«если верно, что все на свете состоит
из элементарных частиц, то, следовательно,
всё на свете состоит из света».
Напомним, что до самого конца девятнадцатого века считалось, что атом – это неделимая частица. Только в 1897 году Джозефом Томсоном был открыт электрон, причем стало ясно, что электрон – это часть атома. Позднее, в 1919 году Эрнест Резерфорд открыл протон, а в 1932 году, Джеймс Чедвик открыл нейтрон. Была предложена протонно-нейтронная модель атомного ядра. В этом состоит первый этап развития физики элементарных частиц: осознание того, что существуют множество неделимых частиц, из которых состоит вся материя. После этого, возникли теории, объясняющие строение атомного ядра. Исходя из этих теорий, ученые пришли к выводу, что в состав ядер должны входить частицы, осуществляющие обменное взаимодействие между элементарными частицами. Такие частицы назвали пи-мезонами (они были предсказаны Хидэки Юкавой в 1935 году, но открыты только к концу сороковых годов).
Получалась любопытнейшая картина: с одной стороны, частицы, называемые элементарными – неделимы, и являются простейшими. С другой стороны, эти частицы каким-то образом могут превращаться друг в друга, подобно тому, как превращаются друг в друга ядра атомов. Превращение ядер атомов друг в друга можно объяснить только сложной структурой ядра. Значит, элементарные частицы тоже имеют сложную структуру. Отсюда следует, пожалуй, самый главный вывод: элементарные частицы не являются неизменными. Это доказывается простым фактом: ни одна из частиц не бессмертна. Продолжительность существования большинства элементарных частиц измеряется в мкс. Нейтрон, находящийся вне атомного ядра «живет» значительно дольше – в среднем 15 минут, но это не меняет сути. Теоретически, если бы каждая из таких частиц, как фотон, электрон, протон и нейтрино была бы единственная во всем мире, они смогли бы существовать не ограниченно долго. Но тут выяснилось следующее: у каждой частицы должна быть античастица. Впервые это было предсказано Дираком еще в начале тридцатых годов двадцатого века. Сначала Дирак говорил только о позитроне (то есть, частице, противоположной электрону), но потом распространил свою гипотезу на все элементарные частицы.
|
|
Превращение элементарных частиц происходит при столкновении частиц высоких энергий. При этом рождаются совершенно иные частицы, которые нельзя называть составными частями элементарных частиц. Выясняется, что эти превращения взаимны, и происходят между всеми элементарными частицами. Единственное, что остается неизменным – это суммарная энергия до и после превращения (то есть, выполняется закон сохранения энергии).
Итак, элементарные частицы могут превращаться друг в друга, и при этом, у каждой частицы есть античастица. Из этого следует, что частицы могут рождаться только парами: частица и античастица. Это было обнаружено в космических лучах: то есть при наблюдении за некоторыми космическими лучами было зарегистрировано рождение электрона и позитрона. Исходя из этого, можно заключить, что при встрече частицы и античастицы, они уничтожаются, превращаясь в фотоны.
Открытие все новых и новых элементарных частиц всегда позиционировалось, да и сейчас позиционируется, как триумф науки. Но эти триумфы уже давно начали вызывать определенное беспокойство. В настоящее время насчитывается порядка четырёхсот элементарных частиц.
|
|
Возникает вопрос: а действительно ли эти частицы элементарны? Может, и они состоят из более простых, фундаментальных частиц? Этим заканчивается второй этап развития физики элементарных частиц: возникновение гипотезы о внутренней структуре элементарных частиц. Были открыты самые разные частицы: пи-мезоны, ка-мезоны, мю-мезоны, мюоны и так далее и так далее. Изначально, элементарные частицы попытались классифицировать следующим образом. Их разбили на три группы: фотоны, лептоны и адроны. Известно, что группа фотонов состоит из 1 частицы – фотона. Лептонами назвали частицы, имеющую массу, близкую к массе электрона (не более, чем в 200 раз превосходящую массу электрона). К группе лептонов относятся электроны, мюоны, тау-мезоны (которые были открыты относительно недавно), и три, соответствующие им нейтрино (как оказалось, существует три вида нейтрино: электронное, мюонное и тау-лептонное). В эту же группу входят античастицы выше упомянутых частиц. И, наконец, адроны: к этой группе относятся мезоны и барионы. Как можно заметить, это самый распространенный вид частиц: их насчитывается более четырехсот, а в группу лептонов входит только 12, плюс фотон. Остальные частицы – это адроны. Адроны делятся на мезоны и барионы, в соответствии со вторым квантовым числом (которое называется барионным зарядом). Например, к барионам относятся протон и нейтрон. Первое квантовое число – это лептонный заряд.
|
|
Необходимо отметить следующее: время жизни некоторых элементарных частиц составляет порядка 10–20 – 10–22 с. Поэтому, в 1964 году Марри Гелл Манн и Джордж Цвейг независимо друг от друга выдвинули гипотезу о существовании более фундаментальных частиц – кварков. Согласно этой гипотезе, из кварков построены все адроны. На данный момент известно всего 6 кварков и, соответственно, 6 антикварков. Кварки обозначаются буквой q с нижним индексом от 1 до 6 (номер кварка) и с верхним индексом a (который обозначает цвет кварка). Да, ко всему прочему, выяснилось, что каждый кварк может обладать одним из трех основных цветов: зеленым, синим или красным.
Также были открыты такие частицы, как глюоны – частицы поля, отвечающие за сильное взаимодействие. Их, на сегодняшний день насчитывается 8.
Получается вот какая картина: существует четыре вида фундаментальных типов взаимодействий – электромагнитное, сильное, слабое и гравитационное. Согласно теории близкодействия, у каждого взаимодействия существуют частицы-переносчики. У электромагнитного взаимодействия – это фотоны, у сильного взаимодействия – это глюоны, у слабого взаимодействия – это бозоны, у гравитационного взаимодействия – это гипотетические частицы – гравитоны. А теперь давайте подсчитаем количество элементарных частиц: это фотоны, лептоны, кварки и глюоны. Лептонов насчитывается 12, кварков – 36 (с учетом цвета), глюонов – 8. Получается 57 элементарных частиц – и это только то, что открыто на сегодняшний день. Пока что нет известных частиц, являющихся более фундаментальными, чем лептоны и кварки, поэтому лептоны и кварки принято считать истинно элементарными частицами. Но количество этих частиц снова наталкивает на мысль о том, что, возможно, и эти частицы – не самые простые, и они тоже имеют сложную структуру. Альберт Эйнштейн как-то раз сказал, что если теория развивается в сторону усложнения, громоздкости, то стоит проверить, а верна ли эта теория? Основная задача современной физики элементарных частиц – это понять, действительно ли кварки и лептоны являются элементарными и существуют ли вообще какие-то неизменные частицы? Возможно, ими как раз окажутся гравитоны.
Что же сулит человечеству развитие физики элементарных частиц? Рассмотрим столкновение пары электрон-позитрон. Каждая из этих частиц обладает электрическим зарядом и массой покоя. При столкновении этих частиц происходит аннигиляция (то есть исчезновение одних частиц и появление других). При аннигиляции электрона и позитрона образуются два фотона, которые не имеют ни заряда, ни массы покоя (поскольку фотоны попросту не могут существовать в состоянии покоя). Это говорит о том, что с помощью аннигиляции можно получать энергию в чистом виде. Не так давно были открыты антипротон и антинейтрон. Возник вопрос: а что если построить атом, ядро которого будет состоять из антинуклонов, а оболочка – из позитронов? Такие атомы смогут образовать антивещество. В 1969 году в СССР были получены ядра антигелия, хотя антивещество получить так и не удалось.
В 1995 году в ЦЕРНе удалось синтезировать атом антиводорода, а в последние годы удалось даже получить антиводород в достаточных количествах, чтобы начать изучать его свойства.
Из-за явления аннигиляции, антивещество является совершенным источником энергии. Например, расчеты говорят о том, что при аннигиляции одного килограмма вещества и одного килограмма антивещества выделится количество энергии, сравнимое с энергией ядерного взрыва. Поэтому, если человечеству удастся найти способ получения и удержания антивещества – это будет огромным прорывом в энергетике, подобным прорыву в начале двадцатого века – развитию ядерной энергетики.
Как известно, в наблюдаемой людьми части Вселенной практически нет антивещества. По современным представлениям, фундаментальные взаимодействия в веществе и антивеществе совершенно одинаковы, поэтому, столь сильная асимметрия вещества и антивещества во Вселенной – это одна из самых больших нерешенных задач в физике. Есть два предположения о том, почему в наблюдаемой части Вселенной нет антивещества. Первое предположение состоит в том, что такая асимметрия возникла при большом взрыве. Второе предположение, пожалуй, более логично: возможно во Вселенной существуют другие области, которые, наоборот, заполнены антивеществом, просто эти области находятся за гранью наблюдаемой людьми части Вселенной.
Основные выводы:
– Первый этап называется «от электрона до позитрона», то есть с момента осознания сложного строения атома до открытия античастиц.
– Второй этап называется «от позитрона до кварков», то есть до прихода осознания того, что и те частицы, которые сегодня называются элементарными, тоже имеют сложную структуру.
– Третий этап: от гипотезы о кварках до наших дней.
– Сегодня считается, что лептоны и кварки – это истинно элементарные частицы.
– Аннигиляция возникает при столкновении пар частица-античастица: и частица и античастица превращаются в фотоны очень высоких энергий.