Елементарні частинки

Відомо, що перша фізика як наука була сформульована ще Аристотелем (384-322 рр. До н. Е.), Проіснувавши близько 2000 років без істотних змін. Не перестаєш дивуватися, що багато ідей, висловлені в стародавності, не спростовані і по сей день. Хоча Аристотель вважав, що речовина у Всесвіті складається з чотирьох основних елементів – землі, повітря, вогню і води, на які діють дві сили – сила тяжіння і сила легкості, – все ж підхід до будови Всесвіту, коли всі ділиться на речовина і сили, зберігся і донині.
За Арістотелем, речовина безперервно, т. Е. Будь-який шматочок речовини можна нескінченно дробити на все менші й менші шматочки, так і не дійшовши до найдрібнішої крупинки, яка б не ділилася. І в даний час існує уявлення, що матерія невичерпна вглиб. В даний час відомо близько 400 мікрочастинок, і це, мабуть, не межа.
Ще зі шкільної лави нам відомо, що речовини – тверді тіла, рідини, гази – складаються з атомів. У свою чергу кожен атом – це як би маленька сонячна система: у центрі – сонце-ядро, навколо обертаються планети-електрони. Виявляється, що не тільки газоподібні, а й тверді речовини складаються в основному з порожнечі. Якщо порівняти ядро ​​з футбольним м’ячем, то сам атом матиме розмір, приблизно рівний 1 км. У ядрі зосереджено більше 99% повної маси атома. Атомне ядро ​​складається з протона і нейтрона і оточене хмарою з негативно заряджених електронів. Електрони – дуже легкі частинки. У ядрі водню один-єдиний протон, в ядрах важких елементів, наприклад у свинці або урані, їх вже більше двохсот, причому протонів приблизно стільки ж, скільки і нейтронів. Протони і нейтрони настільки схожі один на одного своїми властивостями, що фізики вважають їх як би двома станами однієї і тієї ж частинки – нуклона. Коли у нуклона немає електричного заряду – це нейтрон, коли ж в результаті взаємодії він отримає заряд, виникає протон. У якомусь сенсі нуклон нагадує монету: одна її сторона – протон, а інша – нейтрон.
Подібним же чином можна згрупувати і інші частинки з близькими властивостями. Кожна з них являє собою як би сторону єдиного багатогранника. Частинку мезон, наприклад, можна уподібнити тригранної піраміди: одна її сторона відповідає негативно зарядженого мезона, друга – мезони з позитивним зарядом, а третя – їх нейтрального побратимові.
Протони і нейтрони дуже швидко випускають і поглинають легку частку мезон, тим самим створюючи навколо себе хмару електричних зарядів. Випустивши позитивно заряджений мезон, протон стає нейтроном, а нейтрон, важко зітхнувши негативно заряджений мезон, перетворюється в протон. Виникає питання, як же протон може перетворитися на більш важкий нейтрон, при цьому відірвавши від себе деяку масу у вигляді мезона? Проте таке відбувається без порушення закону збереження енергії. Завдяки особливостям хвильового руху мікрочастинок їх траєкторії (можна сказати, навіть самі частинки) як би розмазані в просторі. При цьому швидкість, а отже, і енергія частинки протягом дуже короткого часу опиняються кілька невизначеними – якраз настільки, щоб компенсувати позірна незбереження енергії. Багато дивовижні явища мікросвіту пояснюють віртуальні частинки, які народжуються і швидко зникають з удаваним порушенням закону збереження енергії. Вони народжуються в результаті квантової флуктуації (відхилення від норми) маси і енергії. Так, всередині протона існують віртуальні мезони. Експерименти показали, що протони і нейтрони складаються з кварків і антикварків, які ніяк не вдається виділити у вільному вигляді.
У кожної реальної частинки є античастинка, наприклад у електрона – позитрона, протона – антипротон і т. Д. У фотона немає античастинки, але він є віртуальною частинкою. Коли частинки і античастинки зближуються на малу відстань, вони мають тенденцію взаємно знищуватися, аннигилировать з виділенням енергії. В результаті цього процесу відбувається перетворення маси в енергію відповідно до закону А. Ейнштейна про еквівалентність матерії (речовини) і енергії. Таким чином, вивчення будови речовини – це одночасно і пошуки нових енергетичних можливостей.
Поняття античастинки приводить до поняття антиречовини. Вчені в лабораторіях породжують форми антиречовини. Наприклад, Антипротон і антинейтрон об’єднуються в антідейтрон. Проте значна кількість антиречовини створити неможливо, т. К. Античастинки мають тенденцію вступати в реакцію з речовиною дослідницької апаратури, т. Е. Аннигилировать. Це не виключає, що де-небудь в космосі є великі області антиречовини, наприклад антізвезди, антігалактікі. В принципі, можна собі уявити, що існують антизолотої, антісвінец і т. Д. Якщо дати можливість проаннігіліровать 1 кг речовини і 1 кг антиречовини, отриманої при цьому енергії могло б вистачити Саратовської області не менше ніж на рік. Однак навколо нас набагато більше часток, ніж античастинок.
Частинки мають обертальну характеристику – спін. Спін частинки дає нам відомості про те, як виглядає ця частка, якщо дивитися на неї з різних сторін. Частка зі спіном 0 схожа на точку: вона виглядає з усіх боків однаково. Частинку зі спіном 1 можна порівняти зі стрілою: з різних сторін вона виглядає по-різному і приймає колишній вигляд лише після повного обороту на 360 °. Частинку зі спіном 2 можна порівняти зі стрілою, заточеною з обох сторін: будь-яке її становище повторюється після півоберту (1800). Аналогічним чином частинка з більш високим спіном повертається в первинний стан при повороті на ще меншу частину повного обороту. Частинки, спін яких дорівнює 1/2, необхідно повернути на два повних оберти, щоб вони прийняли колишній вигляд. У табл. 2 наведені основні характеристики стабільних і відносно стабільних елементарних частинок. Вони розташовуються в порядку зростання маси (за одиницю маси обрана маса електрона). В даний час поняття елементарного стало досить умовним. Частинки називають елементарними за традицією, насправді кожен такий «елемент» – складна матеріальна система. Всяка частинка розпадається на кілька інших, ті в свою чергу теж розпадаються і т. Д. Виходить єдина, міцно пов’язана мережу, де немає ні початку, ні кінця і всі частинки одночасно є і елементарними, і складними. Характерна особливість частинок, які відносять до розряду елементарних, полягає в тому, що вони здатні перетворюватися один в одного, породжувати один одного в різних процесах взаємодії. Звичні для нас уявлення про простий і складному, про цілому і частини в світі частинок виявляються непридатними. Наприклад, π – мезон, що входить до складу протона, має майже такий же радіус, як і протон, т. Е. Частина має такі ж розміри, що і ціле. Ми звикли до того, що ціле завжди складніше і більше своєї частини. У мікросвіті ж частина може бути не менш складною і більш масивною, ніж ціле.
Елементарні частинки утворюють одне тісне співтовариство. Існування однієї частинки так чи інакше пов’язане з наявністю іншої. Одні частинки породжують інші. Для позначення різноманітних зв’язків фізики використовують поняття взаємодії.

Посилання на основну публікацію