Элементарная частица.
Сможете ли вы коротко и емко ответить на вопрос: «Что такое электрический заряд?» Это может показаться просто на первый взгляд, но на деле оказывается гораздо сложнее.
Известно ли нам, что такое электрический заряд
Дело в том, что на современном уровне знаний мы еще не можем разложить понятие «заряд» на более простые составляющие. Это основополагающее, так сказать, первичное понятие.
Нам известно, что это определенное свойство элементарных частиц , известен механизм взаимодействия зарядов, мы можем измерить заряд и использовать его свойства.
Однако все это следствие данных, полученных опытным путем. Природа этого явления нам до сих пор не ясна. Поэтому однозначно определить, что такое электрический заряд, мы не можем.
Для этого необходимо раскрыть целый круг понятий. Разъяснить механизм взаимодействия зарядов и описать их свойства. Поэтому проще разобраться, что означает утверждение: «данная частица имеет (несет на себе) электрический заряд».
Наличие электрического заряда у частицы
Однако позже удалось установить, что количество элементарных частиц намного больше, и что протон, электрон и нейтрон не являются неделимыми и основополагающими стройматериалами Вселенной. Они сами могут разлагаться на составляющие и превращаться в другие виды частиц.
Поэтому название «элементарная частица» в настоящее время включает довольно большой класс частиц, меньших по размеру, чем атомы и ядра атомов. При этом частицы могут иметь самые различные свойства и качества.
Однако, такое свойство, как электрический заряд, бывает только двух типов, которые условно назвали положительным и отрицательным. Наличие заряда у частицы это ее свойство отталкиваться или притягиваться к другой частице, которая тоже несет на себе заряд. Направление взаимодействия при этом зависит от типа зарядов.
Одноименные заряды отталкиваются, разноименные притягиваются. При этом сила взаимодействия между зарядами очень велика в сравнении с гравитационными силами, присущими всем без исключения телам во Вселенной.
В ядре водорода, для примера, электрон, несущий отрицательный заряд, притягивается к ядру, состоящему из протона и несущему положительный заряд, с силой в 1039 раз большей, чем сила, с которой тот же электрон притягивается протоном за счет гравитационного взаимодействия.
Частицы могут нести на себе заряд или не нести, в зависимости от типа частицы. Однако «снять» заряд с частицы невозможно, точно так же, как невозможно и существование заряда вне частицы.
Кроме протона и нейтрона заряд несут на себе некоторые другие виды элементарных частиц, однако неограниченно долго существовать могут только эти две частицы.
Во Вселенной каждое тело живет в своем времени и основные элементарные частицы также. Время жизни у большинства элементарных частиц достаточно короткое.
Некоторые сразу же после своего рождения распадаются, поэтому мы называем их нестабильными частицами.
Они через короткое время распадаются на стабильные: протоны, электроны, нейтрино, фотоны, гравитоны и их античастицы.
Самые важные микрообъекты в нашем близком космосе - протоны и электроны . Какие-нибудь из отдаленных частей Вселенной могут состоять из антивещества, важнейшими частицами там будут антипротон и антиэлектрон (позитрон).
Всего открыто несколько сотен элементарных частиц: протон (р), нейтрон (n), электрон (e —) , а также фотон (g), пи-мезоны (p), мюоны (m), нейтрино трёх типов (электронное v e , мюонное v m , с лептоном v t), и т.д. очевидно принесут ещё новые микрочастицы.
Появление частиц:
Протонов и электронов
Появление протонов и электронов относится ко времени , и их возраст насчитывает приблизительно десять миллиардов лет.
Еще один вид микрообъектов, играющих существенную роль в структуре близкого космоса — нейтроны имеющие общее название с протоном: нуклоны. Сами по себе нейтроны нестабильные, они распадаются примерно через десять минут после возникновения. Стабильными они могут быть только в ядре атома. Громадное количество нейтронов беспрестанно возникает в глубинах звезд, где из протонов рождаются ядра атомов.
Нейтрино
Во Вселенной также постоянно происходит рождение нейтрино которые похожи на электрон, но без заряда и с малой массой. В 1936 году открыта разновидность нейтрино: мюонные нейтрино, которые возникают при превращении протонов в нейтроны, в недрах сверхмассивных звезд и при распаде многих нестабильных микрообъектов. Они рождаются при столкновении космических лучей в межзвездном пространстве.
Большой взрыв повлек за собой появление огромного количества нейтрино и мюонных нейтрино. Их число в космосе постоянно увеличивается, потому что они не поглощаются практически никакой материей.
Фотонов
Как и фотоны, нейтрино и мюонное нейтрино заполняют все космическое пространство. Это явление называется «нейтринным морем».
Со времени Большого взрыва осталось великое множество фотонов, которые мы называем реликтовыми или фоссильными. Ими наполнено все космическое пространство, и их частота, а значит и энергия постоянно уменьшается, так как Вселенная расширяется.
В настоящее время все космические тела, прежде всего звезды и туманности, участвуют в образовании фотонной части Вселенной. Фотоны рождаются на поверхности звезд из энергии электронов.
Соединение частиц
В начальной стадии образования Вселенной все основные элементарные частицы были свободными. Тогда не существовало ни ядер атомов, ни планет, ни звезд.
Атомы, а из них планеты, звезды и все вещества образовались позднее, когда прошло 300 000 лет и раскаленная материя при расширении в достаточной мере охладилась.
Лишь нейтрино, мюонное нейтрино и фотон не вошли ни в одну систему: их взаимное притяжение слишком слабо. Они так и остались свободными частицами.
Еще на начальном этапе образования Вселенной (через 300 000 лет после её рождения) свободные протоны и электроны соединились в атомы водорода (один протон и один электрон, связанные электрической силой).
Протон считается основной элементарной частицей с зарядом +1 и массой 1,672 ·10 −27 кг (чуть меньше чем 2000 раз тяжелее электрона). Протоны, очутившиеся в массивной звезде, постепенно превратились в основное строительное «железо» Вселенной. Каждый из них при этом освободил один процент своей массы покоя. В сверхмассивных звездах, которые в конце своей жизни в результате собственной гравитации сжимаются в малые объемы, протон может потерять почти пятую часть своей энергии покоя (а значит, и пятую часть своей массы покоя).Известно, что «строительными микроблоками» Вселенной являются протоны и электроны.
Наконец, при встрече протона и антипротона не возникает никакой системы, но вся их энергия покоя освобождается в виде фотонов (). 
Ученые утверждают, что как будто бы существует еще и призрачная основная элементарная частица гравитон которая переносит гравитационное взаимодействие аналогичное электромагнетизму. Однако наличие гравитона доказано лишь теоретически.
Таким образом, возникли и сейчас представляют нашу Вселенную, в том числе и Землю, основные элементарные частицы: протоны, электроны, нейтрино, фотоны, гравитоны и еще множество открытых и неоткрытых микрообъектов.
«Физика - 10 класс»
Вначале рассмотрим наиболее простой случай, когда электрически заряженные тела находятся в покое.
Раздел электродинамики, посвящённый изучению условий равновесия электрически заряженных тел, называют электростатикой .
Что такое электрический заряд?
Какие существуют заряды?
Со словами электричество, электрический заряд, электрический ток вы встречались много раз и успели к ним привыкнуть. Но попробуйте ответить на вопрос: «Что такое электрический заряд?» Само понятие заряд - это основное, первичное понятие, которое не сводится на современном уровне развития наших знаний к каким-либо более простым, элементарным понятиям.
Попытаемся сначала выяснить, что понимают под утверждением: «Данное тело или частица имеет электрический заряд».
Все тела построены из мельчайших частиц, которые неделимы на более простые и поэтому называются элементарными .
Элементарные частицы имеют массу и благодаря этому притягиваются друг к другу согласно закону всемирного тяготения. С увеличением расстояния между частицами сила тяготения убывает обратно пропорционально квадрату этого расстояния. Большинство элементарных частиц, хотя и не все, кроме того, обладают способностью взаимодействовать друг с другом с силой, которая также убывает обратно пропорционально квадрату расстояния, но эта сила во много раз превосходит силу тяготения.
Так в атоме водорода, изображённом схематически на рисунке 14.1, электрон притягивается к ядру (протону) с силой, в 10 39 раз превышающей силу гравитационного притяжения.
Если частицы взаимодействуют друг с другом с силами, которые убывают с увеличением расстояния так же, как и силы всемирного тяготения, но превышают силы тяготения во много раз, то говорят, что эти частицы имеют электрический заряд. Сами частицы называются заряженными .
Бывают частицы без электрического заряда, но не существует электрического заряда без частицы.
Взаимодействие заряженных частиц называется электромагнитным .
Электрический заряд определяет интенсивность электромагнитных взаимодействий, подобно тому как масса определяет интенсивность гравитационных взаимодействий.
Электрический заряд элементарной частицы - это не особый механизм в частице, который можно было бы снять с неё, разложить на составные части и снова собрать. Наличие электрического заряда у электрона и других частиц означает лишь существование определённых силовых взаимодействий между ними.
Мы, в сущности, ничего не знаем о заряде, если не знаем законов этих взаимодействий. Знание законов взаимодействий должно входить в наши представления о заряде. Эти законы непросты, и изложить их в нескольких словах невозможно. Поэтому нельзя дать достаточно удовлетворительное краткое определение понятию электрический заряд .
Два знака электрических зарядов.
Все тела обладают массой и поэтому притягиваются друг к другу. Заряженные же тела могут как притягивать, так и отталкивать друг друга. Этот важнейший факт, знакомый вам, означает, что в природе есть частицы с электрическими зарядами противоположных знаков; в случае зарядов одинаковых знаков частицы отталкиваются, а в случае разных притягиваются.
Заряд элементарных частиц - протонов , входящих в состав всех атомных ядер, называют положительным, а заряд электронов - отрицательным. Между положительными и отрицательными зарядами внутренних различий нет. Если бы знаки зарядов частиц поменялись местами, то от этого характер электромагнитных взаимодействий нисколько бы не изменился.
Элементарный заряд.
Кроме электронов и протонов, есть ещё несколько типов заряженных элементарных частиц. Но только электроны и протоны могут неограниченно долго существовать в свободном состоянии. Остальные же заряженные частицы живут менее миллионных долей секунды. Они рождаются при столкновениях быстрых элементарных частиц и, просуществовав ничтожно малое время, распадаются, превращаясь в другие частицы. С этими частицами вы познакомитесь в 11 классе.
К частицам, не имеющим электрического заряда, относится нейтрон . Его масса лишь незначительно превышает массу протона. Нейтроны вместе с протонами входят в состав атомного ядра. Если элементарная частица имеет заряд, то его значение строго определено.
Заряженные тела Электромагнитные силы в природе играют огромную роль благодаря тому, что в состав всех тел входят электрически заряженные частицы. Составные части атомов - ядра и электроны - обладают электрическим зарядом.
Непосредственно действие электромагнитных сил между телами не обнаруживается, так как тела в обычном состоянии электрически нейтральны.
Атом любого вещества нейтрален, так как число электронов в нём равно числу протонов в ядре. Положительно и отрицательно заряженные частицы связаны друг с другом электрическими силами и образуют нейтральные системы.
Макроскопическое тело заряжено электрически в том случае, если оно содержит избыточное количество элементарных частиц с каким-либо одним знаком заряда. Так, отрицательный заряд тела обусловлен избытком числа электронов по сравнению с числом протонов, а положительный - недостатком электронов.
Для того чтобы получить электрически заряженное макроскопическое тело, т. е. наэлектризовать его, нужно отделить часть отрицательного заряда от связанного с ним положительного или перенести на нейтральное тело отрицательный заряд.
Это можно сделать с помощью трения. Если провести расчёской по сухим волосам, то небольшая часть самых подвижных заряженных частиц - электронов перейдёт с волос на расчёску и зарядит её отрицательно, а волосы зарядятся положительно.
Равенство зарядов при электризации
С помощью опыта можно доказать, что при электризации трением оба тела приобретают заряды, противоположные по знаку, но одинаковые по модулю.
Возьмём электрометр, на стержне которого укреплена металлическая сфера с отверстием, и две пластины на длинных рукоятках: одна из эбонита, а другая из плексигласа. При трении друг о друга пластины электризуются.
Внесём одну из пластин внутрь сферы, не касаясь её стенок. Если пластина заряжена положительно, то часть электронов со стрелки и стержня электрометра притянется к пластине и соберётся на внутренней поверхности сферы. Стрелка при этом зарядится положительно и оттолкнётся от стержня электрометра (рис. 14.2, а).
Если внести внутрь сферы другую пластину, вынув предварительно первую, то электроны сферы и стержня будут отталкиваться от пластины и соберутся в избытке на стрелке. Это вызовет отклонение стрелки от стержня, причём на тот же угол, что и в первом опыте.
Опустив обе пластины внутрь сферы, мы вообще не обнаружим отклонения стрелки (рис. 14.2, б). Это доказывает, что заряды пластин равны по модулю и противоположны по знаку.
Электризация тел и её проявления. Значительная электризация происходит при трении синтетических тканей. Снимая с себя рубашку из синтетического материала в сухом воздухе, можно слышать характерное потрескивание. Между заряженными участками трущихся поверхностей проскакивают маленькие искорки.
В типографиях происходит электризация бумаги при печати, и листы слипаются. Чтобы это не происходило, применяют специальные устройства для стекания заряда. Однако электризация тел при тесном контакте иногда используется, например, в различных электрокопировальных установках и др.
Закон сохранения электрического заряда.
Опыт с электризацией пластин доказывает, что при электризации трением происходит перераспределение имеющихся зарядов между телами, до этого нейтральными. Небольшая часть электронов переходит с одного тела на другое. При этом новые частицы не возникают, а существовавшие ранее не исчезают.
При электризации тел выполняется закон сохранения электрического заряда . Этот закон справедлив для системы, в которую не входят извне и из которой не выходят наружу заряженные частицы, т. е. для изолированной системы .
В изолированной системе алгебраическая сумма зарядов всех тел сохраняется.
q 1 + q 2 + q 3 + ... + q n = const. (14.1)
где q 1 , q 2 и т. д. - заряды отдельных заряженных тел.
Закон сохранения заряда имеет глубокий смысл. Если число заряженных элементарных частиц не меняется, то выполнение закона сохранения заряда очевидно. Но элементарные частицы могут превращаться друг в друга, рождаться и исчезать, давая жизнь новым частицам.
Однако во всех случаях заряженные частицы рождаются только парами с одинаковыми по модулю и противоположными по знаку зарядами; исчезают заряженные частицы тоже только парами, превращаясь в нейтральные. И во всех этих случаях алгебраическая сумма зарядов остаётся одной и той же.
Справедливость закона сохранения заряда подтверждают наблюдения над огромным числом превращений элементарных частиц. Этот закон выражает одно из самых фундаментальных свойств электрического заряда. Причина сохранения заряда до сих пор неизвестна.
Эти три частицы (как и другие описываемые ниже) взаимно притягиваются и отталкиваются соответственно своим зарядам , которых всего четыре вида по числу фундаментальных сил природы. Заряды можно расположить в порядке уменьшения соответствующих сил следующим образом: цветовой заряд (силы взаимодействия между кварками); электрический заряд (электрические и магнитные силы); слабый заряд (силы в некоторых радиоактивных процессах); наконец, масса (силы тяготения, или гравитационного взаимодействия). Слово «цвет» здесь не имеет ничего общего с цветом видимого света; это просто характеристика сильного заряда и самых больших сил.
Заряды сохраняются , т.е. заряд, входящий в систему, равен заряду, из нее выходящему. Если суммарный электрический заряд некоторого числа частиц до их взаимодействия равен, скажем, 342 единицам, то он и после взаимодействия независимо от его результата будет равен 342 единицам. Это относится и к другим зарядам: цветовому (заряду сильного взаимодействия), слабому и массовому (массе). Частицы различаются своими зарядами: в сущности, они и «есть» эти заряды. Заряды – это как бы «справка» о праве отвечать на соответствующую силу. Так, только на цветные частицы действуют цветовые силы, только на электрически заряженные частицы действуют электрические силы и т.д. Свойства частицы определяются наибольшей силой, действующей на нее. Только кварки являются носителями всех зарядов и, следовательно, подвержены действию всех сил, среди которых доминирующей является цветовая. Электроны имеют все заряды, кроме цветового, а доминирующей для них является электромагнитная сила.
Наиболее устойчивыми в природе оказываются, как правило, нейтральные комбинации частиц, в которых заряд частиц одного знака компенсируется суммарным зарядом частиц другого знака. Это отвечает минимуму энергии всей системы. (Точно так же два стержневых магнита располагаются в линию, причем северный полюс одного из них обращен к южному полюсу другого, что соответствует минимуму энергии магнитного поля.) Гравитация же является исключением из этого правила: отрицательной массы не существует. Нет тел, которые падали бы вверх.
ВИДЫ МАТЕРИИ
Обычная материя образуется из электронов и кварков, группирующихся в объекты, нейтральные по цветовому, а затем и по электрическому заряду. Цветовая сила нейтрализуется, о чем подробнее будет сказано ниже, когда частицы объединяются в триплеты. (Отсюда и сам термин «цвет», взятый из оптики: три основных цвета при смешении дают белый.) Таким образом, кварки, для которых цветовая сила является главной, образуют триплеты. Но кварки, а они подразделяются на u -кварки (от англ. up – верхний) и d -кварки (от англ. down – нижний), имеют еще и электрический заряд, равный для u -кварка и для d -кварка. Два u -кварка и один d -кварк дают электрический заряд +1 и образуют протон, а один u -кварк и два d -кварка дают нулевой электрический заряд и образуют нейтрон.
Стабильные протоны и нейтроны, притягиваемые друг к другу остаточными цветовыми силами взаимодействия между составляющими их кварками, образуют нейтральное по цвету ядро атома. Но ядра несут положительный электрический заряд и, притягивая отрицательные электроны, вращающиеся вокруг ядра наподобие планет, обращающихся вокруг Солнца, стремятся образовать нейтральный атом. Электроны на своих орбитах удалены от ядра на расстояния, в десятки тысяч раз превышающие радиус ядра, – свидетельство того, что удерживающие их электрические силы гораздо слабее ядерных. Благодаря силе цветового взаимодействия 99,945% массы атома заключено в его ядре. Масса u - и d -кварков примерно в 600 раз больше массы электрона. Поэтому электроны намного легче и подвижнее ядер. Их движением в веществе обусловлены электрические явления.
Существует несколько сот природных разновидностей атомов (включая изотопы), различающихся числом нейтронов и протонов в ядре и соответственно числом электронов на орбитах. Самый простой – атом водорода, состоящий из ядра в виде протона и обращающегося вокруг него единственного электрона. Вся «видимая» материя в природе состоит из атомов и частично «разобранных» атомов, которые называются ионами. Ионы – это атомы, которые, потеряв (или приобретя) несколько электронов, стали заряженными частицами. Материя, состоящая почти из одних ионов, называется плазмой. Звезды, горящие за счет идущих в центрах термоядерных реакций, состоят в основном из плазмы, а поскольку звезды – самая распространенная форма материи во Вселенной, можно сказать, что и вся Вселенная состоит в основном из плазмы. Точнее, звезды – это преимущественно полностью ионизованный газообразный водород, т.е. смесь отдельных протонов и электронов, а стало быть, из нее и состоит почти вся видимая Вселенная.
Это – видимая материя. Но во Вселенной есть еще невидимая материя. И есть частицы, выступающие в роли носителей сил. Существуют античастицы и возбужденные состояния некоторых частиц. Все это приводит к явно чрезмерному изобилию «элементарных» частиц. В этом изобилии можно найти указание на действительную, истинную природу элементарных частиц и сил, действующих между ними. Согласно самым последним теориям, частицы в своей основе могут представлять собой протяженные геометрические объекты – «струны» в десятимерном пространстве.
Невидимый мир.
Во Вселенной имеется не только видимая материя (а также черные дыры и «темная материя», например холодные планеты, которые станут видимыми, если их осветить). Существует и подлинно невидимая материя, пронизывающая всех нас и всю Вселенную ежесекундно. Она представляет собой быстро движущийся газ из частиц одного сорта – электронных нейтрино.
Электронное нейтрино является партнером электрона, но не имеет электрического заряда. Нейтрино несут лишь так называемый слабый заряд. Их масса покоя, по всей вероятности, равна нулю. Но с гравитационным полем они взаимодействуют, поскольку обладают кинетической энергией E , которой соответствует эффективная масса m , согласно формуле Эйнштейна E = mc 2 , где c – скорость света.
Ключевая роль нейтрино заключается в том, что оно способствует превращению и -кварков в d -кварки, в результате чего протон превращается в нейтрон. Нейтрино играет роль «иглы карбюратора» для звездных термоядерных реакций, в которых четыре протона (ядра водорода) объединяются, образуя ядро гелия. Но поскольку ядро гелия состоит не из четырех протонов, а из двух протонов и двух нейтронов, для такого ядерного синтеза нужно, чтобы два и -кварка превратились в два d -кварка. От интенсивности превращения зависит, насколько быстро будут гореть звезды. А процесс превращения определяется слабыми зарядами и силами слабого взаимодействия между частицами. При этом и -кварк (электрический заряд +2/3, слабый заряд +1/2), взаимодействуя с электроном (электрический заряд - 1, слабый заряд –1/2), образует d -кварк (электрический заряд –1/3, слабый заряд –1/2) и электронное нейтрино (электрический заряд 0, слабый заряд +1/2). Цветовые заряды (или просто цвета) двух кварков в этом процессе компенсируются без нейтрино. Роль нейтрино состоит в том, чтобы уносить нескомпенсированный слабый заряд. Поэтому скорость превращения зависит от того, насколько слабы слабые силы. Если бы они были слабее, чем они есть, то звезды вообще не горели бы. Если же они были бы более сильными, то звезды давно бы выгорели.
А что же нейтрино? Поскольку эти частицы крайне слабо взаимодействуют с другим веществом, они почти сразу уходят из звезд, в которых родились. Все звезды сияют, испуская нейтрино, а нейтрино днем и ночью просвечивают наши тела и всю Землю. Так они странствуют по Вселенной, пока не вступят, может быть, в новое взаимодействие ЗВЕЗДЫ) .
Переносчики взаимодействий.
За счет чего возникают силы, действующие между частицами на расстоянии? Современная физика отвечает: за счет обмена другими частицами. Представьте себе двух конькобежцев, перебрасывающихся мячом. Сообщая мячу импульс при броске и получая импульс с принятым мячом, оба получают толчок в направлении друг от друга. Так можно объяснить возникновение сил отталкивания. Но в квантовой механике, рассматривающей явления в области микромира, допускаются необычные растяжение и делокализация событий, что приводит, казалось бы, к невозможному: один из конькобежцев бросает мяч в направлении от другого, но тот тем не менее может этот мяч поймать. Нетрудно сообразить, что, будь такое возможно (а в мире элементарных частиц это возможно), между конькобежцами возникло бы притяжение.
Частицы, благодаря обмену которыми возникают силы взаимодействия между четырьмя рассмотренными выше «частицами материи», называются калибровочными частицами. Каждому из четырех взаимодействий – сильному, электромагнитному, слабому и гравитационному – соответствует свой набор калибровочных частиц. Частицами-переносчиками сильного взаимодействия являются глюоны (их всего восемь). Фотон – переносчик электромагнитного взаимодействия (он один, а фотоны мы воспринимаем как свет). Частицами-переносчиками слабого взаимодействия являются промежуточные векторные бозоны (в 1983 и 1984 были открыты W + -, W - -бозоны и нейтральный Z -бозон). Частицей-переносчиком гравитационного взаимодействия является пока еще гипотетический гравитон (он должен быть один). Все эти частицы, кроме фотона и гравитона, которые могут пробегать бесконечно большие расстояния, существуют лишь в процессе обмена между материальными частицами. Фотоны заполняют Вселенную светом, а гравитоны – гравитационными волнами (пока еще с достоверностью не обнаруженными).
О частице, способной испускать калибровочные частицы, говорят, что она окружена соответствующим полем сил. Так, электроны, способные испускать фотоны, окружены электрическими и магнитными полями, а также слабыми и гравитационными полями. Кварки тоже окружены всеми этими полями, но еще и полем сильного взаимодействия. На частицы с цветовым зарядом в поле цветовых сил действует цветовая сила. То же самое относится к другим силам природы. Поэтому можно сказать, что мир состоит из вещества (материальных частиц) и поля (калибровочных частиц). Об этом подробнее ниже.
Антивещество.
Каждой частице отвечает античастица, с которой частица может взаимно уничтожиться, т.е. «аннигилировать», в результате чего высвобождается энергия. «Чистой» энергии самой по себе, однако, не существует; в результате аннигиляции возникают новые частицы (например, фотоны), уносящие эту энергию.
Античастица в большинстве случаев обладает противоположными по отношению к соответствующей частице свойствами: если частица под действием сильного, слабого или электромагнитного полей движется влево, то ее античастица будет двигаться вправо. Короче говоря, античастица имеет противоположные знаки всех зарядов (кроме массового заряда). Если частица составная, как, например, нейтрон, то ее античастица состоит из компонент с противоположными знаками зарядов. Так, антиэлектрон имеет электрический заряд +1, слабый заряд +1/2 и называется позитроном. Антинейтрон состоит из и -антикварков с электрическим зарядом –2/3 и d -антикварков с электрическим зарядом +1/3. Истинно нейтральные частицы являются своими собственными античастицами: античастица фотона – фотон.
Согласно современным теоретическим представлениям, своя античастица должна быть для каждой существующей в природе частицы. И многие античастицы, в том числе позитроны и антинейтроны, действительно были получены в лаборатории. Следствия этого исключительно важны и лежат в основе всей экспериментальной физики элементарных частиц. Согласно теории относительности, масса и энергия эквивалентны, и в определенных условиях энергия может быть превращена в массу. Поскольку заряд сохраняется, а заряд вакуума (пустого пространства) равен нулю, из вакуума, как кролики из шляпы фокусника, могут возникать любые пары частиц и античастиц (с нулевым суммарным зарядом), лишь бы энергия была достаточной для создания их массы.
Поколения частиц.
Эксперименты на ускорителях показали, что четверка (квартет) материальных частиц по крайней мере дважды повторяется при более высоких значениях массы. Во втором поколении место электрона занимает мюон (с массой, примерно в 200 раз большей массы электрона, но с прежними значениями всех остальных зарядов), место электронного нейтрино – мюонное (которое сопутствует в слабых взаимодействиях мюону так же, как электрону сопутствует электронное нейтрино), место и -кварка занимает с -кварк (очарованный ), а d -кварка – s -кварк (странный ). В третьем поколении квартет состоит из тау-лептона, тау-нейтрино, t -кварка и b -кварка.
Масса t -кварка примерно в 500 раз больше массы самого легкого – d -кварка. Экспериментально установлено, что существуют только три типа легких нейтрино. Таким образом, четвертое поколение частиц или не существует вовсе, или соответствующие нейтрино являются очень тяжелыми. Это согласуется с космологическими данными, в соответствии с которыми могут существовать не более четырех типов легких нейтрино.
В экспериментах с частицами высоких энергий электрон, мюон, тау-лептон и соответствующие нейтрино выступают как обособленные частицы. Они не несут цветового заряда и вступают только в слабые и электромагнитные взаимодействия. В совокупности они называются лептонами .
| Таблица 2. ПОКОЛЕНИЯ ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ ЧАСТИЦ | ||||
| Частица | Масса покоя, МэВ/с 2 | Электрический заряд | Цветовой заряд | Слабый заряд |
| ВТОРОЕ ПОКОЛЕНИЕ | ||||
| с -кварк | 1500 | +2/3 | Красный, зеленый или синий | +1/2 |
| s -кварк | 500 | –1/3 | То же | –1/2 |
| Мюонное нейтрино | 0 | 0 | +1/2 | |
| Мюон | 106 | 0 | 0 | –1/2 |
| ТРЕТЬЕ ПОКОЛЕНИЕ | ||||
| t -кварк | 30000–174000 | +2/3 | Красный, зеленый или синий | +1/2 |
| b -кварк | 4700 | –1/3 | То же | –1/2 |
| Тау-нейтрино | 0 | 0 | +1/2 | |
| Тау | 1777 | –1 | 0 | –1/2 |
Кварки же под действием цветовых сил объединяются в сильно взаимодействующие частицы, преобладающие в большинстве экспериментов физики высоких энергий. Такие частицы называются адронами . В них входят два подкласса: барионы (например, протон и нейтрон), которые состоят из трех кварков, и мезоны , состоящие из кварка и антикварка. В 1947 в космических лучах был открыт первый мезон, названный пионом (или пи-мезоном), и некоторое время считалось, что обмен этими частицами – главная причина ядерных сил. Особой известностью в физике элементарных частиц пользовались также адроны омега-минус, открытые в 1964 в Брукхейвенской национальной лаборатории (США), и джей-пси-частица (J /y -мезон), открытая одновременно в Брукхейвене и в Стэнфордском центре линейных ускорителей (тоже в США) в 1974. Существование омега-минус-частицы было предсказано М.Гелл-Манном в его так называемой «SU 3 -теории» (другое название – «восьмеричный путь»), в которой впервые было высказано предположение о возможности существования кварков (и было дано им это название). Десятилетие спустя открытие частицы J /y подтвердило существование с -кварка и заставило, наконец, всех поверить и в кварковую модель, и в теорию, объединившую электромагнитные и слабые силы (см. ниже) .
Частицы второго и третьего поколения не менее реальны, чем первого. Правда, возникнув, они за миллионные или миллиардные доли секунды распадаются на обычные частицы первого поколения: электрон, электронное нейтрино, а также и - и d -кварки. Вопрос о том, почему в природе существуют несколько поколений частиц, до сих пор остается загадкой.
О разных поколениях кварков и лептонов часто говорят (что, конечно, несколько эксцентрично) как о разных «ароматах» частиц. Необходимость их объяснения называется проблемой «аромата».
БОЗОНЫ И ФЕРМИОНЫ, ПОЛЕ И ВЕЩЕСТВО
Одним из принципиальных различий между частицами является различие между бозонами и фермионами. Все частицы делятся на эти два основных класса. Одинаковые бозоны могут налагаться друг на друга или перекрываться, а одинаковые фермионы – нет. Наложение происходит (или не происходит) в дискретных энергетических состояниях, на которые квантовая механика делит природу. Эти состояния представляют собой как бы отдельные ячейки, в которые можно помещать частицы. Так вот, в одну ячейку можно поместить сколько угодно одинаковых бозонов, но только один фермион .
В качестве примера рассмотрим такие ячейки, или «состояния», для электрона, вращающегося вокруг ядра атома. В отличие от планет Солнечной системы, электрон по законам квантовой механики не может обращаться по любой эллиптической орбите, для него существует только дискретный ряд разрешенных «состояний движения». Наборы таких состояний, группируемые в соответствии с расстоянием от электрона до ядра, называются орбиталями . В первой орбитали имеются два состояния с разными моментами импульса и, следовательно, две разрешенные ячейки, а в более высоких орбиталях – восемь и более ячеек.
Поскольку электрон относится к фермионам, в каждой ячейке может находиться только один электрон. Отсюда вытекают очень важные следствия – вся химия, поскольку химические свойства веществ определяются взаимодействиями между соответствующими атомами. Если идти по периодической системе элементов от одного атома к другому в порядке увеличения на единицу числа протонов в ядре (число электронов тоже будет соответственно увеличиваться), то первые два электрона займут первую орбиталь, следующие восемь расположатся на второй и т.д. Этим последовательным изменением электронной структуры атомов от элемента к элементу и обусловлены закономерности в их химических свойствах .
Если бы электроны были бозонами, то все электроны атома могли бы занимать одну и ту же орбиталь, соответствующую минимальной энергии. При этом свойства всего вещества во Вселенной были бы совершенно другими, и в том виде, в котором мы ее знаем, Вселенная была бы невозможна.
Все лептоны – электрон, мюон, тау-лептон и соответствующие им нейтрино – являются фермионами. То же можно сказать о кварках. Таким образом, все частицы, которые образуют «вещество», основной наполнитель Вселенной, а также невидимые нейтрино, являются фермионами. Это весьма существенно: фермионы не могут совмещаться, так что то же самое относится к предметам материального мира.
В то же время все «калибровочные частицы», которыми обмениваются взаимодействующие материальные частицы и которые создают поле сил (см. выше ), являются бозонами, что тоже очень важно. Так, например, много фотонов могут находиться в одном состоянии, образуя магнитное поле вокруг магнита или электрическое поле вокруг электрического заряда. Благодаря этому же возможен лазер .
Спин.
Различие между бозонами и фермионами связано с еще одной характеристикой элементарных частиц – спином . Как это ни удивительно, но все фундаментальные частицы имеют собственный момент импульса или, проще говоря, вращаются вокруг своей оси. Момент импульса – характеристика вращательного движения, так же как суммарный импульс – поступательного. В любых взаимодействиях момент импульса и импульс сохраняются.
В микромире момент импульса квантуется, т.е. принимает дискретные значения. В подходящих единицах измерения лептоны и кварки имеют спин, равный 1/2, а калибровочные частицы – спин, равный 1 (кроме гравитона, который экспериментально пока не наблюдался, а теоретически должен иметь спин, равный 2). Поскольку лептоны и кварки – фермионы, а калибровочные частицы – бозоны, можно предположить, что «фермионность» связана со спином 1/2, а «бозонность» – со спином 1 (или 2). Действительно, и эксперимент, и теория подтверждают, что если у частицы полуцелый спин, то она – фермион, а если целый – то бозон.
КАЛИБРОВОЧНЫЕ ТЕОРИИ И ГЕОМЕТРИЯ
Во всех случаях силы возникают вследствие обмена бозонами между фермионами. Так, цветовая сила взаимодействия между двумя кварками (кварки – фермионы) возникает за счет обмена глюонами. Подобный обмен постоянно происходит в протонах, нейтронах и атомных ядрах. Точно так же фотоны, которыми обмениваются электроны и кварки, создают электрические силы притяжения, удерживающие электроны в атоме, а промежуточные векторные бозоны, которыми обмениваются лептоны и кварки, создают силы слабого взаимодействия, ответственные за превращение протонов в нейтроны при термоядерных реакциях в звездах.
Теория такого обмена изящна, проста и, вероятно, правильна. Она называется калибровочной теорией . Но в настоящее время существуют лишь независимые калибровочные теории сильного, слабого и электромагнитного взаимодействий и сходная с ними, хотя кое в чем и отличающаяся, калибровочная теория гравитации. Одной из важнейших физических проблем является сведение этих отдельных теорий в единую и вместе с тем простую теорию, в которой все они стали бы разными аспектами единой реальности – как грани кристалла.
| Таблица 3. НЕКОТОРЫЕ АДРОНЫ | ||||
| Частица | Символ | Кварковый состав * | Масса покоя, МэВ/с 2 | Электрический заряд |
| БАРИОНЫ | ||||
| Протон | p | uud | 938 | +1 |
| Нейтрон | n | udd | 940 | 0 |
| Омега-минус | W – | sss | 1672 | –1 |
| МЕЗОНЫ | ||||
| Пи-плюс | p + | u | 140 | +1 |
| Пи-минус | p – | du | 140 | –1 |
| Фи | f | sє | 1020 | 0 |
| Джей-пси | J /y | cў | 3100 | 0 |
| Ипсилон | Ў | b | 9460 | 0 |
| * Кварковый состав: u – верхний; d – нижний; s – странный; c – очарованный; b – красивый. Чертой над буквой обозначены антикварки. | ||||
Простейшей и самой старой из калибровочных теорий является калибровочная теория электромагнитного взаимодействия. В ней заряд электрона сравнивается (калибруется) с зарядом другого электрона, удаленного от него. Как можно сравнивать заряды? Можно, например, приблизить второй электрон к первому и сравнивать их силы взаимодействия. Но не меняется ли заряд электрона при его перемещении в другую точку пространства? Единственный способ проверки – послать от ближнего электрона к дальнему сигнал и посмотреть, как он среагирует. Сигналом является калибровочная частица – фотон. Чтобы можно было проверить заряд на удаленных частицах, необходим фотон.
В математическом отношении эта теория отличается чрезвычайной точностью и красотой. Из описанного выше «калибровочного принципа» вытекает вся квантовая электродинамика (квантовая теория электромагнетизма), а также теория электромагнитного поля Максвелла – одно из величайших научных достижений 19 в.
Почему же столь простой принцип оказывается столь плодотворным? Видимо, он выражает некую соотнесенность разных частей Вселенной, позволяя проводить измерения во Вселенной. В математическом плане поле интерпретируется геометрически как кривизна некоторого мыслимого «внутреннего» пространства. Измерение же заряда – это измерение полной «внутренней кривизны» вокруг частицы. Калибровочные теории сильного и слабого взаимодействий отличаются от электромагнитной калибровочной теории только внутренней геометрической «структурой» соответствующего заряда. На вопрос о том, где именно находится это внутреннее пространство, пытаются ответить многомерные единые теории поля, которые здесь не рассматриваются.
| Таблица 4. ФУНДАМЕНТАЛЬНЫЕ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ | |||||
| Взаимо-действие | Относительная интенсивность на расстоянии 10 –13 см | Радиус действия | Переносчик взаимодействия | Масса покоя переносчика, МэВ/с 2 | Спин переносчика |
| Сильное | 1 | Глюон | 0 | 1 | |
| Электро- магнитное |
0,01 | Ґ | Фотон | 0 | 1 |
| Слабое | 10 –13 | W + | 80400 | 1 | |
| W – | 80400 | 1 | |||
| Z 0 | 91190 | 1 | |||
| Гравита- ционное |
10 –38 | Ґ | Гравитон | 0 | 2 |
Физика элементарных частиц пока не завершена. Еще далеко не ясно, достаточно ли имеющихся данных для полного понимания природы частиц и сил, а также истинной природы и размерности пространства и времени. Нужны ли нам для этого эксперименты с энергиями 10 15 ГэВ или же будет достаточно усилий мысли? Ответа пока нет. Но можно сказать с уверенностью, что окончательная картина будет проста, изящна и красива. Возможно, что принципиальных идей окажется не так много: калибровочный принцип, пространства высших размерностей, коллапс и расширение, а прежде всего – геометрия.
