Грушевицкая Т.Г., Садохин А.П. Концепции современного естествознания

Подождите немного. Документ загружается.

когда он случайно обнаружил, что соли урана засвечивают ле

жащую в столе фотопластинку. В ходе дальнейших

исследова-1

ний, в которых важнейшую роль сыграли супруги Я. и М.

КюриЛ

было установлено, что некоторые элементы в

естественных

ус-1

ловиях могут испускать радиоактивные лучи и в результате

пре-1

вращаться в другие химические элементы. Эти открытия

опро-1

вергали представления об атомах как о твердых и

неделимых!

структурных элементах вещества.

Первая модель атома принадлежит Дж. Томсону. В ней атом \

похож на

«пудинг

с изюмом», где «пудинг» — это сам атом, а роль 1

«изюма»

играют электроны. Иными словами, атом представлял ]

собой положительно заряженную сферу диаметром около

10"

м, I

в которую «вкраплены» электроны. При этом электроны

группи-

]

ровались вокруг центра сферы, а масса атома равномерно рас-

пределялась по его объему.

Более удачная модель атома была предложена Резерфордом

после его опытов с альфа-частицами в

1911

г. Это была так на-

зываемая планетарная модель атома, напоминавшая Солнечную 3

систему. В центре атома находилось положительно заряженное |

ядро, вокруг которого вращались отрицательно заряженные элек- \

троны, похожие на маленькие планеты.

Другое направление исследований было связано с изучением

поля и волновых процессов в нем. Ведь к началу XX века в фи-

зике существовало два противоположных представления о мате-

рии — корпускулярное и континуальное. Тогда считалось, что ]

они никак не связаны друг с другом.

Одной из сложнейших проблем физики этого времени было

построение теории теплового излучения абсолютно черного тела.

Дело в том, что в соответствии с расчетами классической элек-

тродинамики, оно должно было неограниченно возрастать, а это

явно противоречило опыту.

Ив

1900 г.

М.

Плат

предположил,

что излучение энергии в этом случае происходит не непрерыв-

но, а определенными порциями — квантами. Эта гипотеза стала

началом новой эры в физике, так как ее начали применять с

большой пользой для объяснения других явлений, также не под-

дававшихся объяснению в рамках классической физики.

Так, в

1905

г. А. Эйнштейн ввел понятие кванта света и ис-

пользовал его для объяснения фотоэффекта. При этом было до-

казано, что свет обладает одновременно и корпускулярными, и

волновыми свойствами. Так появилось понятие о корпускулярно-

волновом

дуализме, позже распространенном на весь микромир.

Это был революционный шаг — признать, что свет распростра-

186

няется

как волна, но излучается и поглощается как частица. По-

сле этого стало понятно, как возникает фотоэффект — выбива-

ние электрона из вещества под действием света: фотон выбивал

электрон, если он имел достаточную энергию (а значит, доста-

точно большую частоту), способную преодолеть силы связи

электрона с веществом.

В 1913 г.

П.

Бор применил идею кванта для решения вопроса

о строении атома, уточнив планетарную модель атома Резерфор-

да. Бор показал, что система атома существует на основе элек-

тромагнитных сил, а не гравитационных, как считал Резерфорд.

Также модель атома Бора уточняла, что в каждом атоме сущест-

вует несколько стационарных орбит электронов, двигаясь по ко-

торым, они не излучают энергии. Лишь при переходе электрона

из одного стационарного состояния в другое атом излучает или

поглощает энергию.

Модель атома Бора хорошо описывала атом водорода — са-

мого простого из всех возможных элементов, так как он состоял

из одного протона и одного электрона. Когда же он попытался

распространить свою модель на многоэлектронные атомы, то

столкнулся с большими трудностями. Полученные на практике

орбиты электронов в таком атоме сильно расходились с расчет-

ными значениями, в связи с чем пришлось признать, что элек-

трон тоже обладает волновой природой. Поэтому электрон — не

шарик, не точка, он обладает особой внутренней структурой,

которая до сих пор неизвестна. В действительности электроны

как бы «размазаны» по атому, образуя электронное облако.

Следующий щаг в создании новой теории был сделан Луи де

Бройлем,

выдвинувшим в 1924 г. гипотезу о волновых свойствах

материи. Он довел идею кванта до логического конца и

утвер-

ждал, что волновые свойства присущи не только квантам света и

электронам, но и протонам, атомам, молекулам и даже макроско-

пическим телам. Длина волны определяется формулой X =

Н/т\.

Разумеется, применительно к макроскопическим телам это не

реальные волны, а абстрактно-математические или, как их на-

звал

М. Борн, «волны вероятности». Также их называют волнами

де Бройля. Экспериментальные свидетельства, подтверждающие

идею ученого, были получены в 1927 г. с открытием явления ди-

фракции электрона. Позже была открыта дифракция нейтронов,

атомов и даже молекул.

Так корпускулярно-волновой дуализм стал важнейшим свой-

ством материи на микроуровне. Любой объект демонстрирует

как свойства частицы, так и свойства волны. В силу этого любая

187

Поле и вещество

микрочастица обладает дополняющим друг друга набором ха-

рактеристик, что приводит к осознанию того факта, что сущест-

вовавшее длительное время деление материи на поле и вещество

на самом деле весьма условно.

В литературе часто основные формы материи

подразделяют на поле и вещество. Такое деле-

ние имеет некоторый смысл, но оно ограниченно. Под веществом

подразумевают различные частицы и тела, которым присуща масса

покоя, тогда как

пом

и их кванты массы покоя не имеют, хотя об-

ладают энергией, импульсом и множеством других свойств.

Но поле и вещество нельзя противопоставлять друг другу. Ес-

ли рассматривать структуру вещества, то во всех системах внут-

реннее пространство будет «занято» полями, на долю собственно

частиц приходится ничтожная часть общего объема системы (при-

мерно

1О~

—

10~

объема), т.е. поля входят в структуру веще-

ства. В свою очередь квантами полей выступают частицы, отно-

сящиеся к веществу. В этой неразрывной взаимосвязи частиц и

полей можно видеть одно из важнейших проявлений единства

прерывности и непрерывности в структуре материи.

Частицы обладают относительной прерывностью и локализо-

ванностью

в пространстве, тогда как поля непрерывно распреде-

лены в пространстве. При этом поля не являются абсолютно кон-

тинуальными средами. При излучении и поглощении они прояв-

ляются относительно дискретно — в виде квантов: фотонов, ме-

зонов и др. Кванты полей взаимодействуют с частицами вещества

как дискретные образования. Частицы вещества также нельзя

представлять в виде каких-то микроскопических шариков с абсо-

лютно резкими гранями. Частицы неотделимы от полей, и не су-

ществует абсолютно четкой границы, где кончается собственно

частица и начинается ее внешнее поле. В пограничной области

существует непрерывный взаимопереход полей и частиц.

8.5. Мир элементарных частиц

Дальнейшее проникновение в глубины микромира связано с

;

переходом от уровня атома к уровню элементарных частиц. По-

прежнему

мысль физиков была устремлена на то, чтобы свести

все многообразие сложных свойств тел и явлений природы к

простым свойствам небольшого числа первичных частиц, кото-

рые можно было бы назвать элементарными. В строгом смысле

слова такие частицы не должны содержать в себе каких-либо

других элементов.

1ЯЯ

Однако в обычном употреблении физики называют эле-

ментарными такие частицы, которые не являются атомами или

атомными ядрами, за исключением протона и нейтрона.

История открытия Открытие элементарных частиц началось с

элементарных конца

XIX

в., хотя до 20-х годов XX в. были

частиц известны всего две частицы — электрон и

фотон. Протон был открыт Резерфордом в 1919 г. при бомбар-

дировке атома альфа-частицами. Открытие большинства извест-

ных сегодня элементарных

частиц

происходило в два этапа.

Первый этап приходится на

30—50-е

годы XX века. В 1932 г.

был открыт лишенный электрического заряда нейтрон, а в

1936 г. — позитрон, первая античастица, во всем подобная элек-

трону, но обладающая положительным электрическим зарядом.

В 1935 г. X. Юкавой было предсказано существование мезонов,

которые позже были обнаружены в космических лучах. Далее

были обнаружены нейтрино. Таким образом, к концу 50-х годов

были известны 32 элементарные частицы, причем каждая новая

частица была связана с открытием принципиально нового круга

физических явлений.

Второй этап в открытии элементарных частиц приходится на

60-е годы, когда общее число известных частиц превысило 200. В

это время основным средством открытия и исследования элемен-

тарных частиц стали ускорители заряженных частиц. С их

помо-

щью удалось открыть такие античастицы, как антипротон и анти-

нейтрон. В

70—80-е

года поток открытых частиц увеличился, сре-

ди них появились странные, красивые, очарованные частицы, а так-

же резонансы. Сегодня известно около 350 элементарных частиц.

Несмотря на то, что количество открытых

частиц продолжает расти, у всех у них мож-

но отметить несколько общих свойств, одно

из которых —

корпускулярно-волновой

дуа-

лизм — уже рассматривалось нами ранее.

Второе свойство элементарных частиц было выделено, когда

после открытия большого числа античастиц ученые заговорили о

возможности существования антивещества и даже антимира. Это

пока лишь гипотеза, но наличие почти у всех частиц соответст-

вующих им античастиц на сегодня является установленным фак-

том. Античастицы отсутствуют лишь у фотона и двух мезонов.

Античастицы по своим свойствам аналогичны обычным части-

цам, отличаясь лишь противоположными знаками электрического

заряда и магнитного момента. Возможно, что при переходе от

189

Свойства

элементарных

частиц

мира к антимиру проявятся еще некоторые отличия — поменя-

ются местами «право» и «лево», а время будет течь от будущего к

прошлому.

При соприкосновении вещества с антивеществом проис-

ходит процесс аннигиляции — превращение частиц и античас-

тиц в фотоны и мезоны больших энергий (вещество превращает-

ся в излучение).

Еще одним важнейшим свойством элементарных частиц явля-

ется их универсальная взаимопревращаемость. При этом мы стал-

киваемся с принципиально новым свойством вещества на микро-

уровне. Одним из основных методов познания мира сегодня яв-

ляется системный подход, рассматривающий весь мир как сово-

купность иерархически организованных систем. Это означает, что

в любой системе мы можем выделить подсистемы и элементы

системы, каждый из которых в свою очередь обладает своей внут-

ренней структурой. Для элементарных частиц это утверждение

неверно. Продукты превращения и распада элементарных час-

тиц не более просты, чем исходные объекты. Это другие элемен-

тарные частицы. Почти каждая элементарная частица может быть

составной частью другой элементарной частицы. Понятия «про-

стое*

и «сложное», «часть» и «целое» имеют на уровне микромира

совсем другое, непривычное для нас значение. При этом скорее

всего элементарные частицы все же обладают внутренней струк-

турой, но нам она пока недоступна.

Хаиктеиистики

Элементарные частицы обладают довольно

«..«ит^пии,.

большим количеством характеристик. На ос-

элементарных

частиц и их новании некоторых из них можно дать клас-

классификация

сификацию элементарных частиц.

Так, одной из важных характеристик час-

тиц является их масса. Причем во внимание берется масса покоя

частиц, так как при движении частиц с большими скоростями их

масса сильно возрастает. Это заставляло ученых некоторое время

ошибочно считать, что они открыли новые частицы. За единицу

отсчета берется масса покоя электрона. Он считается самой лег-

кой из всех частиц. В зависимости от массы покоя все частицы

можно разделить:

• на частицы, не имеющие массы покоя. Это фотоны, дви-

жущиеся со скоростью света;

• лептоны — легкие частицы. К ним относятся электрон и

нейтрино;

• мезоны — средние частицы с массой от одной до тысячи

масс электрона;

190

•

барионы

— тяжелые частицы с массой более тысячи масс

электрона. К ним относятся протоны, нейтроны, гиперо-

ны, многие резонансы.

Другой важной характеристикой элементарных частиц являет-

ся электрический заряд. Он всегда кратен фундаментальной еди-

нице заряда — заряду электрона

(—1).

Заряд может быть отрица-

тельным, положительным либо нулевым. Должны существовать

также частицы с дробным электрическим зарядом — кварки.

Время жизни — еще одна характеристика частиц. При этом

различают стабильные и нестабильные частицы. К стабильным

частицам относятся фотон, электрон, протон и нейтрино. Ней-

трон стабилен, когда находится в ядре атома. Свободный нейтрон

распадается в среднем за 15 минут. Все остальные частицы — не-

стабильные,

они существуют

10~

—

10~

с. Самые короткожи-

вушие

частицы называются резонансами. Эти частицы распадают-

ся еще до того, как успеют покинуть атом или атомное ядро. Их

время жизни —

10~

—

10~

с. Существование этих частиц вы-

числено теоретически, в реальных экспериментах они не фикси-

руются. Разумеется, наиболее важная роль в мире принадлежит

стабильным частицам, из которых и состоят все макротела.

По типу

взаимодействия,

в котором участвуют

элементарные частицы, все они подразделяются:

. на лептоны, участвующие в электромагнитном и слабом

взаимодействиях;

• адроны, участвующие также и в сильном взаимодействии;

• частицы — переносчики взаимодействий.

Но самой важной характеристикой частиц является спин —

| собственный момент количества движения {импульса) частицы.

В классической механике такая величина характеризует вра-

щение тела, например волчка. Но буквальный перенос этого по-

нятия на микрочастицы теряет смысл, поскольку элементарные

частицы невозможно представить вращающимися крохотными

шариками. В физике спин интерпретируется как внутренняя сте-

пень свободы частицы, обеспечивающая ей дополнительное фи-

зическое состояние. В отличие от классического момента количе-

ства движения, который может принимать любые значения в их

непрерывной последовательности, спин принимает только поло-

жительные дискретные значения, пропорциональные постоянной

Планка. Коэффициент пропорциональности называется спиновым

квантовым числом. У одних частиц он имеет целочисленные зна-

чения (0, 1, 2), а у

других

— полуцелые значения (1/2, 3/2). Час-

191

типа со спином 0 при любом угле поворота выглядит одинаково.

Частица со спином 1 принимает тот же вид после полного оборо-

та на 360°, а частица со спином 2 —• после оборота на 180°. Чтобы

легче представить себе частицы с различными спинами, можно.

провести аналогию и сравнить частицу со спином 0 с точкой, со

спином 1 — со стрелой, а со спином 2 — со стрелой, заточенной

с обеих сторон. Частицы со спином 1/2 принимают тот же вид

при повороте на 720°.

Свойства и поведение частиц существенно зависят от того,

целое или полуцелое значение имеет их спин. Исходя из

этого

значения, можно систематизировать и классифицировать данные

обо всех элементарных частицах, разделив их на частицы

веще-

ства и частицы полей.

Частицы с полуцелым спином называются

фермионами

(в

честь известного физика Э. Ферми). Это не что иное, как

части-

цы вещества, которые, хотя и обладают волновыми свойствами,

но в классическом пределе воспринимаются как истинные части-

цы. К ним относятся такие известные частицы, как электроны,

протоны,

нейтроны, спин которых равен 1/2. Известна частица,

спин которой равен 3/2 — омега-гиперон. Все эти частицы обла-

дают свойством, имеющим характер закона — частицы с

полуце-

лым спином могут находиться вместе лишь при условии, что их фи-

зические состояния, т.е. совокупность характеризующих частицу

параметров, не

одинаковы,

Этот закон в квантовой механике на-

зывается запретом Паули. Если бы этого запрета не

существовало,

то еще в первые мгновения существования нашей Вселенной об-

разовавшиеся частицы вещества слиплись бы и превратились в

более или менее однородное «желе», не позволив образоваться

современной структурной Вселенной.

Частицы с целочисленным спином называются бозонами

(в

честь индийского физика Ч. Бозе). Бозоны — это кванты полей,

которые, хотя и обладают корпускулярными свойствами, в клас-

сическом пределе выступают как поля. На них запрет Паули не

распространяется. Примером бозонов служат фотоны, спин ко-

торых равен 1, и мезоны, спин которых равен 0. Возможно, су-

ществуют частицы со спином 2 — гравитоны.

Лептоны.

Это легкие элементарные частицы, спин которых

равен 1/2. Наиболее известен из этой группы электрон —

первая

открытая элементарная частица. Другой хорошо известный леп-

тон, но уже без электрического заряда, это нейтрино — практи-

чески неуловимая частица, обладающая очень высокой прони-

кающей способностью. Нейтрино являются самыми распростра-

192

ненными частицами во Вселенной. Их существование получило

экспериментальное подтверждение через тридцать лет после то-

го, как они были предсказаны. Для этого физикам пришлось

ждать создания ядерных реакторов, при работе которых испус-

кается огромное количество нейтрино. Только тогда удалось за-

фиксировать лобовое столкновение одной частицы с ядром и

тем самым

доказать,

что она действительно существует. Соглас-

но некоторым данным, нейтрино обладает крохотной, но не ну-

левой массой в одну десятитысячную массы электрона. Если это

так, то при преобладании нейтрино во Вселенной (их больше

протонов и нейтронов в миллиард раз) в будущем наш мир мо-

жет ждать коллапс, стягивание Вселенной в маленькую точку.

Среди прочих лептонов следует назвать

мюон,

открытый в

1936 г. в продуктах взаимодействия космических лучей. Он ока-

зался одной из первых открытых нестабильных частиц. Во всех

других отношениях, кроме стабильности, он напоминает элек-

трон — имеет тот же заряд и спин, участвует в тех же взаимо-

действиях,

но имеет большую массу. Мюоны широко распро-

странены в природе, на их долю приходится значительная часть

фонового космического излучения, регистрирующегося на по-

верхности Земли.

В конце 70-х годов был обнаружен еще один

лептон,

на-

званный тау-лептоном. Он тяжелее мюона, в остальном же по-

хож на него и на электрон.

В 60-е годы было установлено, что существует несколько ви-

дов нейтрино — в паре с каждым заряженным лептоном. Таким

образом, есть электронное,

мюонное

и тау-лептонное нейтрино.

В таком случае, общее число лептонов равно шести. С уче-

том того, что у каждого лептона есть античастица, общее число

этих частиц — 12.

Адроны.

Этих частиц известно сотни. Они также являются

фермионами. Наиболее известными адронами являются прото-

ны и нейтроны, их еще называют барионами. Остальные части-

цы этого класса нестабильны и быстро распадаются. Помимо

барионов, к адронам также относятся тяжелые частицы — гипе-

роны, мезоны и большое количество

резонансов.

Исследования

50-х годов показали, что, скорее всего, адроны не являются эле-

ментарными частицами, а построены из более мелких состав-

ляющих. Тайна адронов была открыта в 60-е годы, когда была

создана кварковая модель адронов.

Частицы — переносчики взаимодействия. Лептоны и адроны,

являющиеся фермионами, представляют собой вещество нашего

мира. Но есть еще

один

тип частиц, которые не являются

веще-*!

ством, а обеспечивают только соединение, взаимодействие частиц I

вещества между собой, не позволяя миру распадаться на части)]

Эти частицы являются бозонами.

Существует четыре типа фундаментальных физических

взаич

модействий. У каждого из них — свои частицы-переносчики. Пе- ;

реносчиком электромагнитного взаимодействия является фотон,

гравитационного взаимодействия — гравитон, слабого

взаимодей*

ствия —- три тяжелых векторных бозона, сильного взаимодейст- ]

вия

—

глюоны.

8.6. Основы кварковой теории

Кварковая

теория — это теория строения адронов, представ-

ляющая собой еще один шаг вглубь материи. Она сформулиро-

вана в 1963 г. после того, как было высказано предположение,

что все адроны построены из более мелких частиц. Авторами

кварковой теории стали

Марри

Гелл-Манн и

Джордж:

Цвейг из

Калифорнийского технологического института. Кварки являют-

ся фермионами, так как их спин равен 1/2, вместе с лептонами

они на сегодняшний день являются подлинно элементарными

частицами, внутренняя структура которых неизвестна.

Основная идея этой теории очень проста. Все адроны по-

строены из более мелких частиц — кварков. Этот термин был

выбран совершенно произвольно и демонстрирует своеобразное

чувство юмора физиков — авторов этой теории. Слово «кварк»

было позаимствовано из романа Д. Джойса «Поминки по Фин-

негану», герою которого снился сон, в котором летали чайки и

кричали: «Три кварка для мистера Марка!» В переводе с немец-

кого это слово означает «чепуха».

Кварки — это электрически заряженные частицы, причем их

заряд — дробное число. Он может быть равен либо

-1/3,

либо

+2/3 заряда электрона. Кварки могут соединяться друг с другом

двумя способами — парами и тройками. Соединение трех квар-

ков образует барионы, среди которых всем известны протоны и

нейтроны. Соединением кварка и антикварка образуются мезо-

ны, соединением трех антикварков — антибарионы. Большинст-

во образующихся частиц являются барионными и мезонными

резонансами. При таком соединении дробные заряды суммиру-

ются до нуля или единицы.

Первое время считалось, что кварков всего три типа — их на-

звали ароматами (ассоциация с обонянием здесь не годится, это

194

квантовое число) —

ир,

фгмп,

з(гаще.

Но в 1974 г. были открыты

новые адроны, для которых уже просто не было свободных квар-

ков. Поэтому число кварков было расширено до шести — доба-

вились ароматы

сИагт,

Ьеаи1у,

шИ.

Ароматы обозначаются пер-

выми буквами своих названий.

Кварки во многих отношениях схожи с лептонами — и те и

другие являются подлинно элементарными частицами. Их раз-

меры менее

10~

см. Как

лептоны

можно сгруппировать попар-

но (лептон и соответствующий ему нейтрино), так же группи-

руются и кварки.

Интересно отметить, что все обычное вещество во Вселенной

состоит лишь из двух легчайших

лептонов

(электрона и электрон-

ного нейтрино) и двух легчайших кварков

й.

Если бы все

остальные

лептоны и кварки внезапно прекратили свое сущест-

вование, то в окружающем нас мире, по-видимому, очень мало

что изменилось. Возможно, более тяжелые лептоны и кварки

играют роль дублеров легчайших частиц. Все они нестабильны и

быстро распадаются на стабильные частицы.

В описанной схеме обнаруживается принципиальный дефект.

Кварки, будучи фермионами, должны подчиняться запрету Пау-

ли. Они не могут соединяться вместе, если их состояния одина-

ковы. А в барионньгх и антибарионных частицах кварки одного

аромата часто оказываются вместе. Например, протон образует-

ся комбинацией кварков

иий,

а нейтрон —

иди.

Казалось бы,

нарушается запрет Паули. Для устранения этого противоречия

ввели предположение, что кварки одного аромата не идентичны,

а различаются характером взаимодействия друг с другом. Поэто-

му для описания кварков ввели

еше

одно квантовое число. Про-

должая шутить, физики назвали его «цветом». Как «аромат» не

имеет отношения к запаху, так и «цвет» не имеет ничего общего

с общепринятым смыслом этого слова. Не стоит забывать, что

размеры кварков намного меньше длины волны видимого света.

Введение нового квантового числа оказалось удачным, недавние

эксперименты на ускорителях подтвердили, что разделение квар-

ков одного аромата на три цвета — красный, синий, зеленый —

отражает действительность.

При объединении кварков и антикварков в адроны должны

выполняться два условия:

• суммарный электрический заряд кварков

адроне должен

быть целочисленным, скомпенсированным до нуля или еди-

ницы;

* 195

• кварки, соединяющиеся в

адрон,

должны полностью ком-

пенсировать свои цветовые заряды и удовлетворять при-

знаку бесцветности

(конфайнмент).

Это связано с тем, что

только кварки проявляют способность к сильному взаимо-

действию, связанному с цветовыми силами. Адроны таких

способностей не имеют в силу своей бесцветности.

Долгое время ученые пытались обнаружить кварки в экспе-

рименте, доводя точность измерений до очень высоких значе-

ний. Пришлось признать, что законы нашего мира запрещают

существование частиц с дробным электрическим зарядом по-

одиночке. Но в 1969 г. в Стэнфорде были проведены опыты,

доказавшие существование кварков. В ходе экспериментов про-

тон бомбардировался электроном. При этом электроны как бы

налетали на крохотные твердые вкрапления и отскакивали от

них под самыми невероятными углами. Очевидно, эти твердые

вкрапления и были кварками.

^^?

Вопросы для обсуждения

Какие из выделенных нами структурных уровней организации материи

относятся к микромиру, макромиру,

мегамиру?

2. Какие агрегатные состояния вещества вы знаете? Сравните свойства

вещества в разных агрегатных состояниях.

3. Какие представления о поле и веществе существуют в классической

физике? Чем они отличаются от современных взглядов?

Что такое

корпускулярно-волновой

дуализм? Как было сформулиро-

вано это понятие?

Что сегодня понимается под элементарными частицами? Насколько

они элементарны на самом деле?

6. Какие элементарные частицы стабильны? Назовите их другие харак-

теристики.

7. Что такое

фермионы

и бозоны? Чем они отличаются друг от друга?

8. Что такое запрет Паули? Какую роль он играет в мире?

9. Чем отличаются адроны и пептоны?

Понятие

о движении

в физике

Глава 9

Движение и физическое

взаимодействие

9.1. Понятие о движении

и взаимодействии в физике

Связь, взаимодействие и движение представляют собой важ-

нейшие атрибуты материи, без которых невозможно ее сущест-

вование. Долгое время, выстраивая научную картину мира, фи-

зики отводили ведущую роль движению. Оно считалось важ-

нейшей характеристикой материи.

В широком смысле движение трактовалось

как любое изменение, происходящее в при-

роде. Но в физике движение понималось как

механическое перемещение, изменение по-

ложения тела в пространстве с течением времени относительно

выбранной точки отсчета. Есть и иные формы движения — в жи-

вой природе, в обществе. В неживой природе также можно выде-

лить такие формы, как химическое и геологическое движение. •

Тем не менее именно физика занимается исследованием про-

цессов, которые происходят в неживой природе и являются фун-

даментом гораздо более сложных процессов, происходящих на

более высоких уровнях организации материи. И механическое

движение является основой всех более сложных форм движения,

как физических, так и нефизических. Так, механическим явля-

ется движение по определенной траектории, но существует бес-

траекторное

пространственное перемещение типа сферического

распространения фронта электромагнитных или гравитацион-

ных волн в полях. Движение элементарных частиц тоже нельзя

представить в виде определенной траектории, как у материаль-

ной точки. Совершенно другим законам подчиняются измене-

ния (движения), происходящие в живых организмах и обществе.

Однако у всех форм движения материи есть

•

юнятие

у-

-л

взаимодействия нечто общее. Все они сводятся к взаимодеи-

в физике

ствию

тел, которое обусловливает соедине-

ние различных материальных элементов в

системы, их структурные связи и контакты с другими матери-

197

альными системами. Таким образом, все свойства тел

произвол

ны от взаимодействий. Для всякого объекта существовать

значит взаимодействовать, как-то проявлять себя по

отношенш

к другим телам, находиться с ними в объективных отношениях.

I Взаимодействие представляет собой развертывающийся во

времени и пространстве процесс воздействия одних объектов на

другие путем обмена материей и движением.

Взаимодействие всегда выступает как движение материи, а

любое движение включает в себя различные виды взаимодейст-

вия. По существу, эти понятия совпадают, хотя часто

употребля-

ются в разных контекстах. Когда мы говорим о движении, то

имеем в виду не столько внутренние изменения, основанные на

структурных взаимодействиях элементов системы, сколько внеш-

нее пространственное перемещение тел, где взаимодействия как

будто не видно. Но если взглянуть глубже, то и при пространст-

венном перемещении тел обязательно есть их взаимодействие с

окружающей средой и материальными полями, в результате чего

изменяются свойства тел. Не существует такого движения, в со-

держании которого не было бы взаимодействия элементов мате-

рии. В то же время всякое взаимодействие выступает как опреде-

ленное изменение и движение.

9.2. Общая характеристика

физических взаимодействий

Последовательное описание взаимодействия, раскрытие его

механизма — одна из центральных задач всей физики. На про-

тяжении столетий в науке сформировались два принципиально

различных способа описания механизма физического взаимо-

действия. Это принципы дальнодействия и близкодействия.

„

- Исторически первым был сформулирован

опосооы

описа-

., ~

„ „

ния механизма принцип

дальнодействия,

Ьго

автором стал

физического

И.

Ньютон, который с его помощью пытался

взаимодействия объяснить механизм действия гравитацион-

ных сил. Согласно принципу дальнодейст-

вия, взаимодействие между телами происходило мгновенно на

любом расстоянии, без каких-либо материальных носителей (аген-

тов взаимодействия).

В XIX в. был сформулирован принцип

близкодействия,

кото-

рый известен в двух вариантах. Первый вариант был предложен

М. Фарадеем, который считал, что взаимодействие между

тела-

198

ми переносится полем, от точки к точке, с конечной скоростью.

В XX веке принцип близкодействия был уточнен, в его совре-

менном варианте утверждается, что каждое фундаментальное фи-

зическое взаимодействие переносится соответствующим полем,

от точки к точке, со скоростью, не превышающей скорость све-

та в вакууме.

Обычно при физическом взаимодействии между двумя телами

происходит частичный обмен импульсом и энергией. Если рас-

смотреть этот процесс более детально, мы увидим, что в один мо-

мент времени первый объект потерял доли импульса и энергии, а

второй объект в следующий момент времени их приобрел. В про-

межутке между первым и вторым моментами времени импульс и

энергия должны принадлежать какому-то третьему материально-

му объекту — посреднику, который

Одолжен

переместиться от

первого объекта ко второму, затратив на это некоторое время.

На небольших расстояниях этим дополнительным временем

можно пренебречь. Так, кргда мы нажимаем кнопку выключате-

ля, свет для нас загорается практически мгновенно. Но чтобы

свет дошел от Солнца до Земли требуется уже около 8

минут,

то

есть время для переноса взаимодействия становится заметным.

Таким образом, с точки зрения современной науки физическое

взаимодействие всегда подчиняется принципу близкодействия, то

есть идет с некоторым запаздыванием. Но во многих задачах, опи-

сывающих механические процессы с медленно движущимися

объ-

ектами, этим запаздыванием можно пренебречь и приближенно

считать его нулевым. Таким образом, многие процессы можно

описывать, используя приближенный принцип дальнодействия.

В XX веке физика смогла

еще

глубже проникнуть в тайны

физического взаимодействия, понять его механизм на уровне про-

цессов, происходящих в микромире. Также удалось свести мно-

гочисленные виды взаимодействий, известных в физике, к не-

большому числу фундаментальных физических взаимодействий.

Любые формы движения, изучаемые физикой, есть проявление

глубинных свойств материи — так называемых фундаменталь-

ных физических

взаимодействий.

Это силы гравитационного,

электромагнитного, сильного и слабого взаимодействий.

В основе каждого фундаментального физического взаимодей-

ствия лежит изначально присущее веществу особое свойство, при-

роду которого удается выяснить лишь в ходе дальнейших, все

более глубоких исследований природы вещества и вакуума. В ка-

честве носителя способности частиц к взаимодействию, а также

количественной мерой самого взаимодействия служит понятие

199

заряаа.

каждая частица изначально обладает одним или

нескаЛ

кими

зарядами, причем между собой взаимодействуют

только

<яВ

нотипные

заряды,

а заряды разных типов друг друга «не

замеча*^Н

Наименьшее дискретное значение заряда — квант —

называ^И

единичным

зарядом. Сила взаимодействия во всех случаях

п^Н

порциональна

произведению зарядов двух

взаимодействующей

частиц, более сложно она зависит от расстояния между

частицаь^И

По современным представлениям, любое взаимодействие про-

исходит по современному принципу

близкодействия.

Поэтому

взаимодействие любого вида должно иметь

своего

физического

агента, поскольку без посредника оно не протекает. В

оснщИ

такого требования лежит тот факт, что скорость передачи

воЛ

действия ограничена фундаментальным пределом — скоростью

света. Воздействие передается через среду, разделяющую

взщЛ

модействующие частицы. Такой средой является вакуум.

В обыденном представлении вакуум ассоциируется с

тгустоЛ

той, но на самом деле это не так. Вакуум — это реальная

физи-1

ческая система, поле с минимальной энергией. Из него

можнй

. получить все другие состояния поля. В вакууме постоянно

проЯ

текают сложные физические превращения, в том числе

поснЯ

янное рождение и исчезновение пар частиц и античастиц.

Модель

Д^

соз

ания

модели физического

взаимо-1

физического действия нужно вспомнить, что материя

мо-1

взаимодействия

жет

быть разделена на поле и вещество, ко-

торые соответственно представлены части-

цами-бозонами и

частицами-фермионами.

В процессе

физиче^И

ского взаимодействия всегда участвуют только

частицы-фер^

мионы (частицы вещества), переносят взаимодействие

частицы-Ч

бозоны (кванты полей).

Таким образом, теория физического взаимодействия

исполь-

зует следующую модель процесса:

• заряд-фермион создает вокруг частицы поле, порождающее

присущие ему частицы-бозоны. По своей природе это поле |

близко к тому, которое физики приписывают вакууму.

Ина-

че говоря, заряд частицы возмущает вакуум, и это

возмуще-

ние с затуханием передается на определенное расстояние;

• частицы поля являются виртуальными — существуют очень

короткое время и в эксперименте не могут быть обнару-

жены;

• оказавшись в радиусе действия однотипных зарядов, две

реальные частицы начинают стабильно обмениваться вир-

туальными бозонами: одна частица испускает бозон и тут ]

200

же поглощает идентичный бозон, испущенный частицей-

ХеГ

сЧ.зон

ами°?ода

эффект притяжения или отталки-

СлГоГаГь™о

"™

частице, участвующей в одном из

^Гент^ьных

взаимодействий, соответствует своя бозонная

сТица-

переносчик взаимодействия. Радиус взаимодействия

Определяется

массой

частицы-переносчика: чем больше ее мас-

ка^ого

^имодействия

можно назвать сферу его

при-

,ен^ия

иТначение

для строения Вселенной, заряд - носитель

заимодействия и частицу - переносчик

взаимодействия,

ре-

гльтаты

взаимодействия, место среди других

взаимодействии,

^^№

отличающие

его от других фундаментальных

в заимодействий.

9.3. Гравитационное взаимодействие

Гравитационное

взаимодействие

первым из всех известных

сегодня

Фундаментальных

взаимодействий стало предметом ис-

тедованиГ^ченых.

Классическая (ньютоновская) теория

тяго-

,сГя

бГаГоздана

еще в XVII в. после открытия закона все-

'Т

°а

витац™„

ное

взаимодействие обладает специфическими

свойствам отличающими его от других фундаментальных

взаи-

модейстЗ

Во^ервых,

это самое слабое из всех известных

взаимода^твий

оно в

10«

раз слабее сиды взаимодействия элек-

шическ

х"арядов

Чтобы эта величина стала понятнее, можно

гоовестГта^ук? аналогию: если бы размеры атома водорода оп-

™шис1^авитанией,

а не электромагнитными силами, то

ра-

да™ктр™на в нем превосходил бы радиус

доступной

наблю-

ДеН

Те'м"не

ме

;ее

™а

шень

слабая

сида

определяет строение

всей

Вселенной"

образование всех космически систем, существование

тшет

звезд

галактик, концентрацию

рассеянной

в ходе эво-

топиизвезд

галактик материи и включение ее в новые циклы

ривитияТакая

огромная роль гравитационного

взаимодействия

отед™ется

его

второй

особенностью - универсальностью. Ни-

™

во

Вселений

не может избежать этой силы. Все тела и час-

тацы не

™ько

имеющие массу, а также поля участвуют в грави-

тк^ионном

взаимодействии. Оно тем больше, чем больше массы

взаимодеТствующи^

тел. Эта закономерность была выявлена еще

201

Ньютоном и сформулирована им в законе всемирного тяготения,

который описывает гравитационное взаимодействие. Поэтому

микромире гравитационная сила слаба, она теряется на фоне бо-

лее могучих сил. Зато в макромире она господствует. Правда, как

считают ученые, при некоторых условиях гравитация может срав-

няться по своей значимости с другими силами, господствующими

в микромире. Для этого требуется, чтобы вещество находилось в

состоянии экстремально высокой плотности, равной

г/см?

(планковская плотность).

Кроме того, гравитация — дальнодействующая сила. Разуме-

ется, ее интенсивность убывает с расстоянием (об этом также

говорит закон всемирного тяготения), но продолжает

сказыватьт

ся и на очень больших расстояниях.

С точки зрения современной науки

гравитационное

взаимо-

действие должно происходить по предложенной нами модели.

Гравитационный заряд, как мы уже отметили, равен

инертной

массе вещества. Он создает вокруг себя гравитационное поле

(поле тяготения), которое должно иметь свою бозонную части-

цу. Данную частицу назвали гравитоном, спин ее равен 2.

Силы тяготения являются результатом постоянного обмена

между телами-гравитонами, или гравитационными волнами. Они

переносят энергию, обладают пространственно-временными свой-

ствами, импульсом и другими характеристиками, присущими ма-

териальным объектам.

Движение тела, обладающего массой, под действием силы

вызывает возмущение своего же гравитационного поля, распро-

страняющегося со скоростью света в форме гравитационной

волны. Поскольку гравитационная сила очень мала, волна имеет

малую амплитуду. Даже такие грандиозные космические собы-

тия, как взрыв сверхновой или коллапс массивной звезды, соз-

дают гравитационные волны, лежащие за пределами чувствитель-

ности современных регистрирующих приборов. Именно поэтому

гравитоны еще не обнаружены.

Для гравитации не существует противоположной эквивалент-

ной силы отталкивания

(антигравитапии).

Даже в антимире, ес-

ли он существует, все античастицы обладают положительными

значениями массы и энергии, поэтому гравитация всегда прояв-

ляется только как притяжение.

Теория гравитационного взаимодействия находится в про-

цессе своего создания, так как помимо полевых представлений о

гравитации существует общая теория относительности, которая

рассматривает ее как искривление

пространства-времени.

Какая

из этих теорий верна, покажет будущее.

202

9.4. Электромагнитное взаимодействие

Электромагнитное взаимодействие также обладает универсаль-

ным характером и существует между любыми телами. Благодаря

электромагнитным связям возникают атомы, молекулы и макро-

скопические тела. Все химические реакции представляют собой

проявление электромагнитных взаимодействий, являются результа-

тами перераспределения связей между атомами в молекулах, пере-

стройки электронных оболочек атомов и молекул, а также количе-

ства и состава атомов в молекулах разных веществ. К электромаг-

нитному взаимодействию сводятся все обычные силы: силы упру-

гости, трения, поверхностного натяжения, им определяются агре-

гатные состояния вещества, оптические явления и др.

По своей величине электромагнитные силы намного превос-

ходят гравитационные, занимая второе место на шкале взаимо-

действий, поэтому эти силы легко наблюдать даже между телами

обычных размеров. Но, как и гравитационные силы, электромаг-

нитное взаимодействие является дальнодействующим, его дейст-

вие ощутимо на больших расстояниях от источника. Как и гра-

витация, оно подчиняется закону обратных квадратов, уменьша-

ется с расстоянием, но не исчезает.

На заре развития науки об электричестве электрические и

магнитные компоненты этого взаимодействия рассматривались

как независимые, не связанные между собой родством.

Максвелл

доказал, что обе силы — это проявление одного и того же фе-

номена. Так был создан прецедент в науке, показавший, что за

внешним различием природных сил может скрываться их глубо-

кая общность. Электродинамика Максвелла явилась закончен-

ной классической теорией электромагнетизма, сохраняющей

свое значение и в наши дни.

Но современная физика создала более совершенную и точную

теорию электромагнетизма, в которой учтены квантово-полевые

аспекты явления. Эта теория названа квантовой электродинами-

кой. Теория начинается с утвеждения существования электриче-

ского заряда, который проявляется в двух разновидностях: 1) за-

ряд, присущий электрону, назван отрицательным; 2) заряд, при-

сущий протону и позитрону, назван положительным. В отличие

от гравитационного взаимодействия, не все материальные части-

цы являются носителями электрического заряда. Существуют

электрически нейтральные частицы, например нейтрон.

Электрический заряд создает поле, квантом которого

являет-

ся безмассовый бозон — фотон со спином, равным 1. Взаимо-

203

действие зарядов обеспечивается обменом виртуальных

В случае разноименных зарядов обмен создает эффект при

ния, а в случае одноименных — отталкивания. В этом пр

ется еще одно отличие от гравитационного взаимодействия,

торое проявляется только как притяжение.

9.5. Слабое взаимодействие

Это третье фундаментальное взаимодействие, действующее

только в микромире. Оно ответственно за превращение элемен-

тарных частиц друг в друга и играет очень важную роль не только

в микромире, но и во многих явлениях космического масштаба.

Благодаря слабому взаимодействию происходят термоядерные

реакции, без которых погасло бы Солнце и большинство звезд.

Первая теория слабого взаимодействия (четырехфермионная

теория) была создана еше в 1934 г. Э. Ферми. В ней утверждалось,

что слабое взаимодействие между частицами происходит контакт-

но, посредством так называемых слабых токов, а не через обмен

квантами

поля.

Благодаря этим токам нейтроны могли превра-

щаться в протоны, кварки одного вида — в кварки другого вида.

Уже в конце 50-х годов стало ясно, что данная теория несо-

вершенна, поскольку сфера ее применения ограничивается толь-

ко малыми энергиями частиц, участвующих во взаимодействии.

Кроме того, теория резко констрастировала с господствующей

картиной мира и не отвечала требованиям единообразия в описа-

нии всех физических взаимодействий.

Поэтому в 60-х годах независимо друг от друга С.

Вайнберг

А. Садам решили, что трудности теории удастся преодолеть, если

допустить, что слабое и электромагнитное взаимодействия — это

разные проявления одного взаимодействия наподобие того, как

электричество и магнетизм — два проявления единой сущности.

Так появилась единая теория электрослабого взаимодействия, в

рамках которой удалось построить модель слабого взаимодействия.

Теория электрослабого взаимодействия исходит из существо-

вания единого фундаментального заряда, отвечающего одновре-

менно и за слабое, и за электромагнитное взаимодействия. При

очень высоких температурах (энергиях), сравнимых с теми, кото-

рые существовали в первые мгновения существования Вселенной

после Большого взрыва, структура вакуума нарушается, и она не

может помешать проявлению такого заряда. Тогда слабое и элек-

тромагнитное взаимодействия сливаются воедино. При пониже-

нии температуры наступает критический момент, после которого

204

вакуум переходит в иную, более упорядоченную форму. В резуль-

тате заряд распадается на две части — электромагнитный и сла-

бый заряд, а переносчик электрослабого взаимодействия — на

четыре составляющих (фотон и три тяжелых векторных бозона).

Основанием для такого предположения стали эксперименталь-

ные данные,

подтвеждающие,

что с увеличением энергии частиц

интенсивность слабого взаимодействия растет намного быстрее,

чем интенсивность электромагнитного. Поэтому предположили,

что при определенных условиях (огромном уровне энергии) эти

интенсивности сравняются, тяжелые векторные бозоны не будут

отличаться от фотонов, а взаимодействия сольются.

Кроме того, должно существовать еще одно постоянное по-

ле, квантом которого является бозон Хиггса — очень массивная

частица с нулевым спином. Считается, что именно взаимодейст-

вие с этим бозоном приводит к тому, что фотон остается без-

массовым, а бозоны слабого взаимодействия получают массу.

Правда, на опыте бозонов

Хиттса

пока не обнаружено. Но со-

вершенной теоретической модели без

хиггсовских

бозонов соз-

дать не

удается.

Объединение электромагнитного и слабого взаимодействия

стало главным

триумфом'

теоретической физики за последние

три десятилетия XX века. Единая теория

электрослабого

взаи-

модействия успешно описывает все процессы, происходящие

при энергиях от долей

электронвольта

до сотен гигаэлектрон-

волът.

Вместе теория электрослабого взаимодействия и кванто-

вая хромодинамика (теория сильного взаимодействия) получили

название Стандартной модели. Ее основные положения согла-

суются с результатами большинства экспериментов.

9.6. Сильное взаимодействие

Сильное взаимодействие занимает первое место по силе и яв-

ляется источником огромной энергии. Основная функция силь-

ного взаимодействия — соединять кварки и антикварки в адроны.

Теория сильного взаимодействия является типичной полевой

теорией и называется квантовой хромодинамикой.

Исходным положением теории является постулат о существо-

вании трех типов цветовых зарядов (красного, синего, желтого).

Они присущи кваркам и выражают способность вещества к силь-

ному взаимодействию. Цвет кварков подобен электрическому за-

ряду. Как и электрические заряды, одноименные цвета отталки-

ваются, разноименные притягиваются. Когда три кварка или

205