являются носителями всех зарядов и, следовательно, подвержены действию всех сил, среди которых доминирующей является цветовая. Электроны имеют все заряды, кроме цветового, а доминирующей для них является электромагнитная сила.

Наиболее устойчивыми в природе оказываются, как правило, нейтральные комбинации частиц, в которых заряд частиц одного знака компенсируется суммарным зарядом частиц другого знака. Это отвечает минимуму энергии всей системы. (Точно так же два стержневых магнита располагаются в линию, причем северный полюс одного из них обращен к южному полюсу другого, что соответствует минимуму энергии магнитного поля.) Гравитация же является исключением из этого правила: отрицательной массы не существует. Нет тел, которые падали бы вверх.

ВИДЫ МАТЕРИИ

Обычная материя образуется из электронов и кварков, группирующихся в объекты, нейтральные по цветовому, а затем и по электрическому заряду. Цветовая сила нейтрализуется, о чем подробнее будет сказано ниже, когда частицы объединяются в триплеты. (Отсюда и сам термин «цвет», взятый из оптики: три основных цвета при смешении дают белый.) Таким образом, кварки, для которых цветовая сила является главной, образуют триплеты. Но кварки, а они подразделяются на u -кварки (от англ. up – верхний) и d -кварки (от англ. down – нижний), имеют еще и электрический заряд, равный для u -кварка и для d -кварка. Два u -кварка и один d -кварк дают электрический заряд +1 и образуют протон, а один u -кварк и два d -кварка дают нулевой электрический заряд и образуют нейтрон.

Стабильные протоны и нейтроны, притягиваемые друг к другу остаточными цветовыми силами взаимодействия между составляющими их кварками, образуют нейтральное по цвету ядро атома. Но ядра несут положительный электрический заряд и, притягивая отрицательные электроны, вращающиеся вокруг ядра наподобие планет, обращающихся вокруг Солнца, стремятся образовать нейтральный атом. Электроны на своих орбитах удалены от ядра на расстояния, в десятки тысяч раз превышающие радиус ядра, – свидетельство того, что удерживающие их электрические силы гораздо слабее ядерных. Благодаря силе цветового взаимодействия 99,945% массы атома заключено в его ядре. Масса u - и d -кварков примерно в 600 раз больше массы электрона. Поэтому электроны намного легче и подвижнее ядер. Их движением в веществе обусловлены электрические явления.

Существует несколько сот природных разновидностей атомов (включая изотопы), различающихся числом нейтронов и протонов в ядре и соответственно числом электронов на орбитах. Самый простой – атом водорода, состоящий из ядра в виде протона и обращающегося вокруг него единственного электрона. Вся «видимая» материя в природе состоит из атомов и частично «разобранных» атомов, которые называются ионами. Ионы – это атомы, которые, потеряв (или приобретя) несколько электронов, стали заряженными частицами. Материя, состоящая почти из одних ионов, называется плазмой. Звезды, горящие за счет идущих в центрах термоядерных реакций, состоят в основном из плазмы, а поскольку звезды – самая распространенная форма материи во Вселенной, можно сказать, что и вся Вселенная состоит в основном из плазмы. Точнее, звезды – это преимущественно полностью ионизованный газообразный водород, т.е. смесь отдельных протонов и электронов, а стало быть, из нее и состоит почти вся видимая Вселенная.

Это – видимая материя. Но во Вселенной есть еще невидимая материя. И есть частицы, выступающие в роли носителей сил. Существуют античастицы и возбужденные состояния некоторых частиц. Все это приводит к явно чрезмерному изобилию «элементарных» частиц. В этом изобилии можно найти указание на действительную, истинную природу элементарных частиц и сил, действующих между ними. Согласно самым последним теориям, частицы в своей основе могут представлять собой протяженные геометрические объекты – «струны» в десятимерном пространстве.

Невидимый мир.

Во Вселенной имеется не только видимая материя (а также черные дыры и «темная материя», например холодные планеты, которые станут видимыми, если их осветить). Существует и подлинно невидимая материя, пронизывающая всех нас и всю Вселенную ежесекундно. Она представляет собой быстро движущийся газ из частиц одного сорта – электронных нейтрино.

Электронное нейтрино является партнером электрона, но не имеет электрического заряда. Нейтрино несут лишь так называемый слабый заряд. Их масса покоя, по всей вероятности, равна нулю. Но с гравитационным полем они взаимодействуют, поскольку обладают кинетической энергией E , которой соответствует эффективная масса m , согласно формуле Эйнштейна E = mc 2 , где c – скорость света.

Ключевая роль нейтрино заключается в том, что оно способствует превращению и -кварков в d -кварки, в результате чего протон превращается в нейтрон. Нейтрино играет роль «иглы карбюратора» для звездных термоядерных реакций, в которых четыре протона (ядра водорода) объединяются, образуя ядро гелия. Но поскольку ядро гелия состоит не из четырех протонов, а из двух протонов и двух нейтронов, для такого ядерного синтеза нужно, чтобы два и -кварка превратились в два d -кварка. От интенсивности превращения зависит, насколько быстро будут гореть звезды. А процесс превращения определяется слабыми зарядами и силами слабого взаимодействия между частицами. При этом и -кварк (электрический заряд +2/3, слабый заряд +1/2), взаимодействуя с электроном (электрический заряд - 1, слабый заряд –1/2), образует d -кварк (электрический заряд –1/3, слабый заряд –1/2) и электронное нейтрино (электрический заряд 0, слабый заряд +1/2). Цветовые заряды (или просто цвета) двух кварков в этом процессе компенсируются без нейтрино. Роль нейтрино состоит в том, чтобы уносить нескомпенсированный слабый заряд. Поэтому скорость превращения зависит от того, насколько слабы слабые силы. Если бы они были слабее, чем они есть, то звезды вообще не горели бы. Если же они были бы более сильными, то звезды давно бы выгорели.

А что же нейтрино? Поскольку эти частицы крайне слабо взаимодействуют с другим веществом, они почти сразу уходят из звезд, в которых родились. Все звезды сияют, испуская нейтрино, а нейтрино днем и ночью просвечивают наши тела и всю Землю. Так они странствуют по Вселенной, пока не вступят, может быть, в новое взаимодействие ЗВЕЗДЫ) .

Переносчики взаимодействий.

За счет чего возникают силы, действующие между частицами на расстоянии? Современная физика отвечает: за счет обмена другими частицами. Представьте себе двух конькобежцев, перебрасывающихся мячом. Сообщая мячу импульс при броске и получая импульс с принятым мячом, оба получают толчок в направлении друг от друга. Так можно объяснить возникновение сил отталкивания. Но в квантовой механике, рассматривающей явления в области микромира, допускаются необычные растяжение и делокализация событий, что приводит, казалось бы, к невозможному: один из конькобежцев бросает мяч в направлении от другого, но тот тем не менее может этот мяч поймать. Нетрудно сообразить, что, будь такое возможно (а в мире элементарных частиц это возможно), между конькобежцами возникло бы притяжение.

Частицы, благодаря обмену которыми возникают силы взаимодействия между четырьмя рассмотренными выше «частицами материи», называются калибровочными частицами. Каждому из четырех взаимодействий – сильному, электромагнитному, слабому и гравитационному – соответствует свой набор калибровочных частиц. Частицами-переносчиками сильного взаимодействия являются глюоны (их всего восемь). Фотон – переносчик электромагнитного взаимодействия (он один, а фотоны мы воспринимаем как свет). Частицами-переносчиками слабого взаимодействия являются промежуточные векторные бозоны (в 1983 и 1984 были открыты W + -, W - -бозоны и нейтральный Z -бозон). Частицей-переносчиком гравитационного взаимодействия является пока еще гипотетический гравитон (он должен быть один). Все эти частицы, кроме фотона и гравитона, которые могут пробегать бесконечно большие расстояния, существуют лишь в процессе обмена между материальными частицами. Фотоны заполняют Вселенную светом, а гравитоны – гравитационными волнами (пока еще с достоверностью не обнаруженными).

О частице, способной испускать калибровочные частицы, говорят, что она окружена соответствующим полем сил. Так, электроны, способные испускать фотоны, окружены электрическими и магнитными полями, а также слабыми и гравитационными полями. Кварки тоже окружены всеми этими полями, но еще и полем сильного взаимодействия. На частицы с цветовым зарядом в поле цветовых сил действует цветовая сила. То же самое относится к другим силам природы. Поэтому можно сказать, что мир состоит из вещества (материальных частиц) и поля (калибровочных частиц). Об этом подробнее ниже.

Антивещество.

Каждой частице отвечает античастица, с которой частица может взаимно уничтожиться, т.е. «аннигилировать», в результате чего высвобождается энергия. «Чистой» энергии самой по себе, однако, не существует; в результате аннигиляции возникают новые частицы (например, фотоны), уносящие эту энергию.

Античастица в большинстве случаев обладает противоположными по отношению к соответствующей частице свойствами: если частица под действием сильного, слабого или электромагнитного полей движется влево, то ее античастица будет двигаться вправо. Короче говоря, античастица имеет противоположные знаки всех зарядов (кроме массового заряда). Если частица составная, как, например, нейтрон, то ее античастица состоит из компонент с противоположными знаками зарядов. Так, антиэлектрон имеет электрический заряд +1, слабый заряд +1/2 и называется позитроном. Антинейтрон состоит из и -антикварков с электрическим зарядом –2/3 и d -антикварков с электрическим зарядом +1/3. Истинно нейтральные частицы являются своими собственными античастицами: античастица фотона – фотон.

Согласно современным теоретическим представлениям, своя античастица должна быть для каждой существующей в природе частицы. И многие античастицы, в том числе позитроны и антинейтроны, действительно были получены в лаборатории. Следствия этого исключительно важны и лежат в основе всей экспериментальной физики элементарных частиц. Согласно теории относительности, масса и энергия эквивалентны, и в определенных условиях энергия может быть превращена в массу. Поскольку заряд сохраняется, а заряд вакуума (пустого пространства) равен нулю, из вакуума, как кролики из шляпы фокусника, могут возникать любые пары частиц и античастиц (с нулевым суммарным зарядом), лишь бы энергия была достаточной для создания их массы.

Поколения частиц.

Эксперименты на ускорителях показали, что четверка (квартет) материальных частиц по крайней мере дважды повторяется при более высоких значениях массы. Во втором поколении место электрона занимает мюон (с массой, примерно в 200 раз большей массы электрона, но с прежними значениями всех остальных зарядов), место электронного нейтрино – мюонное (которое сопутствует в слабых взаимодействиях мюону так же, как электрону сопутствует электронное нейтрино), место и -кварка занимает с -кварк (очарованный ), а d -кварка – s -кварк (странный ). В третьем поколении квартет состоит из тау-лептона, тау-нейтрино, t -кварка и b -кварка.

Масса t -кварка примерно в 500 раз больше массы самого легкого – d -кварка. Экспериментально установлено, что существуют только три типа легких нейтрино. Таким образом, четвертое поколение частиц или не существует вовсе, или соответствующие нейтрино являются очень тяжелыми. Это согласуется с космологическими данными, в соответствии с которыми могут существовать не более четырех типов легких нейтрино.

В экспериментах с частицами высоких энергий электрон, мюон, тау-лептон и соответствующие нейтрино выступают как обособленные частицы. Они не несут цветового заряда и вступают только в слабые и электромагнитные взаимодействия. В совокупности они называются лептонами .

Таблица 2. ПОКОЛЕНИЯ ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ ЧАСТИЦ
Частица	Масса покоя, МэВ/с 2	Электрический заряд	Цветовой заряд	Слабый заряд
ВТОРОЕ ПОКОЛЕНИЕ
с -кварк	1500	+2/3	Красный, зеленый или синий	+1/2
s -кварк	500	–1/3	То же	–1/2
Мюонное нейтрино		0	0	+1/2
Мюон	106	0	0	–1/2
ТРЕТЬЕ ПОКОЛЕНИЕ
t -кварк	30000–174000	+2/3	Красный, зеленый или синий	+1/2
b -кварк	4700	–1/3	То же	–1/2
Тау-нейтрино		0	0	+1/2
Тау	1777	–1	0	–1/2

Кварки же под действием цветовых сил объединяются в сильно взаимодействующие частицы, преобладающие в большинстве экспериментов физики высоких энергий. Такие частицы называются адронами . В них входят два подкласса: барионы (например, протон и нейтрон), которые состоят из трех кварков, и мезоны , состоящие из кварка и антикварка. В 1947 в космических лучах был открыт первый мезон, названный пионом (или пи-мезоном), и некоторое время считалось, что обмен этими частицами – главная причина ядерных сил. Особой известностью в физике элементарных частиц пользовались также адроны омега-минус, открытые в 1964 в Брукхейвенской национальной лаборатории (США), и джей-пси-частица (J /y -мезон), открытая одновременно в Брукхейвене и в Стэнфордском центре линейных ускорителей (тоже в США) в 1974. Существование омега-минус-частицы было предсказано М.Гелл-Манном в его так называемой «SU 3 -теории» (другое название – «восьмеричный путь»), в которой впервые было высказано предположение о возможности существования кварков (и было дано им это название). Десятилетие спустя открытие частицы J /y подтвердило существование с -кварка и заставило, наконец, всех поверить и в кварковую модель, и в теорию, объединившую электромагнитные и слабые силы (см. ниже) .

Частицы второго и третьего поколения не менее реальны, чем первого. Правда, возникнув, они за миллионные или миллиардные доли секунды распадаются на обычные частицы первого поколения: электрон, электронное нейтрино, а также и - и d -кварки. Вопрос о том, почему в природе существуют несколько поколений частиц, до сих пор остается загадкой.

О разных поколениях кварков и лептонов часто говорят (что, конечно, несколько эксцентрично) как о разных «ароматах» частиц. Необходимость их объяснения называется проблемой «аромата».

БОЗОНЫ И ФЕРМИОНЫ, ПОЛЕ И ВЕЩЕСТВО

Одним из принципиальных различий между частицами является различие между бозонами и фермионами. Все частицы делятся на эти два основных класса. Одинаковые бозоны могут налагаться друг на друга или перекрываться, а одинаковые фермионы – нет. Наложение происходит (или не происходит) в дискретных энергетических состояниях, на которые квантовая механика делит природу. Эти состояния представляют собой как бы отдельные ячейки, в которые можно помещать частицы. Так вот, в одну ячейку можно поместить сколько угодно одинаковых бозонов, но только один фермион .

В качестве примера рассмотрим такие ячейки, или «состояния», для электрона, вращающегося вокруг ядра атома. В отличие от планет Солнечной системы, электрон по законам квантовой механики не может обращаться по любой эллиптической орбите, для него существует только дискретный ряд разрешенных «состояний движения». Наборы таких состояний, группируемые в соответствии с расстоянием от электрона до ядра, называются орбиталями . В первой орбитали имеются два состояния с разными моментами импульса и, следовательно, две разрешенные ячейки, а в более высоких орбиталях – восемь и более ячеек.

Поскольку электрон относится к фермионам, в каждой ячейке может находиться только один электрон. Отсюда вытекают очень важные следствия – вся химия, поскольку химические свойства веществ определяются взаимодействиями между соответствующими атомами. Если идти по периодической системе элементов от одного атома к другому в порядке увеличения на единицу числа протонов в ядре (число электронов тоже будет соответственно увеличиваться), то первые два электрона займут первую орбиталь, следующие восемь расположатся на второй и т.д. Этим последовательным изменением электронной структуры атомов от элемента к элементу и обусловлены закономерности в их химических свойствах .

Если бы электроны были бозонами, то все электроны атома могли бы занимать одну и ту же орбиталь, соответствующую минимальной энергии. При этом свойства всего вещества во Вселенной были бы совершенно другими, и в том виде, в котором мы ее знаем, Вселенная была бы невозможна.

Все лептоны – электрон, мюон, тау-лептон и соответствующие им нейтрино – являются фермионами. То же можно сказать о кварках. Таким образом, все частицы, которые образуют «вещество», основной наполнитель Вселенной, а также невидимые нейтрино, являются фермионами. Это весьма существенно: фермионы не могут совмещаться, так что то же самое относится к предметам материального мира.

В то же время все «калибровочные частицы», которыми обмениваются взаимодействующие материальные частицы и которые создают поле сил (см. выше ), являются бозонами, что тоже очень важно. Так, например, много фотонов могут находиться в одном состоянии, образуя магнитное поле вокруг магнита или электрическое поле вокруг электрического заряда. Благодаря этому же возможен лазер .

Спин.

Различие между бозонами и фермионами связано с еще одной характеристикой элементарных частиц – спином . Как это ни удивительно, но все фундаментальные частицы имеют собственный момент импульса или, проще говоря, вращаются вокруг своей оси. Момент импульса – характеристика вращательного движения, так же как суммарный импульс – поступательного. В любых взаимодействиях момент импульса и импульс сохраняются.

В микромире момент импульса квантуется, т.е. принимает дискретные значения. В подходящих единицах измерения лептоны и кварки имеют спин, равный 1/2, а калибровочные частицы – спин, равный 1 (кроме гравитона, который экспериментально пока не наблюдался, а теоретически должен иметь спин, равный 2). Поскольку лептоны и кварки – фермионы, а калибровочные частицы – бозоны, можно предположить, что «фермионность» связана со спином 1/2, а «бозонность» – со спином 1 (или 2). Действительно, и эксперимент, и теория подтверждают, что если у частицы полуцелый спин, то она – фермион, а если целый – то бозон.

КАЛИБРОВОЧНЫЕ ТЕОРИИ И ГЕОМЕТРИЯ

Во всех случаях силы возникают вследствие обмена бозонами между фермионами. Так, цветовая сила взаимодействия между двумя кварками (кварки – фермионы) возникает за счет обмена глюонами. Подобный обмен постоянно происходит в протонах, нейтронах и атомных ядрах. Точно так же фотоны, которыми обмениваются электроны и кварки, создают электрические силы притяжения, удерживающие электроны в атоме, а промежуточные векторные бозоны, которыми обмениваются лептоны и кварки, создают силы слабого взаимодействия, ответственные за превращение протонов в нейтроны при термоядерных реакциях в звездах.

Теория такого обмена изящна, проста и, вероятно, правильна. Она называется калибровочной теорией . Но в настоящее время существуют лишь независимые калибровочные теории сильного, слабого и электромагнитного взаимодействий и сходная с ними, хотя кое в чем и отличающаяся, калибровочная теория гравитации. Одной из важнейших физических проблем является сведение этих отдельных теорий в единую и вместе с тем простую теорию, в которой все они стали бы разными аспектами единой реальности – как грани кристалла.

Таблица 3. НЕКОТОРЫЕ АДРОНЫ

Таблица 3. НЕКОТОРЫЕ АДРОНЫ
Частица	Символ	Кварковый состав *	Масса покоя, МэВ/с 2	Электрический заряд
БАРИОНЫ
Протон	p	uud	938	+1
Нейтрон	n	udd	940	0
Омега-минус	W –	sss	1672	–1
МЕЗОНЫ
Пи-плюс	p +	u	140	+1
Пи-минус	p –	du	140	–1
Фи	f	sє	1020	0
Джей-пси	J /y	cў	3100	0
Ипсилон	Ў	b	9460	0
* Кварковый состав: u – верхний; d – нижний; s – странный; c – очарованный; b – красивый. Чертой над буквой обозначены антикварки.

Простейшей и самой старой из калибровочных теорий является калибровочная теория электромагнитного взаимодействия. В ней заряд электрона сравнивается (калибруется) с зарядом другого электрона, удаленного от него. Как можно сравнивать заряды? Можно, например, приблизить второй электрон к первому и сравнивать их силы взаимодействия. Но не меняется ли заряд электрона при его перемещении в другую точку пространства? Единственный способ проверки – послать от ближнего электрона к дальнему сигнал и посмотреть, как он среагирует. Сигналом является калибровочная частица – фотон. Чтобы можно было проверить заряд на удаленных частицах, необходим фотон.

В математическом отношении эта теория отличается чрезвычайной точностью и красотой. Из описанного выше «калибровочного принципа» вытекает вся квантовая электродинамика (квантовая теория электромагнетизма), а также теория электромагнитного поля Максвелла – одно из величайших научных достижений 19 в.

Почему же столь простой принцип оказывается столь плодотворным? Видимо, он выражает некую соотнесенность разных частей Вселенной, позволяя проводить измерения во Вселенной. В математическом плане поле интерпретируется геометрически как кривизна некоторого мыслимого «внутреннего» пространства. Измерение же заряда – это измерение полной «внутренней кривизны» вокруг частицы. Калибровочные теории сильного и слабого взаимодействий отличаются от электромагнитной калибровочной теории только внутренней геометрической «структурой» соответствующего заряда. На вопрос о том, где именно находится это внутреннее пространство, пытаются ответить многомерные единые теории поля, которые здесь не рассматриваются.

Таблица 4. ФУНДАМЕНТАЛЬНЫЕ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ
Взаимо-действие	Относительная интенсивность на расстоянии 10 –13 см	Радиус действия	Переносчик взаимодействия	Масса покоя переносчика, МэВ/с 2	Спин переносчика
Сильное	1		Глюон	0	1
Электро- магнитное	0,01	Ґ	Фотон	0	1
Слабое	10 –13		W +	80400	1
			W –	80400	1
			Z 0	91190	1
Гравита- ционное	10 –38	Ґ	Гравитон	0	2

Физика элементарных частиц пока не завершена. Еще далеко не ясно, достаточно ли имеющихся данных для полного понимания природы частиц и сил, а также истинной природы и размерности пространства и времени. Нужны ли нам для этого эксперименты с энергиями 10 15 ГэВ или же будет достаточно усилий мысли? Ответа пока нет. Но можно сказать с уверенностью, что окончательная картина будет проста, изящна и красива. Возможно, что принципиальных идей окажется не так много: калибровочный принцип, пространства высших размерностей, коллапс и расширение, а прежде всего – геометрия.

О ПОНИМАНИИ ДВИЖЕНИЯ МАТЕРИИ, СПОСОБНОСТИ ЕЕ К САМОРАЗВИТИЮ, А ТАКЖЕ СВЯЗИ И ВЗАИМОДЕЙСТВИИ МАТЕРИАЛЬНЫХ ОБЪЕКТОВ В СОВРЕМЕННОМ ЕСТЕСТВОЗНАНИИ

Цюпка В. П.

Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Белгородский государственный национальный исследовательский университет» (НИУ «БелГУ»)

1. Движение материи

«Неотъемлемое свойство материи – движение» 1 , являющееся формой существования материи и проявляющееся в каких-либо ее изменениях. Из несотворимости и неуничтожимости материи и ее атрибутов, в т. ч. движения, следует, что и движение материи существует вечно и бесконечно многообразно по форме своих проявлений.

Существование любого материального объекта проявляется в его движении, т. е. в каком-либо происходящем с ним изменении. В ходе изменения всегда изменяются какие-то свойства материального объекта. Т. к. совокупность всех свойств материального объекта, характеризующая его определенность, индивидуальность, особенность в какой-то конкретный момент времени, соответствует его состоянию, получается, что движение материального объекта сопровождается сменой его состояний. Изменение свойств может зайти так далеко, что один материальный объект может стать другим материальным объектом. «Но никогда материальный объект не может превратиться в свойство» (например, массу, энергию), а «свойство – в материальный объект» 2 , потому что изменяющейся субстанцией может быть только лишь движущаяся материя. В естествознании движение материи называют еще явлением природы (природным явлением).

Известно, что «без движения нет материи» 3 как и без материи не может быть никакого движения.

Движение материи можно выразить количественно. Универсальной количественной мерой движения материи, как и любого материального объекта, является энергия, выражающая собственную активность материи и любого материального объекта. Отсюда энергия – это одно из свойств движущейся материи, и энергия не может быть вне материи, отдельно от нее. Энергия находится в эквивалентной зависимости с массой. Следовательно, масса может характеризовать не только количество вещества, но и степень его активности. Из того, что движение материи существует вечно и бесконечно многообразно по форме своих проявлений, неумолимо следует, что и энергия, характеризующая движение материи количественно, также существует вечно (несотворима и неуничтожима) и бесконечно многообразна по форме своих проявлений. «Таким образом, энергия никогда не исчезает и не появляется вновь, она лишь превращается из одного вида в другой» 1 в соответствии с изменением видов движения.

Наблюдаются различные виды (формы) движения материи. Их можно классифицировать с учетом изменений свойств материальных объектов и особенностей их воздействий друг на друга.

Движение физического вакуума (свободных фундаментальных полей в обычном состоянии) сводится к тому, что он все время незначительно отклоняется в разные стороны от своего равновесия, как бы «дрожит». В результате таких спонтанных низкоэнергетических возбуждений (отклонений, возмущений, флуктуаций) и формируются виртуальные частицы, которые тут же растворяются в физическом вакууме. Это низшее (основное) энергетическое состояние движущегося физического вакуума, его энергия близка к нулю. Но физический вакуум может на какое-то время в каком-то месте перейти в возбужденное состояние, характеризующееся неким избытком энергии. При таких значительных, высокоэнергетических возбуждениях (отклонениях, возмущениях, флуктуациях) физического вакуума виртуальные частицы могут завершить свое появление и тогда из физического вакуума вырываются реальные фундаментальные частицы разных типов, причем, как правило, парами (имеющие электрический заряд в виде частицы и античастицы с электрическими зарядами противоположных знаков, например, в виде электрон-позитронной пары).

Одиночными квантовыми возбуждениями различных свободных фундаментальных полей являются фундаментальные частицы.

Фермионные (спинорные) фундаментальные поля могут породить 24 фермиона (6 кварков и 6 антикварков, а также 6 лептонов и 6 антилептонов), разделяющиеся на три поколения (семейства). В первом поколении верхний и нижний кварки (и антикварки), а также лептоны электрон и электронное нейтрино (и позитрон с электронным антинейтрино), образующие обычное вещество (и редко обнаруживаемое антивещество). Во втором поколении имеющие бóльшую массу (бóльший гравитационный заряд) очарованный и странный кварки (и антикварки), а также лептоны мюон и мюонное нейтрино (и антимюон с мюонным антинейтрино). В третьем поколении истинный и прелестный кварки (и антикварки), а также лептоны таон и таонное нейтрино (и антитаон с таонным антинейтрино). Фермионы второго и третьего поколений не участвуют в образовании обычного вещества, отличаются нестабильностью и распадаются с образованием фермионов первого поколения.

Бозонные (калибровочные) фундаментальные поля могут породить 18 типов бозонов: гравитационное поле – гравитоны, электромагнитное поле – фотоны, поле слабого взаимодействия – 3 типа «вионов» 1 , глюонное поле – 8 типов глюонов, поле Хиггса – 5 типов бозонов Хиггса.

Физический вакуум в достаточно высокоэнергетическом (возбужденном) состоянии способен породить множество фундаментальных частиц, обладающих значительной энергией, в виде минивселенной.

Для вещества микромира движение сводится:

к распространению, столкновению и превращению друг в друга элементарных частиц;

образованию из протонов и нейтронов атомных ядер, их перемещению, столкновению и изменению;

образованию из атомных ядер и электронов атомов, их перемещению, столкновению и изменению, в т. ч. с перескакиванием электронов с одной атомной орбитали на другую и отрывом их от атомов, присоединением лишних электронов;

образованию из атомов молекул, их перемещению, столкновению и изменению, в т. ч. с присоединением новых атомов, высвобождением атомов, замещением одних атомов на другие, изменением порядка расположения атомов относительно друг друга в молекуле.

Для вещества макромира и мегамира движение сводится к перемещению, столкновению, деформации, разрушению, объединению разнообразных тел, а также к самым различным их изменениям.

Если движение материального объекта (квантованного поля или вещественного объекта) сопровождается изменением только лишь его физических свойств, например, частоты или длины волны для квантованного поля, мгновенной скорости, температуры, электрического заряда для вещественного объекта, тогда такое движение относят к физической форме. Если движение вещественного объекта сопровождается изменением его химических свойств, например, растворимости, горючести, кислотности, тогда такое движение относят к химической форме. Если движение касается изменения объектов мегамира (космических объектов), тогда такое движение относят к астрономической форме. Если движение касается изменения объектов глубинных земных оболочек (земных недр), тогда такое движение относят к геологической форме. Если движение касается изменения объектов географической оболочки, объединяющей все поверхностные земные оболочки, тогда такое движение относят к географической форме. Движение живых тел и их систем в виде их всевозможных жизненных проявлений относят к биологической форме. Движение материальных объектов, сопровождаемое изменением социально значимых свойств с обязательным участием человека, например, добыча железной руды и производство чугуна и стали, выращивание сахарной свеклы и производство сахара, относят к социально обусловленной форме движения.

Движение любого материального объекта далеко не всегда может быть отнесено к какой-то одной форме. Оно сложное, многообразное. Даже физическое движение, присущее материальным объектам от квантованного поля до тел, может включать в себя несколько форм. Например, упругое столкновение (соударение) двух твердых тел в виде бильярдных шаров включает в себя и изменение положения шаров с течением времени относительно друг друга и стола, и вращение шаров, и трение шаров о поверхность стола и воздух, и движение частиц каждого шара, и практически обратимое изменение формы шаров при упругом соударении, и обмен кинетической энергией с частичным превращением ее во внутреннюю энергию шаров при упругом соударении, и перенос теплоты между шарами, воздухом и поверхностью стола, и возможный радиоактивный распад ядер содержащихся в шарах нестабильных изотопов, и проникновение нейтрино космических лучей сквозь шары, и др. С развитием материи и возникновением химических, астрономических, геологических, географических, биологических и социально обусловленных материальных объектов формы движения усложняются, становятся все более многообразными. Так, в химическом движении можно увидеть и физические формы движения и качественно новые, не сводимые к физическим, химические формы. В движении астрономических, геологических, географических, биологических и социально обусловленных объектов можно увидеть и физические, и химические формы движения, а также качественно новые, не сводимые к физическим и химическим, соответственно астрономические, геологические, географические, биологические или социально обусловленные формы движения. При этом низшие формы движения материи не различаются у материальных объектов разной степени сложности. Например, физическое движение элементарных частиц, атомных ядер и атомов не отличается у астрономических, геологических, географических, биологических или социально обусловленных материальных объектов.

В изучении сложных форм движения следует избегать двух крайностей. Во-первых, нельзя сводить изучение сложной формы движения к простым формам движения, нельзя сложную форму движения выводить из простых. Например, биологическое движение нельзя выводить только лишь из физических и химических форм движения, игнорируя при этом сами биологические формы движения. А во-вторых, нельзя ограничиваться изучением только сложных форм движения, игнорируя простые. Например, изучение биологического движения хорошо дополняет изучение проявляющихся при этом физической и химической форм движения.

2. Способность материи к саморазвитию

Как известно, саморазвитие материи, а материя способна к саморазвитию, характеризуется самопроизвольным, направленным и необратимым поэтапным усложнением форм движущейся материи.

Самопроизвольность саморазвития материи означает, что процесс поэтапного усложнения форм движущейся материи происходит сам собой, естественным образом, без участия каких-то неестественных или сверхъестественных сил, Творца, в силу внутренних, естественных причин.

Направленность саморазвития материи означает своеобразную канализованность процесса поэтапного усложнения форм движущейся материи от одной ее формы, существовавшей раньше, к другой форме, появившейся позже: для какой-либо новой формы движущейся материи можно найти предшествующую форму движущейся материи, которая дала ей начало, и наоборот, для какой-либо предшествующей формы движущейся материи можно найти новую форму движущейся материи, которая из нее возникла. При этом всегда предшествующая форма движущейся материи существовала раньше возникшей из нее новой формы движущейся материи, предшествующая форма всегда древнее возникшей из нее новой формы. Благодаря канализованности саморазвития движущейся материи возникают своеобразные ряды поэтапного усложнения ее форм, показывающие в каком направлении, а также через какие промежуточные (переходные) формы шло историческое развитие той или иной формы движущейся материи.

Необратимость саморазвития материи означает, что процесс поэтапного усложнения форм движущейся материи не может пойти в обратном направлении, вспять: новая форма движущейся материи не может породить предшествовавшую ей форму движущейся материи, из которой она возникла, но она может стать предшествующей формой для новых форм. И если вдруг какая-либо новая форма движущейся материи окажется очень похожа на одну из предшествовавших ей форм, то это не будет означать, что движущаяся материя стала саморазвиваться в обратном направлении: предшествующая форма движущейся материи появилась гораздо раньше, а новая форма движущейся материи, даже и очень похожая на нее, появилась гораздо позже и является хотя и похожей, но принципиально другой формой движущейся материи.

3. Связь и взаимодействие материальных объектов

Неотъемлемые свойства материи – связь и взаимодействие, являющиеся причиной ее движения. Т. к. связь и взаимодействие являются причиной движения материи, поэтому связь и взаимодействие, как и движение, универсальны, т. е. присущи всем материальным объектам вне зависимости от их природы, происхождения и сложности. Все явления в материальном мире детерминированы (в смысле обусловлены) естественными материальными связями и взаимодействиями, а также объективными законами природы, отражающими закономерности связи и взаимодействия. «В этом смысле в мире нет ничего сверхъестественного и абсолютно противостоящего материи.» 1 Взаимодействие, как и движение, является формой бытия (существования) материи.

Существование всех материальных объектов проявляется во взаимодействии. Для всякого материального «объекта существовать – значит как-то проявлять себя по отношению к другим материальным объектам, взаимодействуя с ними, находясь в объективных связях и отношениях с ними. Если гипотетический материальный «объект, который никак не проявлял бы себя по отношению к каким-то другим материальным объектам, никак не был бы с ними связан, не взаимодействовал бы с ними, то он и «не существовал бы для этих других материальных объектов. «Но и наше предположение о нем также не могло бы ни на чем основываться, так как из-за отсутствия взаимодействия мы имели бы о нем нулевую информацию.» 2

Взаимодействие представляет собой процесс взаимного воздействия одних материальных объектов на другие с обменом энергией. Взаимодействие вещественных объектов может быть непосредственным, например, в виде столкновения (соударения) двух твердых тел. А может происходить на расстоянии. В этом случае взаимодействие вещественных объектов обеспечивают связанные с ними бозонные (калибровочные) фундаментальные поля. Изменение одного вещественного объекта вызывает возбуждение (отклонение, возмущение, флуктуацию) связанного с ним соответствующего бозонного (калибровочного) фундаментального поля, и это возбуждение распространяется в виде волны с конечной скоростью, не превышающей скорости распространения света в вакууме (без малого 300 тыс. км/с). Взаимодействие вещественных объектов на расстоянии согласно квантово-полевому механизму передачи взаимодействия носит обменный характер, т. к. переносят взаимодействие частицы-переносчики в виде квантов соответствующего бозонного (калибровочного) фундаментального поля. Разные бозоны как частицы-переносчики взаимодействия являются возбуждениями (отклонениями, возмущениями, флуктуациями) соответствующих бозонных (калибровочных) фундаментальных полей: во время испускания и поглощения вещественным объектом они являются реальными, а во время распространения – виртуальными.

Получается, что в любом случае взаимодействие материальных объектов даже на расстоянии является близкодействием, т. к. осуществляется без каких-то разрывов, пустот.

Взаимодействие частицы с античастицей вещества сопровождается их аннигиляцией, т. е. превращением их в соответствующее фермионное (спинорное) фундаментальное поле. При этом их масса (гравитационная энергия) превращается в энергию соответствующего фермионного (спинорного) фундаментального поля.

Виртуальные частицы возбуждающегося (отклоняющегося, возмущающего, «дрожащего») физического вакуума могут взаимодействовать с реальными частицами, как бы обволакивая, сопровождая их в виде так называемой квантовой пены. Например, в результате взаимодействия электронов атома с виртуальными частицами физического вакуума происходит некоторый сдвиг их энергетических уровней в атомах, а сами электроны при этом совершают колебательные движения с малой амплитудой.

Выделяют четыре вида фундаментальных взаимодействий: гравитационное, электромагнитное, слабое и сильное.

«Гравитационное взаимодействие проявляется во взаимном притяжении... материальных объектов, имеющих массу» 1 покоя, т. е. вещественных объектов, на каких угодно больших расстояниях. Предполагается, что возбужденный физический вакуум, порождающий множество фундаментальных частиц, способен к проявлению гравитационного отталкивания. Гравитационное взаимодействие переносится гравитонами гравитационного поля. Гравитационное поле связывает тела и частицы, обладающие массой покоя. Для распространения гравитационного поля в виде гравитационных волн (виртуальных гравитонов) не требуется среда. Гравитационное взаимодействие самое слабое по своей силе, поэтому оно несущественно в микромире из-за незначительности масс частиц, в макромире его проявление заметно и оно вызывает, например, падение тел на Землю, а в мегамире ему принадлежит ведущая роль из-за огромнейших масс тел мегамира и оно обеспечивает, например, вращение Луны и искусственных спутников вокруг Земли; образование и движение планет, планетоидов, комет и других тел в Солнечной системе и ее целостность; образование и движение звезд в галактиках – гигантских звездных системах, включающих до сотен миллиардов звезд, связанных взаимным тяготением и общим происхождением, а также их целостность; целостность скоплений галактик – систем относительно близко расположенных галактик, связанных силами гравитации; целостность Метагалактики – системы всех известных скоплений галактик, связанных силами гравитации, как изученной части Вселенной, целостность всей Вселенной. Гравитационное взаимодействие обусловливает концентрацию рассеянного во Вселенной вещества и включение его в новые циклы развития.

«Электромагнитное взаимодействие обусловлено электрическими зарядами и передается» 1 фотонами электромагнитного поля на какие угодно большие расстояния. Электромагнитное поле связывает тела и частицы, имеющие электрические заряды. Причем неподвижные электрические заряды связывает только электрическая составляющая электромагнитного поля в виде электрического поля, а подвижные электрические заряды связывает и электрическая, и магнитная составляющие электромагнитного поля. Для распространения электромагнитного поля в виде электромагнитных волн не требуется дополнительная среда, т. к. «изменяющееся магнитное поле порождает переменное электрическое поле, которое, в свою очередь, является источником переменного магнитного поля» 2 . «Электромагнитное взаимодействие может проявляться и как притяжение (между разноименными зарядами), и как отталкивание (между» 3 одноименными зарядами). Электромагнитное взаимодействие намного сильнее гравитационного. Оно проявляется как в микромире, так и в макромире и мегамире, но ведущая роль ему принадлежит в макромире. Электромагнитное взаимодействие обеспечивает взаимодействие электронов с ядрами. Межатомное и межмолекулярное взаимодействие электромагнитное, благодаря ему, например, существуют молекулы и осуществляется химическая форма движения материи, существуют тела и определяются их агрегатные состояния, упругость, трение, поверхностное натяжение жидкости, функционирует зрение. Таким образом, электромагнитное взаимодействие обеспечивает стабильность атомов, молекул и макроскопических тел.

В слабом взаимодействии участвуют элементарные частицы, имеющие массу покоя, его переносят «вионы» 4 калибровочных полей. Поля слабого взаимодействия связывают различные элементарные частицы, обладающие массой покоя. Слабое взаимодействие намного слабее электромагнитного, но сильнее гравитационного. Из-за своего короткодействия оно проявляется только в микромире, обусловливая, например, большинство самораспадов элементарных частиц (например, свободный нейтрон самораспадается с участием отрицательно заряженного калибровочного бозона на протон, электрон и электронное антинейтрино, иногда при этом образуется еще фотон), взаимодействие нейтрино с остальным веществом.

Сильное взаимодействие проявляется во взаимном притяжении адронов, к которым относят кварковые структуры, например, двухкварковые мезоны и трехкварковые нуклоны. Оно передается глюонами глюонных полей. Глюонные поля связывают адроны. Это самое сильное взаимодействие, но из-за своего короткодействия проявляется только лишь в микромире, обеспечивая, например, связь кварков в нуклонах, связь нуклонов в атомных ядрах, обеспечивая их стабильность. Сильное взаимодействие в 1000 раз сильнее электромагнитного и не дает разлететься одноименно заряженным протонам, объединенным в ядре. Термоядерные реакции, в которых несколько ядер соединяются в одно, также возможны благодаря сильному взаимодействию. Естественными термоядерными реакторами являются звезды, создающие все химические элементы тяжелее водорода. Тяжелые многонуклонные ядра становятся неустойчивыми и делятся, т. к. их размеры уже превышают расстояние, на котором проявляется сильное взаимодействие.

«В результате экспериментальных исследований взаимодействий элементарных частиц … было обнаружено, что при больших энергиях столкновения протонов – около 100 ГэВ – … слабое и электромагнитное взаимодействия не различаются – их можно рассматривать как единое электрослабое взаимодействие.» 1 Предполагается, что «при энергии 10 15 ГэВ к ним присоединяется сильное взаимодействие, а при» 2 еще «больших энергиях взаимодействия частиц (до 10 19 ГэВ) или при чрезвычайно высокой температуре материи все четыре фундаментальных взаимодействия характеризуются одинаковой силой, т. е. представляют собой одно взаимодействие» 3 в виде «суперсилы». Возможно, такие высокоэнергетические условия были в начале развития Вселенной, появившейся из физического вакуума. В процессе дальнейшего расширения Вселенной, сопровождавшегося быстрым охлаждением образовавшегося вещества, целостное взаимодействие разделилось сначала на электрослабое, гравитационное и сильное, а затем электрослабое взаимодействие разделилось на электромагнитное и слабое, т. е. на четыре принципиально отличающихся друг от друга взаимодействия.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ:

Карпенков, С. Х. Основные концепции естествознания [Текст] : учеб. пособие для вузов / С. Х. Карпенков. – 2-е изд., перераб. и доп. – М. : Академический Проект, 2002. – 368 с.

Концепции современного естествознания [Текст] : учеб. для вузов / Под ред. В. Н. Лавриненко, В. П. Ратникова. – 3-е изд., перераб. и доп. – М. : ЮНИТИ-ДАНА, 2005. – 317 с.

Философские проблемы естествознания [Текст] : учеб. пособие для аспирантов и студентов филос. и естеств. фак. ун-тов / Под ред. С. Т. Мелюхина. – М. : Высшая школа, 1985. – 400 с.

Цюпка, В. П. Естественнонаучная картина мира: концепции современного естествознания [Текст] : учеб. пособие / В. П. Цюпка. – Белгород: ИПК НИУ «БелГУ», 2012. – 144 с.

Цюпка, В. П. Концепции современной физики, составляющие современную физическую картину мира [Электронный ресурс] // Научный электронный архив Российской Академии Естествознания: заоч. электрон. науч. конф. «Концепции современного естествознания или естественнонаучная картина мира» URL: http://сайт/article/6315 (размещено: 31.10.2011)

Яндекс. Словари. [Электронный ресурс] URL: http://slovari.yandex.ru/

1Карпенков С. Х. Основные концепции естествознания. М. Академический Проект. 2002. С. 60.

2Философские проблемы естествознания. М. Высшая школа. 1985. С. 181.

3Карпенков С. Х. Основные концепции естествознания... С. 60.

1Карпенков С. Х. Основные концепции естествознания... С. 79.

1Карпенков С. Х.

1Философские проблемы естествознания... С. 178.

2Там же. С. 191.

1Карпенков С. Х. Основные концепции естествознания... С. 67.

1Карпенков С. Х. Основные концепции естествознания... С. 68.

3Философские проблемы естествознания... С. 195.

4Карпенков С. Х. Основные концепции естествознания... С. 69.

1Карпенков С. Х. Основные концепции естествознания... С. 70.

2Концепции современного естествознания. М. ЮНИТИ-ДАНА. 2005. С. 119.

3Карпенков С. Х. Основные концепции естествознания... С. 71.

Цюпка В.П. О ПОНИМАНИИ ДВИЖЕНИЯ МАТЕРИИ, СПОСОБНОСТИ ЕЕ К САМОРАЗВИТИЮ, А ТАКЖЕ СВЯЗИ И ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ МАТЕРИАЛЬНЫХ ОБЪЕКТОВ В СОВРЕМЕННОМ ЕСТЕСТВОЗНАНИИ // Научный электронный архив.
URL: (дата обращения: 17.03.2020).

лептоны - не участвуют в сильном взаимодействии.

электрон . позитрон. мюон.

нейтрино - легкая нейтральная частица, участвующая только в слабом и гравитационном

взаимодействии.

нейтринный (# поток).

переносчики взаимодействий:

фотон - квант света, переносчик электромагнитного взаимодействия.

глюон - переносчик сильного взаимодействия.

промежуточные векторные бозоны - переносчики слабого взаимодействия;

частицы с целым спином.

"фундаментальная частица" в книгах

Глава 1 Частица океана

Из книги Кровь: река жизни [От древних легенд до научных открытий] автора Азимов Айзек

Глава 1 Частица океана Любое одноклеточное существо, живущее в море, настолько крошечное, что его можно разглядеть только под микроскопом, имеет запас крови, в миллиарды раз превосходящий человеческий.Поначалу это может показаться невозможным, но, когда вы поймете, что

ЧАСТИЦА «-СЯ» ПОБЕЖДАЕТ

Из книги Как говорить правильно: Заметки о культуре русской речи автора Головин Борис Николаевич

Фундаментальная асимметрия

Из книги Антихрупкость [Как извлечь выгоду из хаоса] автора Талеб Нассим Николас

Фундаментальная асимметрия Выразим асимметрию Сенеки в четком правиле.Я уже использовал концепцию большей потери при неблагоприятном исходе. Если от перемены обстоятельств вы больше теряете, чем обретаете, вы имеете дело с асимметрией, и это скверная асимметрия.

Что такое частица?

Из книги Гиперпространство автора Каку Мичио

Что такое частица? Суть теории струн в том, что она может объяснить природу и материи, и пространства-времени, т. е. природу и «дерева», и «мрамора». Теория струн дает ответы на ряд головоломных вопросов о частицах: например, почему в природе их так много. Чем глубже мы

Бозе-частица

Из книги Большая Советская Энциклопедия (БО) автора БСЭ

Ферми-частица

Из книги Большая Советская Энциклопедия (ФЕ) автора БСЭ

Фундаментальная астрометрия

БСЭ

Фундаментальная длина

Из книги Большая Советская Энциклопедия (ФУ) автора БСЭ

8.5. КАК РАБОТАЕТ ЧАСТИЦА «НЕ»

автора Самсонова Елена

8.5. КАК РАБОТАЕТ ЧАСТИЦА «НЕ» Уважаемый коллега! Если у вас есть ребенок, то вы можете вспомнить, как вы кричали ему, когда он был еще маленьким: «Не беги!», «Не упади!» или «Не испачкайся!» И сразу после вашего крика ребенок начинал бежать еще быстрее, падал или пачкался. Вы

8.6. КАК РАБОТАЕТ ЧАСТИЦА «НО»

Из книги Танец продавца, или Нестандартный учебник по системным продажам автора Самсонова Елена

8.6. КАК РАБОТАЕТ ЧАСТИЦА «НО» Знаете ли вы, что частица «но» полностью «зачеркивает» то, что вы сказали перед ее употреблением?– Вы очень симпатичный человек, но…– Вы правы, но…– То, что вы говорите, интересно, но…Когда вы разговариваете с клиентом или покупателем,

Третья частица

Из книги Атомный проект. История сверхоружия автора Первушин Антон Иванович

Третья частица Как мы видели, период с 1895 по 1919 год был густо насыщен важными открытиями в области ядерной физики. Но после 1919 года развитие этой науки, казалось, приостановилось. И это неслучайно.Вспомним, что для исследования атома физики использовали явление

Фундаментальная стратегия

Из книги Истоки нейро-лингвистического программирования автора Гриндер Джон

Фундаментальная стратегия Фрэнк и я поразмышляли над тем, как справляться с подобными моментами. Мы выработали особую стратегию. Мы решили придерживаться курса минимизации таких отдельных искажений, призвав на помощь большое количество людей, которые физически

Фундаментальная подлость

Из книги Глобальный человейник автора Зиновьев Александр Александрович

Фундаментальная подлость Судьба поступила со мной так, что я невольно прикоснулся к самым фундаментальным явлениям нашего общественного строя и смог посмотреть на них без всяких скрывающих их покровов и иллюзий. Как мне казалось тогда, я увидел, в чем заключалась самая

3. Фундаментальная напряженность

Из книги Единство и многообразие в Новом Завете Исследование природы первоначального христианства автора Данн Джеймс Д.

3. Фундаментальная напряженность В самой сущности христианства заложено то, что оно происходит от иудаизма I в. Иисус был евреем. Самые первые христиане были сплошь евреями. Христианство началось изнутри иудаизма, из мессианской секты в рамках иудаизма. Оно воспринимало

ФУНДАМЕНТАЛЬНАЯ ИСТИНА

Из книги Движимые вечностью автора Бивер Джон

ФУНДАМЕНТАЛЬНАЯ ИСТИНА В нашей притче Джалин является прообразом Иисуса Христа, а царь Отец? это Всемогущий Бог Отец. Дагон представляет!собой дьявола; жизнь в Энделе? это человеческая жизнь на земле; Аффабель представляет небесный город Бога. Отверженная земля Лон?