Физика элементарных частиц – это, выражаясь словами ученого академика И.Б.Таммина, основная область «ведущая современную физику к кануну существенных изменений и революционных переворотов». Элементарные частицы образно уподобили «неизученным планетам». Неслучайно, что заслуживающие внимания открытия физики были сделаны после 60-х годов именно в этой области. Для того, чтобы составить представление о достижениях в этой области, достаточно сказать, что за последние 25-30 лет число элементарных частиц увеличилось от 35 до 340 и предвидится дальнейшее увеличение этой цифры в будущем.[8] Особенно начиная с 30-х годов нашего века кроме ранее известных электрона, фотона и протона были обнаружен дополнительно много новых частиц: нейтрон, позитрон, нейтроны различной массы и заряда (также нейтральные) мезоны, гипероны и так называемые их соответствующие античастицы. Увеличение цифры выражающей число «элементарных» частиц, показало потерю своего бывшего значения понятия «элементарность». Потому что все эти частицы не могли выполнить функцию последних «кирпичиков» в мировом здании. Находясь в таком положении, элементарные частицы старались объяснить множество и разнообразие, классифицировать с точки зрения обеспечения развития, классифицировать с точки зрения обеспечения развития достижений научного познания в этой области. Осуществление таких классификаций связано с описанием свойств и основных характеристик элементарных частиц.

В настоящее время определено богатство свойств известных наук элементарных частиц. Причем у многих этих свойств нет аналогов среди известных свойств макроскопических объектов.[9] Основные характеристики элементарных частиц, описанных абстрактным языком математики, следующие: масса, заряд, средний период существования, спин, изотропный спин, одиночность, парность, лептиновый заряд, заряд бориона, взаимное влияние. Постараемся дать характеристики этим свойством элементарных частиц.

Одно из самых главных свойств, характеризующих элементарные частицы – масса. Отметим, что масса покоя элементарных частиц определяется относительно массы покоя электрона (me=9,1×10–31 кг). В настоящее время более широко распространена классификация элементарных частиц в зависимости от величины их массы покоя. Согласно этой классификации все элементарные частицы длятся на 4 группы:

1) легкие элементарные частицы – лептоны. Сюда входят электрон, нейтрино и их античастицы – позитрон, антинейтрино, а так же положительные и отрицательные мю-мезоны. За исключением последних лептоны перед вступлением во взаимное влияние стабильны и в свободном состоянии существуют более 1020 лет. Мю-мезоны же не являются стабильными частицами, прожив две стомиллионные секунды распадаются, превращаются в электрон, нейтрон и антинейтрон. Масса покоя нейтрино и антинейтрино очень мала, взятые вместе они равны 0,0005 части массы электрона.

2) частицы средней массы – мезоны. Сюда входят положительные, отрицательные и нейтральные пи-мезоны с массой 270 me – масса покоя, и некоторые виды кА-мезоны с массой 970 me. Все мезоны нестабильны, обладают очень маленьким периодом существования (до 7-19 секунд).

3)тяжелые частицы – нуклоны. Сюда входят протон, нейтрон и их античастицы – антипротон и антинейтрон. Протон и антипротон стабильны, нейтрон и антинейтрон – нестабильные частицы, обладают относительно длинным периодом существования – 17 минут.

4) гипероны – самые тяжелые частицы. В эту группу входит очень много частиц и античастиц. Масса гиперонов от 2182 me до 2585 me. Срок существования всех гиперонов одинаков – 10–10 секунды.

Иногда нуклоны и гипероны объединяют в единую группу под названием барионы. В эту группу также можно включит образующий особую группу и являющийся квантом электромагнитного поля фотон. Несмотря на то что подобная классификация элементарных частиц не раскрывает объединяющие их основные закономерности, в любом случае она предоставляет возможность изучить целый ряд свойств и превращений частиц и даже предсказать существование некоторых частиц.

Необходимо отметить, что строение материи и неисчерпаемость свойств находят себя не только в постепенном увеличении числа известных частиц, но и также в менее важном факте взаимного превращения частиц «элементарной» материи. Определение общности (дуализма) в свойствах частиц материи поля также привело к мысли об их взаимном превращении. Уже спустя некоторое время после открытия позитрона (1932-й год) стало известно, что пары материи электрон-позитрон, в определенных условиях объединяясь, первращаются в кванты света – фотоны, являющиеся частицами электромагнитного поля, и образуются из них. Затем стало известно, что подобное взаимное превращение происходит не только между являющимися двумя видами материи частицами вещества и поля, но и также между самими частицами вещества. В результате стало ясно, что частицы материи не неизменны и не просты, они могут превращаться друг в друга в процессе взаимного влияния, могут образовываться и поглощаться со стороны различных комплексов частиц.

Другое важное свойство элементарных частиц – электрический заряд, отражающий их связь с электромагнитным полем. Одна часть известных частиц обладает положительным, другая часть – отрицательным зарядом, часть частиц не имеет электрического заряда. Кроме фотона и обоих мезонов каждой частицы соответствует античастица противоположного заряда. Причина того, что различные элементарные частицы не имеют обязательно одинаковых показателей электрического заряда и что некоторые элементарные частицы лишены электрического заряда, нам пока не известна. Очень возможно, что это проявление еще не обнаруженных глубоких внутренних закономерностей элементарных частиц общности в структуре частиц.[10]

Одна из существенных физических характеристик элементарных частиц – период их существования.

Согласно периоду существования элементарные частицы делятся на стабильные, квазистабильные и нестабильные (резонансные) частицы. Стабильных частиц пять: фотон, электронный нейтроно, мьонный нейтроно, электрон и протон. В структуре макротел стабильные частицы играют решающую роль. Остальные частицы не стабильны. Эти частицы, расположенные в интервале среднего существования от 10–10 до 10–24 секунды, в конечном счете делятся на другие частицы. Квазистабильные элементарные частицы с средними периодами существования 10–10 до 10–24 секунды называются резонансами. Из-за маленького периода существования эти частицы не могут покинуть атом или ядро атома и распадаются на другие частицы. Существование резонансных частиц было только теоретически вычислено и заметить их в реальном эксперименте пока невозможно.

Еще одна важная характеристика частиц – спин. Спин – это совершенно новое свойство частиц присущее только им и не имеющее аналога в макроскопической физике, описание его как момента механического импульса является само по себе грубым и неточным. Мы можем смотреть на спин как на особое «вращение», аналогичное вращению частицы в макромире. Спин элементарных частиц измеряется единицами и его невозможно ни увеличить, ни уменьшить. Спин определяет общий характер типа входящей в частицу статистики (статистика Бозе-Эйнштейна и Ферми-Дирака) и учения описывающего ее движение. Спин протона, нейтрона и электрона равен ½-э, спин фотона – 1-э. Частицы с половинчатым спином подчиняются статистике Ферми-Дирака и называются фермионами, частицы с полным спином подчиняются статистике Бозе-Эйнштейна и называются бозонами. Известно, что в одной и той же ситуации, когда внезапно фермион уже не может быть возможным, в этой же ситуации может быть несколько бозонов. Таким образом, фермионы ведут себя как «индивидуалисты», бозоны – как «коллективисты». Несмотря на то, что это свойство внутренней природы элементарных частиц еще полностью не изучено, в настоящее время определена связь этих свойств со свойствами симметрии и асимметрии пространства.

Спин рассматривают как проявление степени внутренней самостоятельности в движении элементарных частиц. Таким образом, каждая элементарная частица характеризуется 4 степенями самостоятельности: три из них – степени внешней свободы, выражающие перемещение частицы в пространстве; одна – внутренняя степень свободы спина. Существование спина также говорит о сложной структуре частицы и определенном типе внутренних связей.

Одним из важных свойств элементарных частиц также является магнитный момент. Это свойство встречается как у заряженных, так и у беззарядных частиц. Предполагается, что определенная часть магнитного момента заряженных частиц обусловлена их расположением в пространстве. Например, предполагается, что магнитный момент протонов и нейтронов обусловлено созданным током, собравшимся вокруг них облаками мезонов. Давайте шире рассмотрим эту проблему.

Известно, что несмотря на то, что у нейтрона нет электрического заряда, у него есть в определенном количестве магнитный момент. Это показывает, что магнитный момент частицы не должен в основном определяться ее внутренней структурой. В данном случае как должно объясняться создание магнитного момента нейтрона? Предполагается, что в связи с тем, что нейтрон – нестабильная частица, он диссоциирует на протон и на положительный мезонквант поля мезона, и приблизительно 25% своего существования находится в таком положении. Поэтому нейтрон приобретает 25% магнитного момента положительного пимезона. Наблюдаемый в эксперименте магнитный момент нейтрона очень близок к числу, вычисленному теоретически.

Элементарные частицы кроме электрического заряда характеризуются дополнительно зарядами лептона и бариона. Лептоновский заряд всех лептонов принимается за +1, барионовский заряд всех барионов принимается за +1. Парность – также одна из важных характеристик элементарных частиц. Эта величина относится к правой и левой симметриям. В теории элементарных частиц координаты каждой частицы характеризуются волновой функцией y, которая может менять и не менять отметку этих координат как зеркальное отражение (x® –x, u® –u, z® –z). В первом случае функция y ассиметрична или одиночная функция, парность соответствующей частицы +1, во втором случае функция y симметрична или парная, но парность частицы принимается за –1.

Одной из очень важных характеристик элементарных частиц является также взаимное превращение, сопровождаемое излучением и поглощением квантов поля, соответствующего элементарным частицам в период взаимного влияния. Эти процессы, отличающиеся друг от друга интенсивностью протекания, обусловливают деление присущего элементарным частицам взаимного влияния на 4 вида: сильное, электромагнитное, слабое и гравитационное взаимные влияния.

Свойства элементарных частиц в основном определяются сильным электромагнитным и слабым взаимными влияниями.[11]

Сильные взаимные влияния происходят на уровне ядра атома, их составные части состоят из взаимного притяжения и отталкивания. Называемые силами ядра силы взаимного влияния распространяются на очень маленькое расстояние – 10–13 см. Сильные взаимные влияния прочно связывая в определенных условиях протоны и нейтроны, создают характеризующиеся высокой связывающей энергией материальную систему – ядро атома.

Несмотря на то, что электромагнитные взаимные влияния слабее сильных взаимных влияний примерно в 1000 раз, радиус их влияния близится к бесконечности. Этот вид взаимного влияния характерен для электрически заряженных частиц. Носитель электромагнитного взаимного влияния – свободный от электрического заряда и массы покоя фотона. Фотон является квантом электромагнитного поля. Посредством электромагнитных взаимных влияний, объединяя ядро атома и электрон в единую систему, создаются атомы, объединяясь, атомы создают молекулы. Электромагнитные взаимные влияния являются основными взаимными влияниями, сопровождающимися химическими и биологическими процессами.

Слабые взаимные влияния существуют между различными частицами. Слабые взаимные влияния, связанные с процессом спонтанного распада частиц, например, с процессом превращения нейтрона в ядре на протон, электрон и антинейтрино (n0® p+ + e– +n), может распространяться на очень маленькое расстояние (10–15 – 10–22 см). Согласно современному научному знанию большинство частиц только за счет слабых взаимных влияний нестабильны.

Гравитационные взаимные влияния – чрезмерно слабые силы, которые принимаются во внимание в теории элементарных частиц. Для сравнения отметим, что они слабее сильных взаимных влияющих сил в 1040 раз. Однако для ультрамаленьких расстояний (в порядке 10–33 см) и ультрабольших энергий гравитационные силы приобретают существенное значение, по своей силе они приобретают  достойный вид для сравнения с другими видами взаимного влияния. В космических масштабах гравитационные взаимные влияния играют решающую роль. Радиус влияния этих сил неограничен.

В природе между элементарными частицами действует не один, а иногда в одно и то же время несколько типов взаимного влияния и свойства и структура частиц определяется общностью всех типов взаимного влияния, принимающих участие. Например, протон, входящий в адронный тип элементарных частиц, принимает участие в сильном взаимном влиянии, и в электромагнитном взаимном влиянии в связи с тем, что он является электрически заряженной частицей. С другой стороны, протон может зародиться в процессе b распада нейтрона, то есть в слабых взаимных влияниях, таким образом, он связан со слабыми взаимными влияниями. И наконец, протон как материальное образование, обладающее массой, принимает участие в гравитационных взаимных влияниях. В отличие от протона целый ряд элементарных частиц принимают участие во всех типах взаимного влияния, а только в некоторых их типах. Например, нейтрон в силу того, что он является, незаряженной частицей он не принимает участия в электромагнитных взаимных влияниях, а электрон и мю-мезоны – в сильных взаимных влияниях. Фундаментальные взаимные влияния являются причиной превращения частиц – их уничтожения и зарождения. Например, в результате столкновения нейтрона и протона образуются два нейтрона и один положительный пимезон.

Срок превращения элементарных частиц зависит от взаимовлияющей силы. Ядерные реакции, связанные с сильными взаимными влияниями, происходят за 10-24 – 10-23 секунды. Это, период когда элементарная частица переходит в частицу высокой энергии и приобретает скорость, близкую к скорости света, размеры порядка 10-13 см. Обусловленные электромагнитными взаимными влияниями изменения происходят за 10-21 – 10-19 секунды, обусловленные слабыми взаимными влияниями изменения (например, процесс распада элементарных частиц) – за 10-10 секунды.

К периоду протекания различных изменений, происходящих в микромире, можно подходить с точки зрения рассуждений о создающих взаимных влияниях.

Кванты взаимного влияния элементарных частиц реализуются посредством соответствующих этим частицам физических полей. Под полем в современной квантовой теории понимается система частиц, меняющихся в числе (половые кванты). Состояние, когда поле, и вообще, полевые кванты существуют с самой малой энергией, называется вакуумом. Частицы электромагнитного поля (фотоны) в вакууме в состоянии возбуждения теряют механические свойства, которые они содержат и которые присущи корпускулярной материи (например во время движения тело не чувствует трения).

Вакуум не содержит простые виды материи, однако, не смотря на это он не пустота в истинном смысле слова, так в вакуумном возбуждении возникают кванты электромагнитного поля – фотоны, реализующие электромагнитное взаимное влияние. В вакууме в дополнении электромагнитному полю существуют другие физические поля, в том числе пока не отмеченное в эксперименте по так называемым гравитонным экспериментам гравитационное поле.

Квантовое поле – совокупность квантов, носит дискретный характер. Так взаимные влияния элементарных частиц, их взаимные превращения, излучение и поглощение фотонов носит дискретный характер и происходит только в ситуации квантатирования. В результате возникает такой вопрос: в чём конкретно проявляется непрерывность поля, его континуальность? Как в квантовой электродинамике, так и в квантовой механике состояние поля описывается однозначно не наблюдаемыми реальными явлениями, а только посредством волновой функции, связанной с взаимным понятием. Квадрат модуля этой функции показывает возможность наблюдать рассматриваемые физические явления.

Основная проблема квантовой теории поля – описание различных типов взаимных влияний частиц в соответствующих уравнениях. Эта проблема нашла своё решение пока только в квантовой электродинамике, описывающей взаимные влияния электронов, позитронов и фотонов. Для сильных и слабых взаимных влияний пока не создана квантовая теория поля. В настоящее время эти виды взаимного  влияния описываются не строгими методами. Хотя известно, что невозможно понять элементарные частицы если они не находятся в соответствующей физической теории, невозможно понять их структуру, определяемую структурой этих теории. Поэтому проблема структуры элементарных частиц еще до конца не решена.1 Современная физика в настоящий период доказывает существование сложных частиц, которые обладают внутренним строением частиц, считающихся «элементарными». Стало известно, что протон и нейтрон в результате происходящих в них виртуальных процессов подвергаются внутренним превращениям. В результате опытов, проведённых по изучению строения протонов, было определено, что протон, считавшийся до последнего времени неделимым, самым простым и бесструктурным в действительности является сложной частицей. В его центре находится плотное ядро, называющиеся «керн», оно окружёно положительными пи-мезонами.

Сложность строения «элементарных» частиц была доказана выдвинутой в 1964 году американским учёным Гель-Манном и независимо от него шведским учёным Цвейгом гипотезой кварков. Согласно этой гипотезе элементарные частицы с отношениями, характеризующимися сильными взаимными влияниями (адроны: протон, нейтрон, гипероны), должны формироваться из кварков-частиц, заряд которых равен одной третьей или двум третьим заряда электрона. Таким образом, теория показывает, что у формирующих частицы отмечённых кварков электрический и барионный заряд должен выражаться дробным числом. Действительно, называемые кварками частицы пока не обнаружены и остаются гипотетическими обитателями микромира на нынешнем уровне развития науки.

Таким образом, с одной стороны ясно, что элементарные частицы обладают особой структурой, с другой стороны, характер этой структуры ещё остаётся неясным. Из вышеприведенных данных становится ясным, что элементарные частицы вовсе не элементарные, они обладают внутренней структурой, могут делиться и превращаться друг в друга. Мы ещё очень мало знаем обоих строении. Таким образом, на сегодняшний день основываясь на целый ряд фактов, мы можем утверждать, что материя элементарных частиц – новый вид, качественно отличающийся от более сложных частиц (ядро, атом, молекула). В тоже время это различие настолько существенно, что используемые нами при изучении ядер, атомов, молекул, макроскопических тел категории и выражения («простой» и «сложный», «внутренняя структура», «сформированный») и могут применяться к элементарным частицам. Понятия «простой и сложный», «составляющие части», «структура», «целый» являются, в общем относительными понятиями. Например, несмотря на то, что атом обладает сложным строением, и структура его состоит из ядерного и электронного ярусов, по сравнению с входящей в его состав молекулой является более простым.

В иерархии структур материальных систем ядро атома, атом, молекула, макроскопические тела сами создают структурный единый уровень. Поэтому элементы тела по сравнению с элементами следующего уровня являются более простыми, выступают как их составные части. С другой стороны они являются более сложными по сравнению с элементами, расположенными на более низких уровнях и являющимися их составными частями.

Все системы, начиная с ядра атома до тех самых  больших размеров, обладают таким свойством: в каждой из них можно отделить структурные элементы, формирующие рассматриваемые тела и являющиеся более простыми по сравнению с элементами на более низком уровне на составляющие его части. По своему значению процессы объедения и разделения одинаковы. Например молекулы данного химического вещества состоят из определенного количества атомов и могут распасться на них в определенных условиях. В этом случае масса сложного целого больше массы каждой составляющей его части. Это последнее положение не верно для элементарных частиц. Так, продукты распада элементарных частиц не являются проще делимых, ещё точной «преобразующихся» частиц. Они также являются элементарными частицами. Согласно современным представлениям продукты распада вместе порождающими их частицами располагаются на едином уровне иерархии. Например, нейтрон в определённых условиях делится на протон, электрон и антинейтрона (n0 ®p+ + e- + ). Хотя нейтрон не сложнее и не проще протона, электрона и антинейтрона. Кроме того, протон и электрон можно получить и в результате других реакций. Поэтому можно сказать, что возможность каждой элементарной частицы состоит в том, что она может быть «составной частью» других элементарных частиц.

С другой стороны, не так важно чтобы на каждым элементарном уровне целое состояло бы такого большого скопления. В этом случае масса целого может быть даже в несколько раз меньше масс его составляющих. Например, в целом ряде случаев в результате объедения нюклона и антинюклона получается мезон, масса которого меньше массы любого из них. Эта аномалия объясняется тем, что во время создания элементарной частицы масса, поглощающая выделенную энергию , может быть настолько велика, что в результате продукты реакции вовсе не похожи на исходную частицу. Поэтому в мире элементарных частиц понятия «простой и сложный», «составная часть», «структура», «целый» приобретают совсем другое значение,  нежели в атомной физике и в классической физике.

Специфика элементарных частиц также проявляется в энергетических взаимных влияниях. Начиная макроскопическими объектами и кончая ядром атома энергия всех материальных систем формируется из двух составляющих: особой, соответствующей массе тела (Е=mc2) и энергии связи составляющих его элементов. Не смотря на то, что эти виды энергии неотделимы друг от друга, они полностью отличаются по своей природе. Специальная энергия объектов намного превосходит энергию их связи, ее можно отделить всё составляющую часть. Например, за счёт внешней энергии молекулу можно разделить на атомы (Н2О®Н+О+Н), однако в этом случае в самих атомах не произойдет изменение, бросающееся в глаза.

В элементарных частицах эта проблема приобретает другой вид. Вся энергия элементарных частиц не делится на специальную и связующую. Поэтому не смотря на то, что элементарные частицы не обладают внутренней структурой, они не могут делиться на составляющие их части.  Элементарные частицы не содержат внутренних частиц, остающихся в большей или в меньшей степени неизменными.

Согласно современным представлениям структура элементарных частиц описывается посредством беспрерывно рождающихся и беспрерывно делящихся «виртуальных» частиц. Например, аннигиляция мезона (от латинского слова «annihilatio» - уничтожение) формируется из беспрерывно создающихся и затем исчезающих виртуальных нуклонов и виртуальных антинуклонов. Формальные выдвижение понятия виртуальной частицы показывает, что внутреннюю структуру элементарных частиц не возможно описать посредством других частиц.

Пока не создана удовлетворяющая физиков теория происхождения и структуре элементарных частиц. Целый ряд видных ученых пришли к мысли о том, что эту теорию можно создать, принимая во внимание только космические условия. Идея о зарождении элементарных частиц из вакуума в силовом, электромагнитном и гравитационном полях приобретает существенное значение. Потому что взаимосвязь микро, макро – и мегамира находит воплощение только в этой идее. В мегамире структура и взаимные превращения элементарных частиц обусловлены фундаментальными взаимовлияниями. Очевидно, что для того чтобы адекватно описать структуру материального мира, необходимо разработать аппарат новых понятий.

[1] См.: Маковелский. Древнегреческие атомисты. Баку, 1946.

[2] См.: Кудрявцев. Курс истории физики. М., Просвещение, 1974, с.179.

[3] См.: Философия естествознания. М., 1966, с.45; Е.М.Балабанов. В глубь атома, М., 1967.

[4] См.: Философия и естествознание. М., 1964, с.74-75; С.Т. Мелюхин. К философской оценке современных представлений поля и вещества. В кн.: Диалектический материализм и современное естествознание, М., 1957, с. 124-127.

[5] См.: Кузнецов Б. Пути физической мысли. Изд. «Наука», М., 1968, с. 296-298

[6] См.: Ахизер А.И., Рекало М.П. Биография элементарных частиц, Киев, 1978.

[7] См.: Станюкович К.П., Лапчинский В.Г. Систематика  элементарных частиц.

           В Кн.: О систематике частиц, М., 1969, с.74-75.

[8] См.: Балабанов Е.М. В глубь атома. М., 1967, с.38-39.

[9] См.: Новожилов Ю.В. Элементарнык частицы. М., 1974; Спроул Р. Современная физика. М., 1974;

           Содди Ф. История атомной энергии. М., 1979.

[10] См.: Готт В.С. О неисчерпаемости материального мира. М., «Знание», 1968, с.31.

[11] см.: Князев В.Н. Концепции взаимодействия в современной физике. М.

1 См. Свечников Г.А. Бесконечность материи. М., 1965, с. 17-21; Омельяновский М.Э. Проблема элементарных частиц в квантовой физике. В кн.: Философские проблемы физики элементарных частиц. М., 1963, с. 63-73.

Страницы: 1, 2, 3