Filosofa.net

Таким образом, частицы похожи на двуликого Януса: с одной стороны частица, с другой - волна. Это нелегко себе представить, недаром даже самые лучшие физики отказывались признать теорию Эйнштейна. Однако опыты приносили все новые и новые подтверждения, и постепенно она завоевала всеобщее признание.

Но вернемся к внутриядерным силам. Идея объяснить их на основе обмена какими-то новыми частицами выглядела привлекательно. Японец Хидеки Юкава предположил, что протоны и нейтроны обмениваются некоторыми частицами, в 200-300 раз тяжелее электрона. Она действительно вскоре была обнаружена в космических лучах. Ее назвали мезоном. Мезонные силы в тысячу раз более мощные, чем электромагнитные. Именно поэтому ядра в триллион раз плотнее атомов.

После открытия мезона (это было еще до войны), открытия новых элементарных частиц посыпались как из рога изобилия. Редкий месяц не приносил какой-либо новой частицы. Скоро их число перевалило за сотню. Но мот что важно: кроме электрона, протона и нейтрона в атоме больше нет никаких частиц. Зачем же тогда нужны остальные и почему их так много? Еще один сложный вопрос физики.

Элементарные частицы нельзя разделить на более простые части (именно поэтому их и назвали «элементарными»). В любых известных сегодня реакциях эти частицы лишь переходят друг в друга - взаимопревращаются. Причем из легких могут родиться более тяжелые частицы - если они движутся с достаточной скоростью (кинематическая энергия переходит в массу!)

Из элементарных частиц, как из кирпичиков конструктора, можно построить весь окружающий мир во всей его красоте и многообразии. Как сильно они не похожи друг на друга! Каких только здесь нет пород, гибридов и монстров! Элементарные частицы различаются по заряду, спину, массе, времени жизни и так далее. Например, время жизни протона больше времени жизни Вселенной, а ро-мезон живет 10 в -23 степени секунд. Масса фотонов и нейтрино равна нулю, а масса еще не открытого, но предсказанного теоретиками максимона (самой тяжелой элементарной частицы, которая только может существовать) - что-то около микрограмма - как у крупной, видимой глазом пылинки. Такой мастодонт и элементарным назвать неудобно.

Итак, целая россыпь, сотни элементарных частиц! Когда смотришь на это, то первое что хочется сделать, это хоть как-то привести их в порядок, выделить «наиболее элементарные», из которых можно сделать все остальные. Этому и отдали дань самые известные и талантливые физики. И ничего не вышло: оказалось что все частицы в равной степени элементарны. Однако их можно разбить на семейства, и членов каждого рассматривать как различные состояния одной и той же частицы. Семейства объединяются в более сложные группы - кланы, или мультиплеты. Но главное - мультиплеты связаны определенными правилами симметрии. В целом получается что-то вроде периодической таблицы элементарных частиц, наподобие Менделеевской. Можно предполагать, физики нащупали следующий ярус строения материи.

Большую роль в развитии знаний сыграли ускорители элементарных частиц. Электронное просвечивание показало, что протон на самом деле не точка, а довольно крупный объект радиусом около 10 в -13 степени сантиметров. Анализируя результаты новых опытов по рассеянию электронов, ученые сделали вывод, что нуклоны являются роем каких-то очень мелких частичек, которые при меньшем увеличении выглядят как сгусток накладывающихся и проникающих друг в друга мезонов и других элементарных частиц. Теоретики, занимавшиеся классификацией частиц, обрадовались, так как уже давно догадывались о существовании таких частиц, только называли их по-своему: кварки.

Когда кварки замелькали на страницах теоретических статей, многие ученые считали их всего лишь неким курьезом, временными строительными лесами на пути к более совершенной теории. Однако не успели физики оглянуться, как оказалось, что с помощью кварков очень просто и наглядно объясняются самые различные экспериментальные факты, а теоретические вычисления сильно упрощаются. Без кварков стало просто невозможно обойтись, также как без молекул и атомов.

с помощью кваркового конструктора можно построить всю таблицу элементарных частиц - иногда простым сложением, а иногда придавая дополнительное вращение «частям» уже построенных частиц. Единственное, что смущало - то, что никто не мог обнаружить кварки в свободном виде. Поиск свободных кварков стал главной задачей физики. На решение этой задачи была брошена вся мощь современного эксперимента. Кварки искали и среди потоков частиц, образующихся в ускорителях, и среди космических лучей, но . никаких следов не было!

Опыты по зондированию нуклона доказали, что в центре элементарной частицы кварки почти не связаны взаимодействием и ведут себя как плавающие в воздухе воздушные шарики. Если же они попытаются разойтись, то сразу же возникают стягивающие их силы. На периферии кварки могут находиться лишь в форме связанных сгустков - например, в виде пи-мезонов, что согласуется с теорией ядерного взаимодействия на основе мезонов. Но как взаимодействуют друг с другом кварки? Так как другого способа организовать взаимодействие, чем посредством передачи частицы-носителя взаимодействия, наука не знает, то были предложены глюоны - склеивающие кварки частицы. Глюоны похожи на фотоны, только с зарядом. Фотон никакого поля вокруг себя не создает, поэтому наибольшую интенсивность поле имеет возле своего источника - заряда, дальше оно постепенно рассеивается и ослабевает. Глюон же своим зарядом рождает новые глюоны, те в свою очередь - следующие и так далее.поэтому глюонное поле не ослабевает, а наоборот, возрастает при удалении от породившего его кварка. Удаляющийся кварк, как пеной обрастает новыми глюонами и их связь становится более сильной. А «голые» кварки в центре частицы - очень легкие образования, их масса в сто раз меньше нуклонной. Оказывается, элементарные частицы состоят в основном из глюонного клея!

Важное следствие из теории кварков - это возможный распад протона. Этот вывод несколько пугает. Получается что все вокруг радиоактивно и с течением времени должно распасться все - все атомы мира. Однако сильно опасаться нам нечего. Расчет говорит, что протоны распадаются крайне редко. В стакане воды один распад происходит за десять тысяч лет. Но если взять установку большой величины, то и такое редкое событие можно зарегистрировать. Успех эксперимента будет веским доказательством того, что наши представления о глубинах микромира правильны. Результат опыта будет также очень важен и для астрономов, и для философов - ведь от его исхода зависят предсказания дальнейшей эволюции и судьбы окружающего нас мира.

Окружающий мир - что может быть интереснее и захватывающее истории его возникновения, развития, строения и существования? Ныне Вселенная раскрывает свои тайны, загадки таинственного мира фундаментальной физики. Цель поисков ученых превосходит самое смелое воображение: речь идет ни больше и не меньше как о «ключе» к Вселенной. Впервые за всю историю человечества мы располагаем разумной научной теорией всего сущего. Это поистине революционный беспримерный прорыв в нашем понимании окружающего мира, который оставит глубокий след в развитии представлений человека о Вселенной и его места в ней.

Важнейший вопрос физики - вопрос о взаимодействиях. Если бы не взаимодействия, то частицы материи двигались бы независимо, не подозревая о существовании других частиц. Благодаря взаимодействиям частицы обретают как бы способность распознавать другие частицы и реагировать на них, благодаря чему рождается коллективное поведение. Поскольку вся материя состоит из частиц, для объяснения природы сил необходимо в конечном счете обратиться к физике элементарных частиц. Сделав это, физики обнаружили, что все взаимодействия, независимо от того, как они проявляются в больших масштабах, можно свести к четырем фундаментальным типам: гравитационному, электромагнитному и двум типам ядерных.

На уровне кварков доминируют ядерные взаимодействия. Сильное взаимодействие связывает кварки в протоны и нейтроны и не дает ядрам разваливаться. На уровне атомов преобладает электромагнитное взаимодействие, связывающее атомы и молекулы. В астрономических масштабах господствующим становится гравитационное взаимодействие.