T.Redzhe "Etyudy o Vselennoi", Mir/NiT<< 3.5. Yadernye sily | Oglavlenie | 3.7. Na puti k edinoi teorii? >>
3.6. Elementarnye chasticy
Rassmotrim teper' bolee podrobno osnovnye svoistva tak nazyvaemyh "elementarnyh" chastic. Izuchenie etih svoistv predstavlyaet, krome vsego, i zametnyi metodicheskii interes, poskol'ku privodit k obsuzhdeniyu samogo processa issledovaniya ishodnyh sostavlyayushih veshestva.
Semeistva chastic
Skol'ko elementarnyh chastic obnaruzheno do sih por? Esli sudit' po tolshine kratkih spravochnikov, gde opisany ih svoistva i kotorye imeyut hozhdenie sredi fizikov, to neskol'ko soten. Mnogie iz etih chastic sobrany v semeistva, pohozhie na semeistva nuklonov ili pionov. Eti semeistva igrayut rol', sravnimuyu s rol'yu periodicheskoi sistemy Mendeleeva, stol' poleznoi v himii. No imenno takoe shodstvo i natalkivaet na mysl', chto my zanimaemsya klassifikaciei ob'ektov, pohozhih na atomy, a vovse ne elementarnyh. Tak ili inache, no uzhe snova nachalis' poiski deistvitel'no elementarnyh sostavlyayushih veshestva. K 1963 g. vyyasnilos', chto chasticy sleduet ob'edinyat' v bolee obshirnye semeistva. Tak, naprimer, nuklony vmeste s Λ-chasticei i s chasticami i dolzhny byli obrazovat' sverhsemeistvo iz vos'mi chlenov (oktet); takim zhe obrazom piony voshli v drugoi oktet i t.d.
Drevnegrecheskie filosofy pripisyvali atomam isklyuchitel'no pravil'nye i simmetrichnye formy. Hotya real'nye atomy ves'ma daleki ot etogo, mysl' o tom, chto v fizike ponyatie simmetrii dolzhno igrat' vazhnuyu rol', ostalas'. Klassifikaciya chastic po semeistvam kak raz i otrazhaet sushestvovanie kakoi-to simmetrii v prirode; rassmotrim ee.
SU-3-simmetriya
Geizenberg schital proton i neitron dvumya sostoyaniyami odnoi i toi zhe chasticy – nuklona. Nuklon mozhet peremeshat'sya v prostranstve, vrashat'sya vokrug sobstvennoi osi, podobno volchku ("spin"), a takzhe prinimat' dva razlichnyh obraza – byt' libo neitronom, libo protonom. Podobnye rassuzhdeniya primenimy i k trem pionam. Soglasno takoi tochke zreniya, perehod mezhdu protonom i neitronom proishodit v drugom, osobom, prostranstve, dlya postroeniya kotorogo neobhodimo vvesti dopolnitel'nuyu stepen' svobody i ne n'yutonovskie izmereniya.
Preryvistyi harakter takih perehodov obuslovlen principami kvantovoi mehaniki i tesno svyazan s ideei kvantovaniya orbit, o kotoroi my uzhe govorili. Novoe prostranstvo, v kotorom peremeshayutsya nuklony i piony, krome togo, chto v nem voznikayut drugie semeistva chastic, primechatel'no eshe i vysokoi stepen'yu simmetrii (samuyu prostuyu analogiyu my poluchim, voobraziv krug ili sferu). Iz etoi simmetrii sleduet prezhde vsego, chto chasticy, vhodyashie v odno semeistvo, imeyut pochti odinakovye svoistva, esli ne schitat' elektricheskogo zaryada. Nalichie sverh semeistv (kak govoryat fiziki, mul'tipletov SU-3) oznachaet, chto u chastic imeyutsya dopolnitel'nye stepeni svobody, ili vozmozhnosti izmeneniya sostoyaniya. Sushestvuet matematicheskoe ponyatie gruppy, na kotorom my ne budem zdes' ostanavlivat'sya. S pomosh'yu etogo ponyatiya i proizvoditsya sistematizaciya vseh vozmozhnyh i voobrazhaemyh simmetrii. Teoriya grupp voshla v teoreticheskuyu fiziku eshe v 30-e gody, i ee triumfal'noe shestvie prodolzhaetsya po sei den'. Na ee osnove mozhno predskazat' detali stroeniya i vnutrennie ierarhii vseh semeistv gruppy SU-3; v deistvitel'nosti eti predskazaniya mozhno rasprostranit' na lyubuyu simmetriyu, vklyuchaya te, kotorye eshe predstoit otkryt'.
Kvarki
Tak bylo predskazano sushestvovanie sverhsemeistv, sostoyashih iz desyati chlenov; v odnom iz nih snachala otsutstvoval desyatyi chlen-chastica Ω–, vposledstvii otkrytaya na uskoritelyah. Chto eshe bolee udivitel'no, teoriya predskazala sushestvovanie semeistva vsego iz treh chastic, ni odna iz kotoryh ne byla eshe obnaruzhena v prirode. Eti gipoteticheskie chasticy okrestili "kvarkami" (slovo zaimstvovano iz romana Dzhoisa "Pominki po Finneganu"; "kvark" po-nemecki oznachaet takzhe "tvorog"). Esli kvarki sushestvuyut, to oni dolzhny imet' eshe ne vstrechavshiisya ni u odnoi chasticy drobnyi elektricheskii zaryad, kratnyi odnoi treti zaryada elektrona. Po etoi prichine i iz-za ih upornogo nezhelaniya pokazat'sya na uskoritelyah mnogie fiziki stavili pod somnenie samo ih sushestvovanie. S drugoi storony, okazyvaetsya ochen' udobnym schitat' nuklony, piony i pochti vse izvestnye chasticy sostoyashimi iz kvarkov. Nuklon, naprimer, sostoyal by togda iz treh kvarkov, a pion – iz kvarka i antikvarka.
Sovsem nedavno byli otkryty chasticy, dlya ob'yasneniya sushestvovaniya kotoryh trebuetsya vvedenie chetvertogo i dazhe pyatogo kvarka. Kazhdyi kvark obladaet naborom svoistv, kotoryi poluchil nazvanie "aromat" (ilavour po-angliiski).
Pervaya para kvarkov, ob'yasnyayushaya stroenie nuklonov i pionov, izvestna kak u- i d-kvarki (up – "vverh" i down – "vniz"). Ocharovannyi i strannyi (ot angl. charm i strangeness) kvarki dayut nachalo drugim chasticam; nakonec b – (ot slov bottom – "dno" ili beauty – "krasota") i t (ot top – "vershina" ili truth – "istina") kvarki dolzhny ob'yasnyat' ili predskazyvat' novye semeistva chastic. Kvark t eshe ne obnaruzhen, no sushestvuet mnenie, chto on budet otkryt v nedalekom budushem. Kak my vidim, kvarki ob'edineny v pary (pokoleniya).
Semeistva 1963 g. obrazovany kvarkami u, d i s; otkrytie kvarkov b i t privelo k poyavleniyu slozhnyh klassifikacionnyh shem, kotorye mogli by sostavit' konkurenciyu strukturnym formulam organicheskoi himii. Po prichinam, na kotoryh u nas net vozmozhnosti ostanavlivat'sya, kazhdyi kvark sushestvuet v treh sostoyaniyah (kazhdomu iz kotoryh prisvoili svoi "cvet": zheltyi, krasnyi, sinii – kak cveta ispanskogo flaga). Itak, dolzhno byt' vosemnadcat' kvarkov, otmechennyh "cvetom" i "aromatom". Nekotorye fiziki schitayut eto chislo slishkom bol'shim i hoteli by razlozhit' kvarki na bolee prostye ili elementarnye sostavnye chasti.
Glyuony
Chto zhe svyazyvaet kvarki drug s drugom? Dlya etoi celi byli pridumany glyuony (glue po-angliiski oznachaet klei) i sozdana teoriya, pohozhaya na kvantovuyu elektrodinamiku i nazvannaya kvantovoi hromodinamikoi. Eta teoriya rassmatrivaet slozhnyi prostranstvenno-vremennoi ping-pong, otrazhayushii peredachu posredstvom glyuonov ogromnyh sil, svyazyvayushih otdel'nye kvarki. Takie teorii poka eshe ochen' daleki ot strogih vyvodov, podobnyh tem, kakie daet kvantovaya elektrodinamika, i, hotya oni ob'yasnyayut kachestvenno mnogie rezul'taty sami yavlyayutsya ob'ektom goryachih sporov.
Odin iz naibolee zametnyh uspehov teorii svyazan s eksperimentami na uskoritele "PETRA" (PETRA) v Gamburge. Soglasno vyvodam kvantovoi hromodinamiki, my ne vidim svobodnyh kvarkov, potomu chto sily vzaimodeistviya mezhdu nimi, peredavaemye glyuonami, ne ubyvayut s uvelicheniem rasstoyaniya. Po suti, kvarki vsegda svyazany atomnoi "pruzhinoi", kotoraya uderzhivaet ih s siloi v neskol'ko tonn. V Gamburge nablyudali stolknoveniya elektronov i pozitronov ochen' vysokih energii. Ih obshaya energiya v takom stolknovenii mozhet materializovat'sya (soglasno formule E = mc2), prevrashayas' v pary chastic kvark-antikvark, kotorye rezko rashodyatsya, rastyagivaya "atomnuyu pruzhinu". V konechnom itoge mnozhestvo voznikayushih pri etom chastic razletaetsya v vide dvuh strui, orientirovannyh vdol' "pruzhiny". Vremenami rozhdaetsya glyuon, kotoryi daet nachalo tret'ei strue.
Eshe odno vazhnoe podtverzhdenie sushestvovaniya kvarkov osnovano na nablyudaemom raspredelenii zaryada vnutri nuklonov, kotorye, sudya po vsemu, sostoyat iz "kuskov" s elektricheskimi zaryadami, ravnymi drobnomu zaryadu – zaryadu kvarka.
Kritika ponyatiya elementarnosti
Polnost'yu li my uvereny v etih rezul'tatah? Popytki vo chto by to ni stalo naiti elementarnoe vsegda svodilis' k smenyavshimsya uspeham i razocharovaniyam, kotorye naslaivalis' drug na druga, kak seriya kitaiskih reznyh sharov. Ot atomov my pereshli k yadram, ot yader k nuklonam, ot nih k kvarkam; uzhe est' predlozheniya zanyat'sya poiskami "rishonov" ("rishon" na yazyke idish oznachaet "pervyi"), t.e. pervichnyh sostavlyayushih veshestva. Takie zanyatiya Geizenberg podverg kritike, podhvachennoi zatem Feinmanom. Kogda elektron prisoedinyaetsya k protonu, osvobozhdaetsya energiya, sootvetstvuyushaya prevrasheniyu nekotoroi massy soglasno formule E = mc2. Etoi massy dolzhno ne hvatat' v atome, kotoryi budet "vesit'" nemnogo men'she, chem ego sostavnye chasti. Propadaet, konechno, nichtozhnaya massa, men'she milliardnoi chasti polnoi. A vot pri obrazovanii yadra uzhe ischezaet odna tysyachnaya chast' massy; v sluchae yader v otlichie ot fanernyh samoletov vychitaetsya massa kleya. V nekotoryh modelyah Fermi pion predstavlyalsya kak svyazannoe sostoyanie protona i antiprotona, kazhdyi iz kotoryh imeet massu, v pyat' raz bol'shuyu, chem pion; sledovatel'no, "klei" unosit v etom sluchae 90% vsei massy.
Itak, sostavnye chasti okazyvayutsya zametno bol'she celogo. Nel'zya i dal'she sudit' o stepeni elementarnosti kakogo-libo ob'ekta na osnovanii ego velichiny; tak, massa kvarkov mozhet okazat'sya namnogo bol'she massy pionov. Eto oznachaet takzhe, chto process dal'neishego proniknoveniya v glub' elementarnyh chastic mozhet okazat'sya beskonechnym, i, udivlyayas', my budem otkryvat' novye, vse bolee tyazhelye, no vovse ne bolee prostye ob'ekty s "kleem" chrezvychaino bol'shoi massy.
Kvantovaya mehanika usugublyaet eti trudnosti lyubopytnym obrazom. Soedinyayas' drug s drugom, dve chasticy vynuzhdenno okazyvayutsya v kvantovannyh sostoyaniyah; pri etom, kak v atome vodoroda, dopustimy tol'ko opredelennye orbity. Zdes' primenit' kriterii elementarnosti trudnee: esli by my nablyudali nepreryvnuyu posledovatel'nost' orbit, postepenno ischezayushih odna vnutri drugoi, to mogli by utverzhdat', chto imeem delo s ob'ektom slozhnym, no takaya vozmozhnost' zakryta nalichiem kvantov. Po etoi prichine poluchila rasprostranenie ideya, soglasno kotoroi vse chasticy sostoyat drug iz druga, i ni odna iz nih ne yavlyaetsya elementarnoi. Drugie teorii predstavlyayut chasticy v vide kolebatel'nyh sostoyanii kakogo-to sverh polya, yavlyayushegosya edinstvennoi real'nost'yu. Soglasno etim teoriyam, sami ponyatiya elementarnosti i sostavnogo sostoyaniya neadekvatny i nesovershenny. Sredi ne dovedennyh do konca popytok sozdaniya takoi teorii sleduet otmetit' teoriyu Geizenberga, ne lishennuyu v vysshei stepeni original'nyh idei.
Slabye vzaimodeistviya
Mir postroen ne tol'ko iz kvarkov. Eto s ochevidnost'yu sleduet iz togo fakta, chto elektron i ego neitral'nyi tovarish neitrino (chastica, kotoruyu ochen' trudno obnaruzhit') ne sostoyat iz kvarkov.
Eti chasticy vhodyat v semeistvo "leptonov", sostoyashee iz treh pokolenii, kak kvarki, no lishennyh cveta. Krome pokoleniya elektron – neitrino, eshe obnaruzheny pokoleniya myuon – neitrino i τ-mezon – τ-neitrino. Sushestvuyut tak nazyvaemye slabye vzaimodeistviya, svyazyvayushie pary pokolenii kak kvarkov, tak i leptonov. My napomnim zdes' o vzaimodeistvii, otvetstvennom za 
-raspad yader, v kotorom neitron prevrashaetsya v proton, elektron i neitrino. Soglasno teorii Salama i Vainberga-Gleshou pri sverhvysokih energiyah slabye vzaimodeistviya ne yavlyayutsya bolee takovymi i dolzhny ob'edinit'sya s elektromagnitnymi silami; rozhdayushayasya pri etom simmetriya obladaet oslepitel'noi krasotoi.
Narushenie simmetrii
Itak, priroda skryvaet chast' svoego velikolepiya i zastavlyaet nas stroit' moshnye uskoriteli, chtoby uvidet' lish' efemernuyu iskorku. No, kak govoril Einshtein, "Bog ostroumen, no ne zol". Einshtein byl prav: bez yavnogo narusheniya simmetrii, nablyudaemogo pri nizkih energiyah, my ne sushestvovali by, i veshestvo ne prinimalo by znakomye nam formy.
Kak zhe na praktike poluchaetsya, chto simmetriya Vselennoi skryta ot nas? Voobrazim obyknovennyi kruglyi taz, v kotorom nahoditsya bil'yardnyi shar. Shar, pomeshennyi v seredine taza i predostavlennyi samomu sebe, skoree vsego, skatitsya k stenke taza, tuda, gde dno nizhe vsego. Tak chto hot' sam taz obladaet ideal'noi cilindricheskoi simmetriei, no v celom obshaya konfiguraciya s sharom vne serediny vovse ne simmetrichna. My priveli primer v bibleiskom stile, gde pod tazom nuzhno ponimat' prirodu voobshe: dazhe esli ona podchinyaetsya v vysshei stepeni simmetrichnym zakonam, eto vovse ne znachit, chto ona dolzhna obyazatel'no okazat'sya v simmetrichnoi konfiguracii. Odnako esli shar tolknut' kak sleduet, to on nachnet dvigat'sya po vsemu tazu i pochuvstvuet ego cilindricheskuyu formu. Takoi tolchok napominaet rezkie stolknoveniya, ispytyvaemye chasticami na nashih uskoritelyah; na ochen' korotkii promezhutok vremeni veshestvo vnov' obretaet svoyu simmetriyu, i uznat' ob etom mozhno, vypolnyaya seriyu ochen' tonkih eksperimentov.
Znachenie sil raznyh tipov
Kakoe znachenie dlya cheloveka imeyut upomyanutye vzaimodeistviya? Kak ni stranno, vse oni vazhny, i eto proyavlyaetsya vpolne opredelennym obrazom. Gravitacionnye sily soedinyayut zvezdy i planety; bez etih sil veshestvo v kosmose prinyalo by neopredelennuyu formu amorfnoi pyli, lineinoi struktury, a v zvezdah ne nachalis' by termoyadernye reakcii, v kotoryh proishodil sintez ugleroda, neobhodimogo dlya nashego sushestvovaniya. Elektromagnitnye sily, kak uzhe bylo skazano, svyazyvayut atomy i delayut vozmozhnymi himicheskie reakcii. Sil'nye vzaimodeistviya obespechivayut svyaz' yader i voobshe otvetstvenny za sovremennoe ustroistvo mira elementarnyh chastic. I slabye sily imeyut svoe prednaznachenie: v termoyadernyh reakciyah, protekayushih v nedrah Solnca, proishodit nepreryvnoe prevrashenie protonov v neitrony posredstvom obratnogo -raspada, o kotorom my uzhe govorili. Izmenenie, pust' dazhe samoe neznachitel'noe, skorosti protekaniya etoi reakcii okazalo by ser'eznoe vozdeistvie na svetimost' Solnca, a znachit, i na klimat na Zemle.
Narushenie simmetrii otnositel'no inversii vremeni
Nakonec, v nekotoryh processah, sudya po vsemu, nablyudayutsya vzaimodeistviya, proyavlyayushiesya pri tak nazyvaemom narushenii SR-simmetrii (ot angliiskih slov charge – zaryad i parity – chetnost'). V teorii polya sushestvuet fundamental'nyi princip, izvestnyi kak "SRT-teorema", soglasno kotoromu kazhdomu vozmozhnomu processu v prirode sootvetstvuet drugoi, gde chasticy nadeleny zaryadami i koordinatami protivopolozhnogo znaka, a hod vremeni izmenen na obratnyi. Narushenie simmetrii otnositel'no operacii zaryadovogo sopryazheniya i inversii prostranstvennyh koordinat oznachaet, sledovatel'no, narushenie simmetrii otnositel'no obrasheniya hoda vremeni. Esli by my prokrutili fil'm o Solnechnoi sisteme v obratnom napravlenii, to uvideli by planety, dvizhushiesya po nesushestvuyushim, hotya i vpolne vozmozhnym orbitam: zakony N'yutona ostayutsya neizmennymi pri obrashenii hoda vremeni. Eshe nedavno fizikam kazalos', chto simmetriya otnositel'no obrasheniya vremeni dolzhna sohranyat'sya takzhe i v mikrokosme elementarnyh chastic.
Processy, v kotoryh narushaetsya SR-simmetriya, razrushili takie predstavleniya. Rech' idet ob effektah chrezvychaino tonkih, nablyudenie kotoryh predstavlyaet ser'eznye trudnosti. Obnaruzhenie takih effektov v drugoi galaktike v principe pozvolilo by vyyasnit', sostoit ona iz veshestva ili antiveshestva. V etih processah otlichie veshestva ot antiveshestva svyazano s napravleniem hoda vremeni.
Obrashenie vremeni v kosmologii
V poslednie gody vyyasnilos', chto rol' ukazannyh processov v kosmologii ochen' velika. V moment bol'shogo vzryva vremya, esli mozhno tak vyrazit'sya, bezhalo tol'ko vpered, rasshirenie Vselennoi privodilo k sil'noi asimmetrii mezhdu proshlym i budushim. My imeem v vidu vremya, kogda Vselennaya byla zapolnena ochen' goryachei smes'yu ravnyh chastei veshestva i antiveshestva. Asimmetriya v povedenii strelki vremeni blagopriyatstvovala togda razrusheniyu antiveshestva (pust' dazhe v maloi stepeni) i ostavila izbytok protonov. Yadra atomov vsego sushestvuyushego v nastoyashee vremya veshestva vo Vselennoi obrazovalis' iz etogo neznachitel'nogo izbytka protonov. Takim obrazom, samo nashe sushestvovanie obyazano deyatel'nosti sverh slabyh vzaimodeistvii v schitannye doli sekundy posle bol'shogo vzryva. Esli takoe predstavlenie poluchit podtverzhdenie, to eto oznachaet, chto cherez nevoobrazimo dlitel'nyi promezhutok vremeni (v godah cifra sostoit iz edinicy, za kotoroi sleduet 30 nulei) vse ostavshiesya protony raspadutsya i Vselennaya okazhetsya zapolnennoi tol'ko izlucheniem. Chto zh, podozhdem i posmotrim, uspeet li ona, kak utverzhdayut nekotorye fiziki, snachala zamknut'sya sama na sebya, povtoriv bol'shoi vzryv v obratnom napravlenii.
<< 3.5. Yadernye sily | Oglavlenie | 3.7. Na puti k edinoi teorii? >>
|
Publikacii s klyuchevymi slovami:
Galileo Galilei - solnechnaya sistema - kosmogoniya - astrofizika - Obshaya teoriya otnositel'nosti - elektroslaboe vzaimodeistvie - elementarnye chasticy
Publikacii so slovami: Galileo Galilei - solnechnaya sistema - kosmogoniya - astrofizika - Obshaya teoriya otnositel'nosti - elektroslaboe vzaimodeistvie - elementarnye chasticy | |
Sm. takzhe:
Vse publikacii na tu zhe temu >> | |
