Микромир, элементарные частицы, вакуум: различия между версиями

 
{{Note|ecran}}<sup>[9]</sup> Аналогичное явление хорошо известно в физике плазмы как дебаевское экранирование: сторонний заряд q, внесённый в плазму, экранируется электронами и ионами самой плазмы, в результате чего наблюдается заряд q<sub>экр</sub>, существенно меньший, чем q (в случае плазмы достаточно большого объема &#8211; практически нулевой, q<sub>экр</sub> << q).
 
==8. Диаграммы Фейнмана==
 
Рассмотренные выше явления можно представлять как результат взаимодействия электрона (или электромагнитного поля) с различными электронами вакуума. Остановимся кратко на вопросе о том, как процессы в квантовой электродинамике представляются графически, с помощью так называемых диаграмм Фейнмана {{Ref|feineman}}. Будем говорить только об электронах и фотонах.
 
[[Изображение:micromir21.jpg]]
 
В этих диаграммах электрон представляется линией со стрелкой, смотрящей в положительном направлении, вправо:
 
Фотон, чтобы отличать его от электрона, будем представлять штриховой линией (без стрелки):
 
Диаграмма, описывающая поглощение фотона электроном, выглядит следующим образом:
Чёрный кружок, в котором соединяются три линии, называется вершиной диаграммы. В квантовой электродинамике в вершине могут сходиться только две сплошные (электронные) и одна штриховая (фотонная) линии &#8211; других вариантов не существует.
 
С учётом сказанного электромагнитное взаимодействие двух электронов, осуществляемое путём обмена одним фотоном, изображается следующей диаграммой:
Это означает, что один электрон испустил квант поля, а второй электрон этот квант поглотил. В результате данного процесса изменились состояния (энергии и импульсы) обоих электронов.
 
Эффект Комптона &#8211; рассеяние фотона на электроне &#8211; изображается диаграммой:
 
Для изображения антиэлектронов (позитронов) используют стрелки, идущие в отрицательном направлении (т. е. влево):
 
Тогда процесс аннигиляции электрон-позитронной пары с образованием двух фотонов представляется диаграммой:
Наличие, по крайней мере, двух вершин в этой диаграмме отражает тот известный факт, что свободный электрон не может испустить фотон, т. к. такой процесс противоречит законам сохранения энергии и импульса.
 
Приведём одну из диаграмм, описывающих взаимодействие двух фотонов:
В ходе процесса исходные фотоны исчезают, родив виртуальные электрон-позитронные пары; в свою очередь эти пары аннигилируют, образуя вторичные фотоны. Именно эти последние и наблюдаются как результат взаимодействия между собой исходных фотонов. Заметим, что взаимодействие света со светом невозможно в рамках классической электродинамики Максвелла, так что указанный процесс является чисто квантовым.
 
Наконец, покажем один из возможных процессов взаимодействия электронов с &laquo;морем Дирака&raquo;:
В ходе данного процесса электрон испускает виртуальный фотон. Этот фотон рождает виртуальную электрон-позитронную пару, которая через короткое время аннигилирует, а образовавшийся фотон поглощается исходным электроном.
 
 
Напомним, что виртуальными называются частицы, для которых не выполняется обычное соотношение, связывающее энергию и импульс, т. е. <math>E \ne E(p)= \sqrt {p^2 c^2 + m^2 c^4}</math> . Такие частицы возникают только на промежуточных стадиях каких-либо процессов, но в начальном и конечном состояниях частицы всегда реальные. При этом закон сохранения энергии для процесса в целом выполняется точно. В соответствии с соотношением неопределённостей Гейзенберга виртуальные частицы могут существовать лишь в течение достаточно короткого времени t, тем меньшего, чем больше отличие E от E(p) : <math>\Delta t \sim \hbar / [E - E(p)]</math> . Последнее обстоятельство объясняет невозможность прямого наблюдения таких частиц.
 
Мы привели диаграммы Фейнмана как средство наглядного представления различных процессов. В действительности этим диаграммам ставятся в соответствие по определённым правилам некоторые математические выражения, позволяющие рассчитать вероятности изучаемых процессов.
 
== 9. Скалярные поля==
 
Теория Дирака давала описание электрона &#8211; частицы со спином s = 1/2 (в единицах постоянной Планка <math>\hbar</math>). Однако предложенное им волновое уравнение было не единственно возможным. В те же годы было предложено ещё одно релятивистское волновое уравнение, известное сейчас как уравнение Клейна&#8211;Гордона&#8211;Фока. В то время не было обнаружено объектов, которые могли бы описываться этим уравнением. Поэтому задача исследования этого и некоторых других, более сложных уравнений представляла лишь академический интерес до конца 40-х &#8211; начала 50-х годов, когда были открыты <math>\pi</math> -мезоны &#8211; частицы со спином, равным нулю. Из уравнения Клейна&#8211;Гордона&#8211;Фока также вытекало существование античастиц. Существование античастиц означает, что можно говорить о &laquo;вакууме&raquo; соответствующих частиц. Отсюда вытекает возможность рождения виртуальных (а при достаточных энергиях &#8211; и реальных) частиц. При этом оказалось, что все трудности с бесконечной массой и нулевым зарядом сохраняются и для этих полей.
 
==10. Перенормировка==
 
Последовательное решение проблемы бесконечностей было дано в конце 1940-х &#8211; начале 1950-х годов Р. Фейнманом, Ю. Швингером, Ф. Дайсоном, А. Саламом, Н.Н. Боголюбовым и др.
 
Идея состояла в том, что ни в каком эксперименте мы не можем &laquo;вынуть&raquo; электрон или иную частицу из среды и, следовательно, не можем наблюдать &laquo;голую&raquo; частицу &#8211; во всех процессах частица участвует вместе со своей &laquo;шубой&raquo;. Это значит, что если перейти в уравнениях от &laquo;голых&raquo; частиц к &laquo;одетым&raquo; (т. е. к реальным), то можно ожидать исчезновения бесконечностей. Параметры же &laquo;голых&raquo; частиц в теорию входить не должны вследствие ненаблюдаемости последних.
 
Эта идея получила название &laquo;перенормировка&raquo;. Оказалось, что квантовая электродинамика &#8211; перенормируемая теория, т. е. оказалось возможным переформулировать её на языке только &laquo;одетых&raquo; частиц. Разумеется, вид уравнений для &laquo;голых&raquo; и &laquo;одетых&raquo; частиц различен.
 
После создания теории перенормировок было сделано множество предсказаний, блестяще подтвердившихся в экспериментах: вычислено значение магнитного момента электрона, рассчитано рассеяние электрона в кулоновском поле ядра, вычислены радиационные поправки к энергии атомных уровней и т. д.
 
Но в то же время окончательного решения проблемы 0-заряда нет и сейчас: представления о перенормировке просто &laquo;загоняют&raquo; проблему на задний план, но не решают её. Простые со-ображения указывают на то, что она (эта проблема) может вывести физику на новые рубежи.
 
В самом деле, зададимся вопросом, каков же все-таки заряд &laquo;голого&raquo; электрона? В соответствии с основной идей теории перенормировок исходными данными теории должны быть масса и заряд &laquo;одетого&raquo; электрона. Но, как мы видели, чем более мы приближаемся к электрону, чем глубже погружаемся в его &laquo;шубу&raquo;, тем меньше будет чувствоваться экранировка и тем больший заряд мы должны наблюдать. В результате, как показывают расчеты, на малых расстояниях эффективный (наблюдаемый) заряд и связанная с ним плотность энергии поля оказываются столь большими, что существенную роль начинают играть иные типы взаимодействий &#8211; в частности, гравитационные, радикально меняющие пространственно-временные соотношения. Тем самым, на малых расстояниях и/или при высоких энергиях различные виды взаимодействий уже тесно переплетаются и, по-видимому, неразделимы.
 
==11. Сильные и слабые взаимодействия==
 
=== Основные типы взаимодействия===
 
Примерно к середине 50-х годов стало ясно, что все взаимодействия, относятся к одному из четырёх типов:
# гравитационные;
# сильные;
# электромагнитные;
# слабые.
 
Если относительно гравитационных и электромагнитных взаимодействий существовало какое-то впечатление их понятности (хотя бы по той причине, что за многие годы знакомства с ними они стали привычными), то сильные и слабые взаимодействия были новыми и довольно малопонятными. В частности, в отличие от электромагнитных, сильные и слабые силы оказались короткодействующими: эффективный радиус сильного взаимодействия составляет <math>r_S \sim 10^{ - 13}</math> см , а слабого <math>r_W \sim 10^{ - 13} </math> см.
 
=== Радиус действия сил===
 
Прежде чем говорить подробнее об этих взаимодействиях, остановимся на одном важном утверждении квантовой теории &#8211; о радиусе действия тех или иных сил. Рассмотрим две частицы (p+p), взаимодействие между которыми осуществляется путём обмена какими-то промежуточными частицами (q), как это показано на диаграмме Фейнмана
 
[[Изображение:micromir22.gif]]
 
Как уже говорилось выше, в соответствии с соотношением неопределённостей Гейзенберга, частица может на короткое время испустить другую, виртуальную, частицу q даже в кажущемся нарушении закона сохранения энергии.
 
Эту частицу будем называть квантом-переносчиком взаимодействия. Если масса частицы q равна m, то время существования этой частицы в промежуточном состоянии можно оценить как <math>\Delta t \sim \hbar /mc^2</math> (требуется &laquo;взять в долг&raquo; энергию <math>\Delta E\sim mc^2</math>). За это время частица q пройдёт путь не более <math>c\Delta t \sim \hbar / mc= \Lambda.</math> Найденную длину L называют комптоновской длиной волны частицы q. Таким образом, две взаимодействующие частицы успевают обменяться квантом-переносчиком взаимодействия, если расстояние между ними не превышает L. Именно величина L и определяет характерный радиус действия сил, обусловленных обменом квантом-переносчиком взаимодействия q.
 
===Слабые взаимодействия===
 
Слабые взаимодействия вызывают медленные процессы, идущие со скоростями примерно в 10^12 раз меньшими, чем при сильных взаимодействиях. Благодаря слабым взаимодействиям нейтрон оказывается неустойчивым &#8212; происходит его <math>\beta</math> - распад в среднем за 15,3 мин. по схеме <math>n \to p + e + \tilde \nu _e</math>, т. е. на протон, электрон и электронное антинейтрино.
 
В 1934 г. Э. Ферми на основе экспериментальных данных предложил математическую модель <math>\beta</math> -распада &#8212; наиболее распространённого процесса, обусловленного слабыми взаимодействиями.
 
В 1957 г., отталкиваясь от этой модели и обобщая результаты многочисленныx экспериментов, М. Гелл-Ман, Р. Фейнман, Р. Маршак и Э. Сударшан разработали теорию универлального четырёхфермионного взаимодействия, так называемую V - A - теорию. В V - A - теории взаимодействие частиц считалось точечным: реакция происходила только тогда, когда частицы вступали в контакт. Малая величина радиуса слабого взаимодействия свидетельствует о том, если оно осуществляется обменом какими-то квантами, то эти кванты очень тяжёлые.
 
Расчёты, основанные на этой теории, позволили правильно рассчитать целый ряд процессов взаимодействия и превращения элементарных частиц. Оказалось, что, несмотря на слабость, это взаимодействие играет принципиальную роль в природе. Например, основным источником энергии многих звёзд с массой <math>M < 1,2\;M_\otimes</math> (в том числе и Солнца) является так называемый &laquo;водородный цикл&raquo;, протекающий по схеме
<center>
<math>\begin{matrix} p + p \to d + e^+ + \nu _e , \\ p + d \to ^3 {He} + \gamma , \\ ^3 {He} + ^3 {He} \to ^4 {He} + 2p</math> ( или <math>^3 {He} + ^4 {He} \to ^7 {Be} + \gamma ), \\ \end{matrix}</math></center>
 
или, суммарно, <math>4p ^4 He + 2e^ + + 2\nu _e .</math>
Здесь символы p, d, <math>^3 He</math> и <math> ^4 He</math> обозначают соответственно протон, дейтрон (ядро дейтерия), ядра изотопов гелия-3 и гелия-4. Первая же реакция в этом цикле обусловлена слабыми взаимодействиями.
 
=== Сильные взаимодействия.===
 
Сильные взаимодействия обусловливают, в частности, ядерные силы, благодаря которым протоны и нейтроны объединяются в атомные ядра. Эти же взаимодействия вызывают быстрые процессы превращения элементарных частиц. В 1935 г. Х. Юкава высказал гипотезу, что они осуществляются посредством обмена массивными частицами &#8211; мезонами. Поскольку эффективный радиус действия сил обратно пропорционален массе частиц-переносчиков взаимодействия, <math>\Lambda \sim {\hbar /mc}}</math> , то именно этот факт, согласно Юкаве, должен объяснить короткодействие ядерных сил. Имея оценку характерных размеров лёгких ядер <math>r \sim 10^{ - 13}</math>cм, нетрудно оценить массу мезонов: <math>mc^2 \sim 200\;</math> МэВ.
 
В 1947 г. Дж. Латтес, Х. Мьюирхед, Дж. Оккиалини и С. Пауэлл обнаружили заряженные <math>(\pi^+</math> и <math>\pi^- )</math> мезоны в космических лучах. Нейтральные <math>(\pi^0)</math> мезоны обнаружены в 1950 г. в процессах столкновения фотонов и протонов с ядрами. В соответствии с приведённой выше оценкой <math>\pi</math> -мезоны (или кратко &laquo;пионы&raquo;) имеют массу почти в 300 раз превышающую массу электрона. Точнее, <math>m_{\pi^+} = m_{\pi^-} = 138,6 </math> МэВ,<math>m_{\pi^0} = 134,96 </math> МэВ.
 
Другим отличием сильного взаимодействия от электромагнитного оказалась большая величина &laquo;сильного&raquo; заряда g: если для электрического заряда <math>e^2/\hbar c\approx 1/137,</math> то для &laquo;сильного&raquo; заряда <math>g^2 / \hbar c \approx 1.</math> На основе идей Юкавы была предложена теоретико-полевая модель сильных взаимодействий. Однако непосредственное применение этой модели к расчёту процессов с участием сильновзаимодействующих частиц не дало сколько-нибудь полезных результатов. Дело в том, что из-за большой величины &laquo;сильного&raquo; заряда обычные методы вычислений, подобные применявшимся в квантовой электродинамике, уже не годились. Суть проблемы состояла в том, что поправки, обусловленные &laquo;сильными&raquo; процессами участием частиц вакуума (т. е. из &laquo;моря Дирака&raquo;), оказывались большими и даже росли с ростом числа виртуальных частиц в промежуточном состоянии.
 
Дальнейший анализ показал, что, помимо учёта упомянутых особенностей &#8211; локальности и величины силы &#8211; теории сильного и слабого взаимодействий обладали принципиальным отличием от электродинамики: они оказались неперенормируемыми. Другими словами, невозможно было, изменив определённым образом массу частиц и &laquo;сильный&raquo; (или &laquo;слабый&raquo;) заряд, добиться исчезновения бесконечностей. Это означало, что теории не позволяли корректно рассчитать процессы с участием вакуумных частиц. И если в случае слабых взаимодействий проблема не была такой острой &#8211; хорошее согласие теории и эксперимента достигалось уже в пренебрежении подобными процессами, то в случае сильных взаимодействий учёт вакуумных частиц был просто необходим (из-за большой величины &laquo;сильного&raquo; заряда). Ситуация казалась безвыходной.
 
=== 12. Лептоны и кварки===
 
Поиски велись в разных направлениях. Некоторые из предлагавшихся подходов казались привлекательными. Тем не менее, ни одна из теорий не давала приемлемого решения проблемы. Ситуацию, сложившуюся в физике к 1964 году, состояние неопределённости в шутливой манере отразил А. Салам: &laquo;Надеюсь, это сооружение продержится до следующей конференции&raquo; (см. рис. 4). Смысл сюжета в том, что на каждой конференции предлагались новые теории элементарных частиц, однако очень мало из них доживало до следующей конференции: под давлением экспериментальных данных они отбрасывались как ошибочные. Шел тяжёлый этап накопления и осмысления экспериментальных данных.
 
[[Изображение:micromir23.jpg]]
Рис.4 &laquo;Надеюсь, это сооружение продержится до следующей конференции&raquo; (Из доклада А. Салама на Международной конференции по физике высоких энергий в Дубне в 1964 г.) Перевёрнутая пирамида стоит на символе <math>\Omega^-</math> - гиперона &#8211; частицы, открытой незадолго до этой конференции|
 
Вместе с тем уже длительное время предпринимались попытки создать классификацию элементарных частиц. Подобно тому, как всё многообразие веществ в природе представляет собой соединение относительно небольшого числа химических элементов, элементарные частицы при таком подходе являлись бы связанными состояниями нескольких субчастиц, элементарных строительных блоков. Для этого нужно было установить, какие частицы следует считать основными.
 
Среди лептонов, лёгких частиц, участвующих только в электромагнитных и слабых взаимодействиях, на роль фундаментальных претендовали шесть частиц. Они перечислены в таблице 1.
 
*Таблица 1.* Фундаментальные лептоны
 
{| border=1
!colspan=3|Лептоны
!Заряд
|<math>\nu_e</math> (< 10 эВ)
|<math>\nu_\mu</math> (< 0,17 МэВ)
|<math>\nu_\tau</math> (< 18,2 МэВ)
|0
|-
|<math>e</math> (0,511 МэВ)
|<math>\mu</math> (105,7 МэВ)
|<math>\tau</math> (1,777 ГэВ)
|-1
|}
 
В таблице указан заряд частиц (в единицах заряда |e| ), а также их масса (точнее &#8211; энергия покоя mc^2 ). Имеются три заряженные частицы (электрон, мюон и таон) и три соответствующие им нейтрино (электронное, мюонное и таонное). Стабильными являются только электрон и все нейтрино.
 
В случае сильных взаимодействий отобрать кандидатов на роль фундаментальных частиц было сложнее. Важным шагом в этом направлении явилась модель С. Сакаты (1956 г.). Он заметил, что мир, в котором имеются только нуклоны {{Ref|nuclony}} и пионы, можно построить из одних лишь нуклонов (и антинуклонов). Для этого достаточно принять, что пионы &#8211; это связанные состояния пар нуклонов (например,
<math>\pi^+ = (p,\;\tilde n)</math> ). С открытием новых частиц в число структурных элементов понадобилось внести еще одну частицу &#8211; <math>\Lambda^0</math> - гиперон. Таким образом, все адроны {{Ref|adrony}}, известные к 1964 году, можно было построить из триплета Сакаты <math>(p,\;n,\;\Lambda^0)</math>.
 
Дальнейшие исследования показали, однако, что модель Сакаты недостаточна для описания свойств открытых впоследствии частиц. В частности, не удавалось построить наблюдаемые семейства адронов, если считать заряд субчастиц целым. Поэтому М. Гелл-Ман и (независимо) Дж. Цвейг в 1964 г. предположили, что все адроны состоят из частиц, имеющих заряд, кратный трети заряда электрона, и спин s = 1/2. Эти частицы, по предложению Гелл-Мана, названы кварками{{Ref|kvarki}}.
 
По мере открытия новых частиц число кварков, необходимых для их построения, росло, и к настоящему моменту считается установленным существование шести различных кварков (см. таблицу 2) и соответствующих им антикварков.
 
*Таблица 2.* Основные кварки
 
{| border=1
!colspan=3|Кварки
!Заряд
|<math>u</math> ( 330 МэВ)
|<math>c</math> ( 1800 МэВ)
|<math>t</math> ( 175 ГэВ)
|+2/3
|-
|<math>d</math> (330 МэВ)
|<math>s</math> ( 510 МэВ)
|<math>b</math> ( 5000 МэВ)
|-1/3
|}
 
Символы кварков расшифровываются так: u &#8211; &laquo;up&raquo;, d &#8211; &laquo;down&raquo;, c &#8211; &laquo;charm&raquo;, s &#8211; &laquo;strange&raquo; ,
t &#8211; &laquo;truth&raquo; (или &laquo;top&raquo;), b &#8211; &laquo;beauty&raquo; (или &laquo;bottom&raquo;).
 
Наконец, чтобы при &laquo;конструировании&raquo; известных элементарных частиц из кварков не входить в противоречие с принципом Паули{{Ref|pauli}},
потребовалось допустить, что каждый из кварков может находиться в одном из трёх специфических квантовых состояний. Эти состояния условно названы &laquo;цветом&raquo;: &laquo;красным&raquo;, &laquo;зелёным&raquo; и &laquo;синим&raquo;. При этом антикварки характеризуются антицветом. Итого, полное число структурных элементов составляет (шесть типов кварков, у каждого &#8211; античастица, и все могут находиться в одном из трёх цветовых состояний).
В качестве примера укажем кварковые схемы некоторых частиц:
 
<math>p = (uud),\;\;n = (udd),\;\;\pi^+ = (u\tilde d),\;\;\pi^- = (\tilde ud),\;\;\pi^0 = (u\tilde u)+ (d\tilde d),\;\;\Lambda^0 = (uds),\;\;\Omega^- = (sss).</math>
 
Таким образом, наметившаяся модель утверждала, что сильные взаимодействия элементарных частиц сводятся к взаимодействию между кварками, входящими в состав адронов. Эта теория удовлетворительно объясняла целый ряд свойств адронов. Имелось одно &laquo;но&raquo;. Успехи в классификации частиц инициировали многочисленные эксперименты по поиску свободных кварков. Однако все попытки оказались безрезультатными.
 
== 13. Квантовая хромодинамика==
 
Путь к преодолению трудностей с теорией кварков наметился с несколько неожидан-ной стороны. Ещё в 1954 г. Ч. Янг и Р. Миллс, изучая возможные пути обобщения электродинамики, рассмотрели абстрактную, как тогда казалось, схему, по которой имеется три безмассовых поля, несущих заряды +, -, 0 и взаимодействующих между собой. Эти свойства резко отличают поля Янга &#8211; Миллса от обычного электромагнитного поля, которое единственно, нейтрально и не взаимодействует непосредственно с самим собой.
 
Как только выяснилась кварковая структура адронов, возникла идея описать межкварковые взаимодействия как обмен квантами некоторых полей. Эти поля были названы глюонными, а кванты этих полей &#8211; глюонами (от англ. glue &#8211; клей). Чтобы описать все возможные изменения цвета кварков в процессах взаимодействия, нужно было иметь восемь различных полей. Для этого необходимо было приписать кваркам особый, цветовой заряд, определяющий меру их взаимодействия с глюонным полем (подобный электрическому заряду, определяющему взаимодействие электрона с электромагнитным полем). Оказалось, что поведение глюонных полей может быть описано с помощью уравнений, являющихся обобщением уравнений Янга &#8211; Миллса.
 
Таким образом, появилась теория, описывающая сильные взаимодействия. Эта теория получила название &laquo;квантовая хромодинамика&raquo;(КХД).
 
Анализ уравнений квантовой хромодинамики позволил объяснить отрицательные результаты поиска свободных кварков. Явление невылетания кварков из адронов, получило название &laquo;конфайнмент&raquo; (от англ. confinement &#8211; заключение, заточение, ограничение). Дело в том, что согласно КХД кварки оказываются как бы связанными глюонными струнами &#8211; рис. 5. С увеличением расстояния между кварками энергия взаимодействия растёт подобно тому, как растёт потенциальная энергия камня, поднимаемого над поверхностью Земли. Когда потенциальная энергия оказывается достаточно большой, &laquo;струна&raquo; рвётся и запасённая в ней энергия глюонного поля расходуется на образование новых адронов &#8211; барионов и мезонов. В качестве примера рассмотрим реакцию
 
<math>p \to n + \pi^+</math>,
 
протекающую при сообщении протону достаточно большой энергии &#8211; см. рис. 6. Пусть энергия, сообщаемая протону, передаётся входящему в него u - кварку. Если энергия достаточно велика, то струна, соединяющая рассматриваемый кварк с &laquo;остатком&raquo; протона, может разорваться. При этом возможно рождение виртуальной пары <math>(d,\;\tilde d)</math>. Далее, как видно из рис. 6, антикварк
<math>\tilde d</math> объединяется с исходным кварком u (отделяемым от протона) и образует пион <math>\pi^+ = (u\tilde d).</math> Второй же кварк из пары (d) возвращается в исходный адрон, в результате чего возникает нейтрон.
 
[[Изображение:micromir24.gif]]
Рис.5. Два кварка q_1 и q_2, соединённые струной
 
[[Изображение:micromir25.gif]]
Рис.6. Разрыв струны, соединяющей кварки, и рождение пары &laquo;кварк&#8211;антикварк&raquo;
 
Внутри адронов (т. е. как бы в отсутствие натяжения &laquo;струны&raquo;) кварки ведут себя как точечные невзаимодействующие частицы. Последнее свойство названо &laquo;асимптотической свободой&raquo;. Следует подчеркнуть, что теорию сильных взаимодействий пока ещё нельзя считать завершённой &#8211; в ней остаётся множество нерешённых проблем, связанных со сложным характером взаимодействий.
 
 
 
== 14. Единая теория электрослабого взаимодействия==
 
Использование идей Янга &#8211; Миллса позволило не только разобраться с сильными взаимодействиями, но и преодолеть трудности теории слабых взаимодействий. Первым шагом на пути построения теории явилось предположение о том, что слабое взаимодействие осуществляется не контактно (как считалось в теории универсального четырёхфермионного взаимодействия), а посредством обмена тремя промежуточными бозонами. Эти частицы, обозначаемые как <math>W^ + ,W^ - ,Z^0 ,</math> взаимодействуют между собой и с электромагнитным полем и описываются уравнениями Янга &#8211; Миллса. Эта идея позволила Ш. Глэшоу, С. Вайнбергу и А. Саламу в 1967&#8211;1968 гг. создать единую теорию слабого и электромагнитного взаимодействий, а её авторы были удостоены в 1979 г. Нобелевской премии. По их теории переносчиками электрослабого взаимодействия являются четыре частицы: триплет массивных бозонов <math>W^ + ,W^ - ,Z^0 ,</math> и безмассовый фотон, и при высоких энергиях участвуют во взаимодействиях равноправно. Одним из главных достоинств теории оказалась её перенормируемость.
 
Промежуточные бозоны <math>W^ + ,W^ - ,Z^0 ,</math> были открыты в 1983 г. Их масса составила <math>m_W c^2 \approx 80,6 </math> ГэВ, <math>m_Z c^2 \approx 91,2 </math> ГэВ.Изучение свойств W- и Z- бозонов подтвердило правильность идей, заложенных в теории электрослабого взаимодействия.
 
Как было сказано выше, квантовая хромодинамика и единая теория электрослабого взаимодействия основаны на теории Янга &#8211; Миллса. Это породило надежды на построение единой теории слабых, электромагнитных и сильных взаимодействий. Поставлен также вопрос о включении в эту схему и гравитационного взаимодействия. Однако решение этой задачи, создание &laquo;теории Великого объединения&raquo; &#8211; дело уже физики XXI века.
 
== 15. Заключение==
 
Итак, менее чем за один век представления о фундаментальных законах, определяющих всё многообразие явлений в природе, радикально изменились. Мы многое узнали о тех &laquo;строительных элементах&raquo;, из которых состоит вещество, об их свойствах и законах взаимодействия между собой. Разумеется, не всегда нужно явно учитывать глубинные свойства материи. Например, изучая течение жидкости, мы рассматриваем уже готовые &laquo;кирпичики&raquo; &#8211; атомы, молекулы, образующие вещество, не вникая в устройство самих &laquo;кирпичиков&raquo; и иногда даже не детализируя законы их взаимодействия между собой. При этом мы открываем множество интереснейших явлений &#8211; от простейших, гармонических волн до турбулентности и различных видов упорядочения в жидкости, объясняем происхождение волн цунами и Большого красного пятна на Юпитере. Однако, иногда встречаются явления, которые невозможно объяснить на основе законов, главенствующих на данном уровне. Пример тому &#8211; зависимость теплоёмкости от температуры, легко определяемая уже с помощью простейшего лабораторного оборудования, но необъяснимая с позиций классической физики. Не менее загадочной представлялась вначале и сверхпроводимость. Попытки объяснения подобных явлений неизбежно выводят исследователей на новый, более глубокий уровень понимания строения вещества, меняя представления о законах элементарных взаимодействий и, быть может, о свойствах пространства и времени.
 
Проникновение на новые уровни требует, как правило, более сложной техники эксперимента, более высоких энергий, а для теоретических расчётов &#8211; более сложных математических методов. Эти затраты тем не менее окупаются получением не только нового знания, но и созданием новой техники, новых технологий и т. д. Например, открытие законов квантовой механики позволило объяснить свойства полупроводников и открыло дорогу современной электронике. Открытие законов ядерных взаимодействий привело к созданию ядерной энергетики, а в ближайшей перспективе &#8211; и термоядерной энергетики. Однако надо постоянно иметь в виду ещё одну сторону технического прогресса: чтобы пользоваться некоторыми приборами, устройствами и т. д., основанными на новейших открытиях, часто необходимо не только уметь &laquo;нажимать кнопки&raquo;, но и понимать, с чем имеешь дело. Невежество здесь может очень дорого обойтись. Пример тому &#8211; взрыв на Чернобыльской атомной электростанции, которого можно было бы избежать, если понимать, с чем имеешь дело.
 
В рамках краткого очерка невозможно остановиться на всех вопросах фундаментальной науки &#8211; их истории и влиянии на последующее развитие физики. Мы не касались такой удивительно красивой области, как теория гравитационного поля, её связи с проблемами эволюции Вселенной и законами микромира. Почти не затрагивали мы и тех идей, которые сыграли определенную роль в создании современных физических концепций, но сами остались в прошлом, оказавшись либо ошибочными, либо малопродуктивными.
 
Завершить обзор мне хотелось бы словами известного астронома и физика К. Шварцшильда: &laquo;Хотя законы природы, которые мы стремимся открыть, быть может, и совершенны, но человеческий разум далёк от совершенства: предоставленный самому себе, он склонен заблуждаться, чему мы видим печальное подтверждение среди примеров прошлого. Действительно, мы очень редко упускаем возможность впасть в заблуждение; только новые, полученные из наблюдений данные, с трудом отвоёванные у природы, возвращали нас на правильный путь&raquo;.
 
== Сноски ==
 
{{Note|feineman}}Р. Фейнман &#8211; один из создателей современной квантовой электродинамики, лауреат
Нобелевской премии (1956 г.), автор знаменитого курса &laquo;Фейнмановские лекции по физике&raquo;.
 
 
{{Note|nuclony}}Нуклоны (от лат. nucleus &#8211; ядро, зерно, косточка) &#8211; собирательное название протонов и нейтронов &#8211; частиц, образующих атомные ядра.
 
{{Note|adrony}}Адроны (от греч. hadr&#972;s &#8211; большой, сильный) &#8211; частицы, участвующие в сильных взаимодействиях. Термин предложен Л. Б. Окунем в 1967 г.
 
{{Note|kvarki}}Слово &laquo;кварк&raquo; не имеет смыслового значения. Это название заимствовано из романа ирландского писателя Дж. Джойса &laquo;Поминки по Финнегану&raquo; (1939 г.): герой романа в своих снах неоднократно слышал слова о трех таинственных кварках. Заметим, что в 1964 г. для построения всех известных адронов было достаточно трех кварков.
 
{{Note|pauli}}По принципу Паули в одном квантовом состоянии не могут находиться два или более одинаковых фермиона (т.е. частиц с полуцелым спином). Для конструирования некоторых адронов нужно использовать кварки нескольких типов, в том числе &#8211; повторяющихся. Поэтому, чтобы пространственно совместить одинаковые кварки, нужно сделать их &laquo;немножко различными&raquo;, отличающимися &laquo;цветом&raquo;
 
 
 
[[Категория:журнал «Потенциал»]]
1224

правки