Механика микрочастиц

   - теории относительности

 

   -  квантовой механики.

 

     Внутренняя цветовая симметрия, проявляющаяся в законах сохранения, лежит в основе динами­ческой теории взаимодействия кварков, открытых в 1979 г.: полевая форма материи возникает только при высоких энергиях взаимодействующих частиц (теория цветовых сил).

    Но и эти фундаментальные теории не дают универсальных законов. Поэтому в настоящее время формулируются только принципы подхода к установлению всеобщих законов Природы.

    Анализируя роль принципов инвариантности, Ю. Вигнер использовал теорию групп и выделил ряд этапов в познании Природы:

— в хаосе  замечается ряд фактических эмпирических закономерностей;

— при выделении  свойств природных явлений и  их анализе выводятся математические формулировки законов Природы;

— синтез законов  выстраивает ряд принципов, позволяющих  перейти к новым утверждениям, предсказывающим иные физические явления  и процессы;

— анализируются  сами принципы и границы (условия) их выполнения.

      Для описания поведения микрочастиц в 20-е годы нашего столетия началась разработка квантовой теории. Впервые на такую необходимость указал В. Гейзенберг в 1927 г., когда сформулировал принцип, ограничивший возможности классического описания поведения микрочастиц.

 

 

                      Принцип неопределенностей (Гейзенберг)

 

 

     В классической механике можно определить положение и импульс движущейся точки на ее траектории в любой последовательный момент времени, если известны силы, действующие на нее.

     Микрочастица, обладая и волновыми свойствами, является как бы протяженным объектом и не может одновременно иметь определенную координату и импульс, то есть нельзя утверждать, что микрочастица занимает определенное положение, и обладает определенным импульсом.       Это особенность поведения микрочастицы. Иными словами, невозможно предсказать поведение каждого атома (как состоящего из этих частиц), а можно вычислить лишь среднее значение экспериментально наблюдаемых величин.

      Этот принцип является фундаментальным, определяющим границы применимости классических представлений при описании свойств микромира.

 

 

 

                        Принцип дополнительности (Бор)

 

      Характеризует двойственность свойств Природы, противоречивость которых только кажущаяся, а неопределенность ограничена лишь возможностями измерительных приборов или методов подхода (см. принцип Гейзенберга) фактически эти параметры лишь дополняют друг друга. Как-то: дуализм и неопределимость параметров элементарных частиц в физике; целостность и делимость живой природы в биологии; преемственность даже отвергнутых концепций в науке и т. д.

    На сегодняшний день формирование квантовой и иных универсальных теорий не завершено, поэтому укажем лишь основные, отправные ее принципы.

 

                        Принцип эквивалентности (Эйнштейна)

 

       Поле сил инерции оказывает на все физические процессы такое же влияние, как и поле тяготения подобной структуры. Таким образом определяется равенство ускорения всех тел в одном и том же гравитационном поле, то есть эффекты тяготения и инерции до известной степени эквивалентности.

 

 

 

                            Принцип относительности (Эйнштейна)

 

      Этот принцип справедлив и в оптике, и электродинамике, и других разделах физики и звучит так: любой процесс протекает одинаково в изолированной материальной системе, равномерно прямолинейно движущейся, или законы физики имеют одинаковую форму во всех инерционных системах отсчета. Все системы отсчета были признаны равнозначными, и принцип относительности стал универсальным.

 

 

 

                                         Принцип запрета (Паули)

 

       В данном квантовом состоянии, может, находится только один электрон. Это логически вытекает из модели атома, предложенной Бором: вокруг ядра электроны находятся на кольцевых орбитах, а положение орбиты зависит от энергетического состояния электрона. На одном кольце может быть не более двух электронов с противо спинами, то есть с таким зарядовым числом они взаимодействуют с окружающим магнитным полем.

     Этот принцип позволил не только обосновать периодическую систему элементов, но и объяснить насыщаемость электронных оболочек, свойства пара- и диамагнетиков, квантовую химию и др.; построить современную теорию элементарных частиц и квантовую теорию поля. А на базе квантовой механики затем создали целый ряд современных технологий.

 

                                         Принцип соответствия

 

      Электроны в атомах движутся по законам, отличным от законов классической механики и электродинамики, но в предельном случае они идентичны.

 

 

                                         Вариационный принцип

      Устанавливает связь между свойствами пространства-времени и законами сохранения.

 

 

                                   Принцип инвариантности

 

       Смещение во времени и в пространстве не влияет на протекание физических процессов. Здесь речь о переносах начала координат и начале отсчета времени.

 

 

                                       Принцип суперпозиции

 

       Этот принцип фиксирует независимость полей взаимодействия при их наложении. Так, если в данную точку приходят две волны одинаковой частоты, то результирующее поле равно их геометрической сумме.

 

 

                           Принцип положительной обратной связи

 

       Неравномерность и неустойчивость, возникающая в открытой системе, вследствие взаимодействия системы со средой со временем не ликвидируется, а наоборот, усиливается. Это приводит, в конечном счете, к разрушению прежней симметрии и, как следствие, к возникновению новой структуры.

 

 

 

                                   Принцип корреляций (Кювье)

 

      Ни одна часть организма (системы) не может меняться без соответствующего изменения других частей.

      Подтверждение основных принципов является главной задачей экспериментальных и теоретических исследований в области элементарных частиц. Порядок в их многообразии стал наводиться после открытия новых данных и новых типов симметрии, а также математического анализа на основе теории групп.

      Элементарные частицы — основа мироздания, но путь от частных теорий до всеобщей еще достаточно протяжен.

     Из классических теорий наиболее близки к фундаментальным описывающие законы сохранения Ньютона, Майера, Джоуля, Гельмгольца, Фарадея, Пастера.

     Однако законы сохранения, к примеру, электрического заряда, носят совсем иную природу, чем законы сохранения энергии, импульса или момента импульса. Так, закон сохранения энергии есть прямое следствие "однородности" времени (законы Природы не меняются со временем). Из однородности пространства (независимость законов Природы относительно переноса начала координат) следует закон сохранения импульса. Наконец, из однородности пространства (повороты системы отсчета) следует закон сохранения момента импульса .

      При обобщении экспериментальных данных было установлено, что, кроме закона сохранения электрического заряда, можно ввести законы сохранения для новых квантовых чисел. В первую очередь они должны проявиться в реакциях взаимодействующих частиц.

    Общие законы Природы должны описываться уравнениями, справедливыми во всех системах координат — принцип общей ковариантности, то есть эти уравнения не меняют своей формы со сменой системы координат (если даже одна движется с ускорением по отношению к другой).

      Наиболее фундаментальной областью исследований является область, связанная со структурой материи и выяснения законов взаимодействия составляющих ее частиц.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2.ОСНОВНЫЕ  ПОНЯТИЯ «ЭЛЕМЕНТАРНОСТЬ», «ПРОСТОЕ-СЛОЖНОЕ», «ДЕЛЕНИЕ».

 

       Утверждение «система состоит из элементов» всегда означало, что эта система представляет собой объект, состоящий из частей, меньших по величине или по массе, но сохраняющих внутри этой системы определенную индивидуальность, самостоятельность (конечно, ограниченную взаимодействием этих частей в рамках включающей их большей системы). К субъядерным частицам такое понимание неприменимо. Здесь следует говорить не о том, что одни частицы состоят из других, а о том, что они способны превращаться друг в друга, порождать друг друга в различных процессах взаимодействия. Протон, например, можно получить в результате столкновения нейтрона и я (пи)-мезона или X (лямбда)-гиперона и К-мезона, но это не значит, что в структуру всех этих частиц входит протон, что они «состоят из» протонов.

     Даже в тех случаях, когда происходит распад частицы, нельзя говорить, что конечные частицы более элементарны, чем распавшаяся, что конечные частицы входили в состав исходной. Это было бы верно, если бы энергия связи (так называемый дефект массы) была значительно меньше масс участвующих в реакции частиц, а частицы-компоненты не теряли бы своей индивидуальности внутри образуемого ими целого. В случае субъядерных частиц дефект массы всегда оказывается больше массы одной или даже нескольких частиц-компонент, а при квантовых (так называемых виртуальных) распадах значительно превосходит массу исходной, «материнской» частицы. Так, масса виртуальных частиц, образующихся при диссоциации п-мезона на пару протон+нейтрон, более чем на порядок превышает массу самого  п -мезона. В этом отношении п- мезон радикально отличается, например, от дейтрона (ядра атома тяжелого водорода), дефект масс которого составляет всего лишь около 0,001 его массы; поэтому дейтрон действительно можно считать состоящим из протона и нейтрона, потому что они остаются такими же, как и в свободном состоянии. А вот частицы- компоненты внутри п -мезона почти «растворяются» в энергии их взаимодействия.

      Поскольку субъядерные микрочастицы не делятся на простейшие в обычном геометрическом смысле, они должны считаться действительно элементарными частицами. Но вместе с тем они обладают пространственной протяженностью и своеобразной внутренней структурой.    Поэтому нельзя абсолютизировать, преувеличивать элементарность микрочастиц. Образ пространственно-структурной и в то же время элементарной по своим свойствам частицы стал фактически общепринятым после экспериментального обнаружения в середине 50-х годов XX в. американским физиком-экспериментатором Р. Хофштадтером пространственной «размазки» электрического заряда и магнитного момента протона.

      Свободная, невзаимодействующая микрочастица — это всего лишь математическая абстракция. Реальные физические частицы всегда взаимодействуют с вакуумными полями, испуская и поглощая виртуальные частицы. Вследствие этого вокруг каждой частицы образуется «облако» виртуальных частиц. И чем меньше масса испускаемых частиц, тем больше размеры образуемого ими «облака*. Продолжительность отдельных актов виртуальной диссоциации частицы (ее «миганий») очень мала: при испускании п -мезонов она около 5 • 10 ˉ24 с, а для других частиц — еще меньше.

     Но благодаря многократным их повторениям возникает постоянная, усредненная структура — «размазка» электрического заряда, магнитного момента, массы, которая становится все более плотной к центру частицы. В этом смысле говорят, что элементарная частица состоит из плотного центрального ядра — керна и рыхлой периферической оболочки. Но в отличие от атома, где пространственные размеры отдельных частей — ядра и электронной оболочки — различаются на 5 порядков (10ˉ13 и 10ˉ8 см), в нуклонах отсутствуют резко обособленные детали, пространственные части структуры здесь почти непрерывно переходят друг в др.

 

 

 

 

 

 

3. МНОГООБРАЗИЕ И ЕДИНСТВО ЭЛЕМЕНТАРНЫХ  ЧАСТИЦ. ПРОБЛЕМА ИХ КЛАССИФИКАЦИИ.

 

 

        Сейчас известно примерно 400 элементарных частиц. Некоторые из них «живут» очень короткое время, быстро превращаясь в другие частицы, успевая за время своего существования пролетать расстояния, равные радиусу атомного ядра (10ˉ12— 10ˉ13 см). Минимальное время, доступное экспериментальному измерению, характеризуется величиной примерно 10ˉ26 с. Некоторые элементарные частицы оказались неожиданно тяжелыми — даже тяжелее отдельных атомов.

      Современные физики уделяют много внимания систематизации элементарных частиц, раскрытию внутреннего единства как между ними, так и между соответствующими им фундаментальными видами взаимодействия -- сильным, слабым, электромагнитным и гравитационным.

       Интенсивность слабого взаимодействия на 10-11 порядков (в 1010—10 ¹¹ раз) меньше интенсивности ядерных сил. Поэтому его и назвали слабым, радиус его действия менее 10ˉ15 см. Электромагнитное же взаимодействие на расстояниях, соизмеримых с радиусом действия ядерных сил, слабее их лишь в 102-103 раз. Самым же слабым на этих расстояниях оказывается гравитационное взаимодействие, интенсивность которого на много порядков ниже слабого взаимодействия.

     Даже слабое взаимодействие на порядок превышает гравитационное взаимодействие. А сила кулоновского, электрического отталкивания двух электронов в 1042 раз больше величины их гравитационного притяжения. Если представить, что электромагнитные силы, «притягивающие» электроны к атомному ядру, ослабеют до уровня гравитационных, то атом водорода стал бы больше видимой нами части Вселенной. Гравитационные силы при уменьшении расстояний возрастают очень медленно. Преобладающими они становятся лишь в фантастически малых интервалах меньше 10ˉ32 см, которые остаются пока еще недоступными для экспериментального исследования. С помощью эксперимента сейчас удается «просматривать» расстояния, близкие к 10ˉ16 см.