Елементарні частинки і релятивістська квантова механіка
Першою елементарною частинкою (ЕЧ) став електрон – носій негативного електрики в атомах, що володіє мінімальною спостережуваної величиною заряду. Він був відкритий англійським фізиком Дж. Дж. Томсоном в 1897 р У 1919 р англійський фізик Е. Резерфорд виявив серед частинок, вибитих з атомних ядер, протони – частки з позитивним зарядом тієї ж величини, що і у електрона, і масою в 1840 разів більшою, ніж у електрона. У 1932 р англійським фізиком Дж. Чедвіком була відкрита інша частинка, що входить до складу ядер атомів, – нейтрон, яка не володіє електричним зарядом і настільки ж масивна, як і протон. До першого покоління ЕЧ слід віднести і квант електромагнітного поля – фотон, поняття якого було введено А. Ейнштейном в 1905 р Далі, особливо в післявоєнний період, число відкритих елементарних частинок наростало лавиноподібно. До 1950-х років основним їх джерелом були космічні промені. Після – спеціальні прискорювачі, в яких електричним полем розганяють електрони або протони до дуже великих енергій, щоб зіштовхнути з мішенню з певної речовини і подивитися, що з неї вилетить. Розміри і вартість прискорювачів стрімко наростала, як і число отриманих таким чином елементарних частинок, яких сьогодні вже налічують понад 350, і це число продовжує зростати. Об’єднує їх в сімейство ЕЧ те, що вони не належать ядрам атомів (інша їх назва – субатомні, або суб’ядерними, частки), а також однотипний спосіб їх отримання та реєстрації. “Елементарні частинки” (ЕЧ) визначаються процедурами їх приготування і реєстрації та властивостями, що проявляються при їх зіткненнях.
Найбільш поширеним приладом, реєструючим ЕЧ, сьогодні є “бульбашкова камера” (і її аналоги). Її основу складає перегріта рідина, в якій пролітають частинки залишають следи – треки з “скипіла” бульбашок. Оскільки частинки летять через певним чином сконфигурированное електричне і магнітне поля, то в залежності від значення заряду, маси і власного магнітного моменту (спина) малюнок їх сліду буде відрізнятися. Більшість часток нестійкі і швидко розпадаються, залишаючи не один слід, а гілкуються дерево слідів (рис. 7.4). Можна сказати, що кожна частка має свій характерний трековий малюнок (“ієрогліф”), який зіставляється з послідовністю перетворень частинок. Тут напрошується порівняння з хімією, де речовинам відповідають ЕЧ, процедурам ототожнення речовин в аналітичній хімії – аналіз ієрогліфів-треків, хімічним реакціям – взаємоперетворення елементарних часток – основний предмет теорії елементарних частинок.
У міру появи все нових ЕЧ їх стали класифікувати, об’єднуючи в групи, близькі за властивостями, і в сімейства легко перетворюються один в одного ЕЧ.
Так, за часом життя їх ділять на нестабільні (резонанси) з часами існування 10- 22 – 10- 24 с (10- 24 с – характерний час для ядерних взаємодій), квазістабільні з часом життя більш 10- 20 с і стабільні, до яких відносять електрон, протон, фотон і нейтрино (теоретично передбачені В. Паулі в 1930 р і експериментально відкриті в 1953 р).
Інше поділ часток – за типом взаємодій, в яких вони беруть участь. Поряд з добре відомим електромагнітним взаємодією, відповідальним за зв’язок атомних електронів з атомним ядром і зв’язок атомів в молекулах, було введено “сильне” взаємодія, відповідальна за зв’язок нуклонів (протона і нейтрона) в ядрі. Нарешті, в теорії β-розпаду (пов’язаного з мимовільним перетворенням один в одного протона і нейтрона з випусканням електронів, електронних нейтрино або відповідних античастинок) виникає поняття “слабкого” взаємодії (теорія β-розпаду була створена італійським фізиком Е. Фермі в 1934 р ).
Залежно від участі в тих чи інших видах взаємодій всі вивчені ЕЧ, за винятком фотона, розбиваються на дві основні групи: адрони і лептони. Адрони (вони діляться на баріони і мезони) характеризуються участю в сильних взаємодіях поряд з електромагнітними і слабкими, лептони беруть участь тільки в електромагнітному і слабкому взаємодіях “(з них нейтрино не беруть участь і в електромагнітній взаємодії, завдяки чому вони проходять не взаємодіючи крізь товщу матерії) ; фотон бере участь тільки в електромагнітній взаємодії, будучи його переносником; гіпотетичний гравітон – переносник гравітаційної взаємодії (при енергіях взаємодії ЕЧ порядку 1 МеВ константи чотирьох відомих у природі взаємодій – сильного, електромагнітного, слабкого та гравітаційного – відносяться як 1: 10- 2: 10- 10: 10- 38; але це співвідношення залежить від величини енергії, і припускають, що в межі дуже великих енергій ці кордони стираються). До лептонам відноситься невелике число частинок, зв’язаних з електроном. Це електрон, мюони, нейтрино і їх античастинки (див. Нижче).
Подальша класифікація відбувається шляхом введення різних классифицирующих квантових чисел, які називають “внутрішніми”, або “динамічними”, щоб підкреслити їх незалежність від простору-часу. Так, лептони характеризуються лептонним зарядом L (для фотона і адронів L = 0). Адронів з напівцілим спіном приписують баріонів заряд В. Адрони з В = +1 утворюють підгрупу баріонів, з В = 0 – підгрупу мезонів (для фотона і лептонів В = 0). Далі адрони підрозділяються на звичайні (“нестранно”) частки (протон, нейтрон, π – мезони), “дивні” частинки, “зачаровані” і “красиві” частинки. Цьому поділу відповідає наявність у адронів особливих квантових чисел: дивацтва S, “чарівності” С і “краси” b. До внутрішніх відноситься і електричний заряд Q. Для всіх ЕЧ з ненульовими значеннями хоча б одного з квантових чисел Q, L, B, C, b існують античастинки з тими ж значеннями маси, часу життя, спина і т. Д., Що володіють тим властивістю, що пара “частка і античастинка”, стикаючись, анігілює, перетворюючись на фотони високої енергії або інші частинки.
У міру зростання числа ЕЧ формувалася феноменологічна “спектроскопічна” модель, яка спиралася на аналогію з моделлю атомних і молекулярних спектрів. У ній ЕЧ розглядалися як різні стани якоїсь системи. У рамках цієї моделі всередині різних груп адронів виділяють сімейства частинок, близьких за масою, що мають близькі властивості по відношенню до сильному взаємодії, але різні значення електричного заряду Q. Для них, спираючись на аналогію зі спіновими мультиплеті в атомних спектрах39, вводять ще одне внутрішнє квантове число – ізотопічний спин I, такий, що величина 2I + 1 відповідає числу частинок в мультиплеті (так, мультиплеті з протона і нейтрона відповідає I = 1/2).
Побудова повноцінної фізичної теорії для цього “спектра ЕЧ” з чітким модельним шаром здійснюється на основі квантових теорій поля (КТП) – на сьогоднішній день основного теоретичного напрямку в області релятивістської квантової механіки (подібно тому як в основі теорії атомних спектрів лежить нерелятивістська квантова механіка). Всі КТП виростають з релятивістському квантової теорії електромагнітного поля (квантової електродинаміки – КЕД, перший варіант якої був створений П. Діраком в 1927 р). За аналогією з нею вводяться інші квантові поля.
Основні “первинні ідеальні об’єкти” квантової електродинаміки – фотони, електрони, позитрони. У результаті модель фізичної системи складається з заряджених частинок (електронів і позитронів) і переносників взаємодії між ними (фотонів), а стан системи описується значеннями відповідних вимірних величин (енергіями і імпульсами всіх цих частинок). Система, в якій відсутні будь-які частинки, називається вакуумом. Цю відносно просту модель дещо ускладнює те, що число всіх частинок, включаючи заряджені частинки, може мінятися (схожа ситуація виникає в термодинаміки при описі газу зі змінним складом). Далі для того, щоб ввести рівняння руху, описану вихідну модель істотно трансформують, і в підсумку в шарі “фізичної моделі” КЕД (див. Схему 3.1) в якості системи (А) виступає електронпозітрон-фотонное поле (т. Е. Вся можлива сукупність електронів, позитронів і фотонів (квантів електромагнітного поля)), а стан системи (SA) визначається розподілом по енергії і імпульсам електронів, позитронів і фотонів, описуваних в математичному шарі за допомогою відповідних “чисел заповнення” (число часток даного сорту з даними значеннями енергії і імпульсу). Основний процес, що розглядається в релятивістської квантової механіки, – процес переходу з початкового стану в кінцеве.
З’являються в КЕД віртуальні частинки – це не мають прообразів у модельному шарі математичні образи, породжені застосуванням методу теорії збурень, використовуваної для обліку в рівнянні руху взаємодії між вихідними “затравочного” частками (“вільними” полями). Поряд з розрізненням на “віртуальні” і “реальні” частинки в математичному шарі в КЕД з’являється розрізнення “вільних” і “фізичних” часток (і вакууму) в модельному шарі. “Вільними” називаються “затравочние” квантові частинки (поля) “, т. Е. Фізичні квантові частинки (поля) без урахування їх взаємодії.
Квантова теорія поля (КТП) по суті є поширенням фізичної моделі КЕД на інші “елементарні” частинки. Так в найбільш популярною сьогодні квантової теорії поля для сильної взаємодії – хромодинамике – використовується кваркоглюонная фізична модель. Роль основних частинок (електронів і позитронів в КЕД) в цій моделі грають кварки – гіпотетичні частинки, що володіють спіном 1/2, баріонним зарядом 1/3 і електричними зарядами 2/3, 1/3 і – 1/3 елементарного заряду e. Роль носіїв взаємодії між ними (фотонів в КЕД) відіграють глюони (від слова “клей”). На відміну від фотонів, глюонів доводиться вводити багато (їх розрізняють за “цвіту” – новому квантовому числу), і вони мають масу (це забезпечує малий радіус дії сильної взаємодії). Суттєвою особливістю цієї теорії є принципова ненаблюдаемость вільних кварків (часток з дробовим електричним зарядом), з яких складають адрони (баріони складаються з трьох кварків, мезони – з кварка і антикварка). Введене в математичному поданні сильне нелінійне глюонної взаємодія володіє тим властивістю, що на малих відстанях (порядку розміру ядер атомів) взаємодія між кварками настільки мало, що вони поводяться як майже вільні частки (“асіпмптотіческая свобода”). Але при збільшенні відстані взаємодія дуже швидко росте до як завгодно великих значень (ефект “утримання” кольору “”, колірним зарядом володіють тільки “внутріадронние” частинки – глюони і кварки). Цим намагаються пояснити ненаблюдаемость кварків у вільному стані. Їм легше розлетітися парами і трійками.
Суттєвою рисою моделі є представлення системи у вигляді взаємодіючих між собою вільних полів. Ці поля поділяються на основні (електрон-позитронного, кваркові, лептонні) і бозони (фотонів, глюонів, проміжних бозонів) поля, обмін квантами яких обумовлює взаємодію основних полів (в КТП переносники взаємодії – бозони, а “заряджені” частинки – ферміони).
Успіхи у створенні польових теорій різних взаємодій, пік яких припадає на 1970-і роки, стимулювали зусилля, спрямовані на створення єдиної квантової теорії поля, що об’єднує всі ЕЧ та взаємодії. У 60-ті роки була створена єдина теорія слабких і електромагнітних взаємодій (Глешоу, Вайнберг і Салам). З 70-х років йде інтенсивна робота по включенню в цю теорію також і сильної взаємодії шляхом “великого об’єднання” “колірної” і лептонний симетрій. Одним з пророцтв такої теорії є передбачення незбереження баріонів заряду і, як наслідок, нестабільності протона (його час життя оцінюється в 1030 – 1032 років). “У… Останнім часом основні надії на побудову єдиної теорії всіх взаємодій стали покладатися на теорію суперструн (1984)” [Лінде, с. 3] (одновимірних мікрооб’єктів, в які вводять щось аналогічне натягненню). Правда, говорити про успіх будь – або з цих програм, крім єдиної теорії слабких і електромагнітних взаємодій в рамках теорії Вайнберга і Салама, поки ще рано. Більше того, неуспіх цих програм призводить до зростання песимістичних настроїв в плані їх здійсненності.
Підводячи підсумки на рівні основних модельних уявлень, можна констатувати, що модельний шар релятивістської квантової механіки і теорії елементарних частинок не настільки вже незбагненний. Істотно нової тут є модель “фізичного вакууму” як системи, в якій немає частинок, але яка взаємодіє з частками (“фізичними”), т. Е. Має властивості середовища (або ефіру). Ця взаємодія фізичного вакууму з фізичними частками (і частинок між собою) описуване математичним апаратом, що включає елементи, звані “віртуальними частинками”, які є зручним засобом роботи з рядами теорії збурень. Породжувані з їх допомогою математичні образи “фізичних” частинок і вакууму, представлені у вигляді “голих” частинок, “одягнених” у “шуби” з “віртуальних частинок”, і кишить “віртуальними частинками” вакууму, при некритичному ставленні необгрунтовано переносяться в модельний шар. Насправді ж належить модельному шару фізичний вакуум – стан у відсутність реальних частинок, але з урахуванням взаємодії між полями – “являє собою строго стаціонарний стан; в ньому неможливі ніякі самовільні процеси народження частинок. Іншими словами, з плином часу вакуум залишається вакуумом “[Ландау, т. IV-2, с. 14], він стабільний і ніяких частинок мимоволі не народжує.
(1 votes, average: 5.00 out of 5)