История открытия элементарных объектов: атомы, адроны, кварки, браны, струны.

Еще в глубокой древности было замечено, что вещество можно делить практически до бесконечности. Есть ли предел дроблению материи, и что лежит в ее основе? Согласно древнегреческим философам Левкиппу (Λεύκιππος, V век до р. Х.) и Демокриту (Δημόκριτος; ок. 460 до н. э. - ок. 370 до р. Х.) – создателям идеи атомизма, в основе мироздания лежат атомы - мельчайшие неделимые частицы, которые сцепляются и образуют все живое и неживое.

Спустя многие столетия, к XVIII в. стало понятно, что атом является элементарной химически неделимой частицей, в то время как молекула, - элементарная частица вещества, сохраняющая его свойства, - состоит из определенных «сортов» атомов. Атомы одного вида получили названия элементов. В 1869 г. Дмитрий Иванович Менделеев (1834 — 1907) создал свою Периодическую систему, включающую 64 элемента (на октябрь 2009 года известно 117 химических элементов с порядковыми номерами с 1 по 116 и 118, из них 94 обнаружены в природе (некоторые — лишь в следовых количествах), остальные 23 получены искусственно в результате ядерных реакций).

Однако уже в 1910-х гг. физики приходят к выводу о делимости атома (ἄτομος — «неделимый»!). В начале ХХ в. создается целый ряд атомных моделей, из которых признание завоевала «планетарная» модель атома, построенная по образцу Солнечной системы, с внесенными поправками-постулатами (Э. Резерфорд, Ernest Rutherford; 1871 – 1937, Н. Бор, Niels Bohr; 1885 - 1962).

Планетарная модель атома весьма скоро была признана непригодной из-за принципиального противоречия с фактом линейчатого характера спектра излучения: электрон, вращающийся вокруг положительно заряженного ядра, непрерывно излучает, т.е., теряет энергию и вскоре неизбежно должен «падать» на ядро. Положение исправили постулаты Бора, в которых электрон не мог непрерывно терять энергию, - излучение происходит лишь в результате скачкообразного перехода на нижележащую орбиту. Создание квантовой теории атома в 20-х гг. ХХ в. показало, что от постулатов Бора необходимо отказаться. Представление о ядре атома в то время оставалось все таким же, как после опытов Резерфорда по рассеиванию альфа-частиц[302] в начале ХХ в.: ядро состоит из протонов (греч. πρῶτος — «первый, основной») — положительно заряженных частиц и некоторого, меньшего (поскольку ядра имеют положительный заряд) числа отрицательно заряженных электронов. Электроны также находятся и на соответствующих орбитах, расположенных вокруг атомного ядра.

В 1932 г. английским физиком Дж. Чедвиком (James Chadwick; 1891 — 1974) был открыт нейтрон (лат. neuter — «ни тот, ни другой») — частица, не имеющая электрического заряда и входящая вместе с положительно заряженными протонами в состав атомного ядра. Возникла очередная проблема: считалось, что электрон, который вылетает из ядра при бета-распаде[303], - это один из электронов, находящихся в ядре. Но теперь уже было достоверно известно, что ядро состоит из протонов и нейтронов. Откуда же берется электрон? Выдающийся итальянский физик Э. Ферми (Enrico Fermi; 1901 — 1954) выдвинул парадоксальную гипотезу. Электронов в ядре нет, при распаде происходит рождение электрона, а нейтрон превращается в протон. Такое решение вопроса казалось настолько неприемлемым, что солидный журнал «Nature» отказался опубликовать статью Ферми на эту тему. Это был первый известный прецедент рождения частицы из энергии. Цепочка странных идей не этом не оборвалась. Японский физик-теоретик Хидэки Юкава (1907 — 1981) построил простую физическую модель, в которой в результате внутреннего обмена нуклонов – составных «кирпичиков атомного ядра»[304] частицей с ненулевой массой возникает сила, удерживающая нуклоны в ядре. Юкава также рассчитал массу этой «виртуальной» частицы. Однако по понятиям физиков того времени частицу можно признать существующей, если она обнаружена также в свободном состоянии. Были предприняты поиски частицы Юкавы в космических лучах, и, казалось бы, частица была найдена. Однако найденная частица имела меньшую массу, чем частица Юкавы. Кроме того, появились данные, что найденная частица подобна электрону, но тяжелее. В дальнейшем она получила название «мю-мезон» (греч. μέσος — «средний»). Поиски продолжались, и в сороковых годах была найдена другая полностью удовлетворяющая требованиям расчетов частица (ее назвали «пи-мезоном»). В 1948 г. Юкава получил Нобелевскую премию.

Таким образом, физики осознали возможность существования частиц в «виртуальном» состоянии - когда при расщеплении ядра частица не обнаруживается, но реально обеспечивает взаимное притяжение нуклонов в ядре. Оказалось также, что неделимы не только атомы, но и «кирпичики», слагающие их ядра, - протоны и нейтроны.

Менялись представления физиков и о самом атомном ядре. Выяснилось, что статичная картина атомного ядра не соответствует истине, – оно представляет собой не простой «набор» нуклонов, а очень сложную и динамичную структуру, сравнимую, на уровне образа, с «кипящей колбой». Одновременно - это гармоничный объект с определенными внутренними степенями свободы для связанных в нем частиц. Свойства нуклонов, входящих в ядро, и вне его, могут кардинально различаться.

В 1960-х гг. было доказано, что протоны и нейтроны состоят из еще более маленьких частиц с дробным положительным или отрицательным зарядом (1 / 3 е или 2/3 е)[305] - кварков. Гипотеза о том, что «элементарные» частицы построены из специфических субъединиц, была впервые выдвинута американскими физиками М. Гелл-Манном (Murray Gell-Mann; род. в 1929 г.) и Дж. Цвейгом (род. в 1937 г.) в 1964 году. В период с 1969 по 1994 гг. удалось экспериментально обосновать, по крайней мере косвенно, возможность существования кварков.

Слово «кварк» было заимствовано Гелл-Манном из художественного романа Дж. Джойса «Поминки по Финнегану», где в одном из эпизодов звучит фраза «Three quarks for Muster Mark!» (обычно переводится как «Три кварка для мистера Марка!»). Само слово «quark» в этой фразе предположительно является звукоподражанием крику морских птиц или означает на немецком сленге что-то в роде «чепуха».

Кварки не существуют автономно, «сами по себе», а только в системе – «элементарной» частице (протон, нейтрон и т. д.), и описываются такими специфическими параметрами как «аромат» (6 видов, см. схему) и «цвет»[306] («красный, «синий», «зеленый», «антикрасный», «антисиний», «антизеленый»). Суммарный заряд 2-х или 3-х кварков, объединенных в систему должен быть целочисленным (0 или 1). Сумма цветов также равна «нулю» (белый).

Кварки «сцепляются» между собой благодаря сильному физическому взаимодействию. Высказано предположение, что кварки участвуют также в электромагнитных и слабых взаимодействиях. Причем в первом случае кварки не меняют свой цвет и аромат, а во втором – меняют аромат, сохраняя цвет.

Всего же на протяжении ХХ века было обнаружено около 400 элементарных частиц. Одни из них, как было сказано выше, имеют определенную структуру (протон, нейтрон), другие являются бесструктурными (электрон, нейтри­но, фотон, кварк).

Элементарные частицы обладают довольно большим количеством параметров, поэтому существует несколько стандартных типов их классификаций, приводимые ниже[307].

1. По массе покоя частицы (масса покоя, определяемая по отношению к массе покоя электрона, считающегося самой лег­кой из всех частиц, имеющих массу):

• фотоны (φῶς, φωτός - свет) - частицы, не имеющие массы покоя и движущие­ся со скоростью света;

• лептоны (λεπτός - легкий) - легкие частицы (элект­рон и разные виды нейтрино);

• мезоны (μέσος - средний, промежуточный) - сред­ние частицы с массой от одной до тысячи масс электрона;

• барионы (βαρύς - тяжелый) — тяжелые частицы с мас­сой более тысячи масс электрона (протоны, нейтроны, ги­пероны, многие резонансы).

2. По электрическому заряду, всегда кратному фундаментальной единице заряда - заряду электрона (-1), который рассматрива­ется в качестве единицы отсчета зарядов. Заряд частиц может быть отрицательным, положительным или нулевым. Как было сказано выше, для кварков характерен дробный электрическим заряд.

3. По типу физического взаимодействия (см. ниже), в котором принимают участие те или иные элементарные частицы. По данному показателю их можно раз­делить на три группы:

· адроны (ἁδρός - тяжелый, крупный, сильный), участвующие в электромагнитном, сильном и слабом взаимодействиях (мезоны и барионы);

· лептоны, участвующие только в электромагнитном и сла­бом взаимодействиях;

· частицы - переносчики взаимодействий (фотоны — переносчики электромагнитного взаимодействия, глюоны — пе­реносчики сильного взаимодействия, тяжелые векторные бозо­ны — переносчики слабого взаимодействия, гипотетические гравитоны — частицы, обеспечивающие гравитационное взаимодействие).

4. По времени жизни частиц:

· стабильные «долгожители» (фотон, нейтрино, нейтрон, протон, электрон; время жизни – до бесконечности);

· квазистабильные (резонансы); время существования составляет 10^-24-10^-26 с.; распадаются в результате электромагнитного и слабого взаимодействия;

· нестабильные (большинство элементарных частиц; время их жизни - 10^-10 - 10^-24 с).

5. По спину (от англ. spin – веретено, вертеть(ся)) - собственному моменту количества движения (импульса) частицы, ее внутренней степени свободы, обеспечивающей дополнительное физическое состояние. В отличие от классического момента количества движения, который может принимать любые значения, спин принимает только пять воз­можных значений. Он может равняться целому (0, 1, 2) или по­луцелому (1/2 (электрон, протон, нейтрон), 3/2 (омега-гиперон)) числу. Частицы с полуцелым спином называются фермионами [308], а с целым — бозонами [309] (фотоны со спином 1; мезоны — 0; грави­тоны — 2).

Каждая частица имеет свою античастицу (вещество и антивещество). При их встрече происходит взаимное уничтожение (аннигиляция) и выделяется большое количество энергии.

Найденные закономерности в свойствах элементарных частиц и подразделение их на «семейства» или «поколения» позволили поставить вопрос о наличии внутренних глубинных закономерностях, определяющих их свойства (см. схему)[310].

Существуют теории, объясняющие структуру микромира (например, Стандартная модель). В 1970-х гг. появилась весьма оригинальная теория струн (Дж. Шварц, John Schwartz; р. 1941; Г. Венециано, Gabriele Veneziano; род. 1942; М. Грин, Michael Greene и др.). Теория струн - направление математической физики, изучающее не точечные частицы, а одномерные протяженные геометрические объекты - квантовые струны, являющиеся частным случаем многомерных объектов – бран. Теория основана на гипотезе, предполагающей, что все фундаментальные частицы и их взаимодействия возникают в результате колебаний (возбужденных состояний) и взаимодействий ультрамикроскопических энергетических квантовых струн или бран на масштабах порядка т.н. планковской длины 10⁻³³ м, подобно тому, как звуки разной частоты порождаются вибрацией струны музыкального инструмента. Более того, само пространство и время рассматриваются как производные определенных модусов колебаний струн. Вселенная, состоящая из бесчисленного количества этих колеблющихся струн, подобна звучащей «космической симфонии». Несмотря на разрешение целого ряда существующих проблем, теория струн остается в настоящее время в основном математической абстракцией, требующей экспериментального подтверждения[311].

Дата добавления: 2015-08-18