Мир элементарных и фундаментальных частиц

В процессе установления сложной структуры атома и его ядра возродилась на научной основе идея о существовании небольшого числа первичных, не делимых далее микрообъектов. На первых порах к ним были отнесены электроны, протоны, нейтроны и после некоторых колебаний фотоны. Господствующей стала точка зрения, согласно которой цепочка составных элементов материи завершается дискретными бесструктурными образованиями, которые и были названы «элементарными частицами».

Однако подобная трактовка концепции элементарности оказалась слишком примитивной. Постепенно открывались все новые и новые объекты, которые с полным правом могли претендовать на роль элементарных частиц. Обнаружилось, что элементарные частицы отнюдь не являются какими-то застывшими, неизменными сущностями – все они при определенных условиях способны превращаться друг в друга, хотя конечные частицы и не содержатся внутри начальных. Наконец, почти с достоверностью установлено, что большинство частиц, в том числе протон и нейтрон, неэлементарны.

Элементарными частицами сейчас именуют большую группу мельчайших микрообъектов, не являющихся атомами или атомными ядрами (за исключением протона – ядра атома водорода). В этом смысле их называют иногда субъядерными частицами, или просто частицами. Пока считается, что истинно элементарные частицы, называемые также фундаментальными частицами или субчастицами, все же имеются. Термин «элементарные частицы» сохраняется по традиции – для обозначения всех субъядерных частиц, даже тех, которые заведомо являются составными.

Новые частицы открывают в реакциях неупругого рассеяния уже известных частиц, иногда в процессах их распада. Для этого сталкивают частицы с как можно большими энергиями, а затем с помощью подходящих детекторов исследуют продукты соответствующей реакции и те фрагменты, на которые распались образовавшиеся частицы. В настоящее время источниками служат в основном ускорители, создающие контролируемые интенсивные пучки частиц с высокими энергиями.

Всего в настоящее время известно около 400 элементарных частиц, среди них можно выделить: электрон, протон, нейтрон, фотон, и так далее. У всех известных частиц существуют античастицы, иногда полностью совпадающие со своими частицами (например, фотон). Первая открытая античастица – позитрон – противоположна электрону.

Все многообразие элементарных частиц принято делить систематизировать. Систематика частиц проводится по нескольким признакам и не принимает во внимание особенности механизмов фундаментальных взаимодействий, наличие структуры у частиц, поэтому она полуфеноменологическая.

Все частицы по отношению к сильному взаимодействию разбиваются на участвующие и не участвующие в нем. Первые называются адронами, вторые иногда именуют аденонами. По временам жизни различают стабильные частицы (время жизни больше 10^-23 с) и резонансы или короткоживущие частицы (время жизни порядка 10^-23 с). Статистика делит на фермионы (образуют материю) и бозоны (являются переносчиками взаимодействия). По характеру поведения в различных процессах частицы разбиваются на отдельные изомультиплеты. Наиболее характерный (но не единственный) признак принадлежности частиц к одному изомультиплету – приближенное равенство масс при разных значениях электрического заряда (например, нуклонный изодублет, лептонные дублеты). В соответствии с индивидуальными признаками различают отдельные частицы, которым сопоставляются античастицы (рис. 1).

Все реально наблюдаемые частицы разбиваются на два класса: лептоны, не подверженные сильному взаимодействию, и адроны, способные участвовать в этом взаимодействии. Особый класс составляют переносчики фундаментальных взаимодействий.

Лептоны – претенденты на роль истинно элементарных частиц. Во-первых, их мало – всего шесть, если не считать античастицы. Далее, лептоны или абсолютно стабильны (электрон и все нейтрино), или живут долго по ядерным масштабам (мюон и таон). Наконец, лептоны ведут себя как точечные объекты, не обнаруживая никаких размеров, а тем более внутренней структуры, даже при сверхвысоких энергиях. Все сказанное в той же степени относится к фотону и всем переносчикам фундаментальных взаимодействий.

Совсем иначе обстоит дело с адронами. Во-первых, их имеется очень много – несколько сотен. Далее, подавляющее большинство адронов относится к резонансам, являющимся крайне нестабильными частицами. Наконец, у адронов экспериментально обнаружена электромагнитная структура. Их разнообразие вынудило физиков искать какие-то руководящие принципы, которые позволили бы упорядочить множество этих частиц. Одним из ключей явилась фундаментальная концепция кварков – истинно элементарных частиц, составляющих, как сейчас считается, все известные адроны.

 

Рис. 1 Полуфеноменологическая систематика элементарных частиц.

Вот как можно представить современные взгляды на структуру материи:

а) есть две группы истинно элементарных (фундаментальных) частиц: лептоны, непосредственно регистрируемые на опыте, и кварки, составляющие адроны;

б) они выступают в шести разновидностях, называемых ароматами;

в) по ароматам разбиваются на три пары – поколения. В каждом поколении имеются «верхние» и «нижние» частицы;

г) лептоны считаются «белыми», а каждый кварк имеет три цвета;

д) мезоны конструируются из кварка и антикварка с дополнительными цветами, а барионы – из трех кварков с разными основными цветами, так что наблюдаемые адроны оказываются белыми, как и лептоны.

Число различных истинно элементарных частиц на данный момент: . Здесь 6 – число ароматов, 3 – число цветов кварков, а 2 учитывает существование антилептонов и антикварков.

Мегамир. Модели Вселенной

Современные космологические представления смогли возникнуть только после создания квантовой физики.

Вопросы мироздания волновали уже древних мыслителей. Так, древнегреческие философы стали использовать слово «космос» (букв. – «порядок») для обозначения определенным образом упорядоченного мира, возникающего после хаоса (букв. – «беспорядок»). Конечный космос Птолемея был ограничен сферой неподвижных звезд. В центре его – Земля, обитатель которой – человек есть центр Вселенной. В XVII в. птолемеевская модель начала вытесняться гелиоцентрической Вселенной Н. Коперника, Уточнения в ее строение и кинематику внесли открытия И. Кеплера (законы движения планет) и И. Ньютона. Вселенная предстала как огромное собрание космических тел, подчиняющихся законам классической механики, в том числе – закону всемирного тяготения. Небесная механика И. Ньютона свидетельствовала о вечности и неизменности солнечной системы, за пределы которой она еще не выходила.

С открытием закона сохранения энергии стало ясно, что солнечная система невечна. Так возник вопрос о происхождении солнечной системы. Современная эволюционная астрофизика позволяет выйти за рамки ближнего космоса во Вселенную.

Ближний космос – фактически Солнечная система. Ее образуют Солнце – огромное плазменное тело, стянутое электромагнитными и гравитационными полями и выделяющее огромную энергию за счет ядерных реакций в ее недрах, вокруг которого по эллиптическим орбитам вращаются планеты с их спутниками.

Большие скопления звездных и планетных систем, межзвездной пыли и газа образуют огромные звездные острова – млечные пути. На современном астрономическом языке – галактики. Солнечная система принадлежит к одной из галактик. Наша Галактика представляет собой гигантскую эллипсовидную спиралеобразную систему, в центре которой сосредоточена основная масса звезд. Солнце представляет собой одну из сотен миллиардов звезд в нашей галактике, находится на ее окраине и вращается вокруг ее ядра, делая полный оборот за 200 млн. лет (галактический год).

Как утверждает современная наука, Солнце существует около 6 млрд. лет, Земля – 4,6 млрд. лет. За время существования Земли она вместе с Солнцем сделала 23 оборота вокруг центра Галактики, а вместе с человеком ею была пройдена всего 1/66 часть галактической орбиты. В настоящее время Солнце движется в той части Галактики, где ее ядро закрыто от Земли обширной пылевой туманностью – своеобразным экраном, предохраняющим Землю от излучения галактического ядра.

Отдельные галактики образуют скопления – системы галактик. Система взаимодействующих скоплений галактик образует еще более высокий уровень организации материи – Метагалактику. В нее входит несколько десятков миллиардов разного рода галактик. Некоторые ученые отождествляют Метагалактику со Вселенной в целом. Другие считают Метагалактику ограниченной, наблюдаемой (в радиусе 10²⁶ м) частью Вселенной. Третьи утверждают, что бесконечный материальный мир представляет собой множество вселенных, находящихся в разных состояниях, сосуществующих одновременно и, возможно, взаимодействующих между собой.

Большинство ученых считало, что Вселенная статична, стационарна, т.е. не изменяет свое состояние с течением времени. Это мнение разделял и А. Эйнштейн, разработавший теорию относительности.

Итак, Эйнштейн исходил из представления о статичной Вселенной. Между тем уравнения общей теории относительности (ОТО) свидетельствовали об обратном: Вселенная, где господствуют силы взаимного тяготения тел, не может быть устойчивой – она начнет либо расширяться, либо сжиматься. Чтобы преодолеть этот, как считал А. Эйнштейн, недостаток, он ввел в уравнения ОТО новую величину – «космологическую постоянную», которая описывала силы отталкивания, компенсирующие силы тяготения. В результате была построена релятивистская модель стационарной Вселенной (1917 г.).

Спустя пять лет молодой ленинградский физик и математик А.А. Фридман предложил иное решение уравнений Эйнштейна. Оно показало: Вселенная развивается и видоизменяется, все время испытывая расширение. Но тогда выходило, что оно началось в некий момент времени. Математические расчеты показали нечто невероятное: вся материя и вся энергия в момент расширения должны быть сосредоточены в бесконечно малом объеме. Так была построена модель нестационарной (изменяющейся во времени) Вселенной (подробнее в Астрономической картине мира).

Итак, естествознание XX века, все больше раздвигая «верхний» и «нижний» пределы познания материальной действительности. Огромную роль здесь играют квантовые и релятивистские представления, которые дают все более глубокое и точное понимание строения материи, включая классическую механику в качестве своего частного случая. Но степень сложности материального мира всегда будет превосходить объяснительные возможности даже самых современных теорий. Сущность природы неисчерпаема, а потому процесс ее познания всегда остается незавершенным, т.е. открытым для дальнейших, более глубоких и полных исследований.