Світ елементарних часток
Дипломна робота
У середині та другій половині ХХ століття в тих розділах фізики, які зайняті вивченням фундаментальної структури матерії, були отримані воістину дивовижні результати. Перш за все це проявилося у відкритті чималої кількості нових субатомних частинок. Їх зазвичай називають елементарними частинками, але далеко не всі з них дійсно елементарні. Багато хто з них у свою чергу складаються з ще більш елементарних частинок.
Світ субатомних частинок воістину різноманітний. До них відносяться протони і нейтрони, складові атомні ядра, а також обертаються навколо ядер електрони. Але є й такі частинки, які в навколишньому речовині практично не зустрічаються. Час їх життя надзвичайно мало, воно становить найдрібніші частки секунди. Після закінчення цього надзвичайно короткого часу вони розпадаються на звичайні частинки. Таких нестабільних короткоживучих часток вражаюче багато: їх відомо вже кілька сотень.
У 60-70-ті роки фізики були абсолютно збиті з пантелику численністю, різноманітністю і незвичністю знову відкритих субатомних частинок. Здавалося, їм не буде кінця. Абсолютно незрозуміло, для чого стільки частинок. Чи є ці елементарні частинки хаотичними і випадковими осколками матерії? Або, можливо, вони таять у собі ключ до пізнання структури Всесвіту? Розвиток фізики у наступні десятиліття показало, що в існуванні такої структури немає ніяких сумнівів. В кінці ХХ ст. фізика починає розуміти, яке значення кожної з елементарних частинок.
Миру субатомних частинок притаманний глибокий і раціональний порядок. В основі цього порядку - фундаментальні фізичні взаємодії.
1.Фундаментальние фізичні взаємодії
У свій повсякденному житті людина стикається з безліччю сил, що діють на тіла. Тут і сила вітру або набігаючого потоку води, тиск повітря, потужний викид вибухають хімічних речовин, м'язова сила людини, вага важких об'єктів, тиск квантів світла, тяжіння і відштовхування електричних зарядів, сейсмічні хвилі, викликають часом катастрофічні руйнування, і вулканічні виверження, що приводили до загибелі цивілізації, і т. д. Одні сили діють безпосередньо при контакті з тілом, інші, наприклад, гравітація, діють на відстані, через простір. Але, як з'ясувалося в результаті розвитку теоретичного природознавства, не дивлячись на велику різноманітність, всі діючі в природі сили можна звести всього лише до чотирьох фундаментальних взаємодій. Саме ці взаємодії в кінцевому рахунку відповідають за всі зміни в світі, саме вони є джерелом всіх перетворень тел і процесів.
Вивчення властивостей фундаментальних взаємодій становить головне завдання сучасної фізики.
1.1. Гравітація
В історії фізики гравітація (тяжіння) стала першим із чотирьох фундаментальних взаємодій предметом наукового дослідження. Після появи в ХVII ст. ньютонівської теорії гравітації - закону всесвітнього тяжіння - вдалося вперше усвідомити справжню роль гравітації як сили природи. Гравітація володіє рядом особливостей, що відрізняють її від інших фундаментальних взаємодій.
Найбільш дивною особливістю гравітації є її мала інтенсивність. Величина гравітаційної взаємодії між компонентами атома водню становить 10n, де n = - 3 9, від сили взаємодії електричних зарядів. (Якщо б розміри атома водню визначалися гравітацією, а не взаємодією між електричними зарядами, то нижча (найближча до ядра) орбіта електрона за розмірами перевершувала б доступну спостереженню частина Всесвіту!) (Якщо б розміри атома водню визначалися гравітацією, а не взаємодією між електричними зарядами, то нижча (найближча до ядра) орбіта електрона за розмірами перевершувала б доступну спостереженню частина Всесвіту!). Може здатися дивним, що ми взагалі відчуваємо гравітацію, якщо вона така слабка. Як вона може виявитися панівною силою у Всесвіті?
Вся справа в другій дивовижною межах гравітації - її універсальності. Ніщо у Всесвіті не звільнився від гравітації. Кожна частка випробовує на собі дію гравітації і сама є джерелом гравітації. Оскільки кожна частка речовини викликає гравітаційне тяжіння, гравітація зростає в міру освіти все великих скупчень речовини. Ми відчуваємо гравітацію у повсякденному житті тому, що всі атоми Землі спільно притягують нас. І хоча дія гравітаційного тяжіння одного атома дуже малий, але результуюча сила тяжіння з боку всіх атомів може бути значною.
Гравітація - дальнодіючих сила природи. Це означає, що, хоча інтенсивність гравітаційного взаємодії зменшується з відстанню, воно поширюється в просторі і може позначатися на досить віддалених від джерела тілах. У астрономічному масштабі гравітаційна взаємодія, як правило, грає головну роль. Завдяки дальнодії гравітація не дозволяє Всесвіту розвалитися на частини: вона утримує планети на орбітах, зірки в галактиках, галактики в скупченнях, скупчення в Метагалактиці.
Сила гравітації, що діє між частинками, завжди являє собою силу тяжіння: вона прагне зблизити частинки. Гравітаційне відштовхування ніколи ще не спостерігалося (Хоча в традиціях квазінаукове міфології є ціла область, яка називається левітація - пошук "фактів" антигравітації). Оскільки енергія, збережена в будь-якій частці, завжди позитивна і наділяє її позитивною масою, частки під дією гравітації завжди прагнуть зблизитися.
Чим є гравітація, таким собі полем або проявом викривлення простору-часу, - на це питання поки що однозначної відповіді немає. Як вже зазначалося нами, існують різні думки і концепції фізиків на цей рахунок.
1.2. Електромагнетизм
За величиною електричні сили набагато перевершують гравітаційні. На відміну від слабкого гравітаційного взаємодії, електричні сили, що діють між тілами звичайних розмірів, можна легко спостерігати. Електромагнетизм відомий людям з незапам'ятних часів (полярні сяйва, спалахи блискавки та ін.)
Протягом довгого часу електричні та магнітні процеси вивчалися незалежно один від одного. Як ми вже знаємо, вирішальний крок у пізнанні електромагнетизму зробив у середині XIX ст. Дж. К. Максвелл, який об'єднав електрику й магнетизм в єдиній теорії електромагнетизму - першої єдиної теорії поля.
Існування електрона було твердо встановлено в 90-e роки минулого сторіччя. Нині відомо, що електричний заряд будь-якої частинки речовини завжди кратний фундаментальної одиниці заряду - свого роду "атому" заряду. Чому це так - надзвичайно цікаве питання. Однак не всі матеріальні частинки є носіями електричного заряду. Наприклад, фотон і нейтрино електрично нейтральні. У цьому відношенні електрику відрізняється від гравітації. Всі матеріальні частинки створюють гравітаційне поле, тоді як з електромагнітним полем пов'язані тільки заряджені частинки.
Як і електричні заряди, однойменні магнітні полюси відштовхуються, а різнойменні - притягуються. Однак на відміну від електричних зарядів магнітні полюси зустрічаються не окремо, а тільки парами - північний полюс і південний полюс. Ще з найдавніших часів відомі спроби отримати за допомогою поділу магніту лише один ізольований магнітний полюс - монополь. Але всі вони закінчувалися невдачею. Може бути, існування ізольованих магнітних полюсів у природі виключено? Певної відповіді на це питання поки не існує. Деякі теоретичні концепції допускають можливість існування монополя.
Як електричне і гравітаційне взаємодії, взаємодія магнітних полюсів підкоряється закону зворотних квадратів. Отже, електрична і магнітна сили "дальнодействующіх", і їхня дія відчутно на великих відстанях від джерела. Так, магнітне поле Землі простягається далеко в космічний простір. Потужне магнітне поле Сонця заповнює всю Сонячну систему. Існують і галактичні магнітні поля.
Електромагнітна взаємодія визначає структуру атомів і відповідає за переважну більшість фізичних і хімічних явищ і процесів (за винятком ядерних).
1.3. Слабка взаємодія
До виявлення існування слабкої взаємодії фізика просувалася повільно. Слабка взаємодія відповідально за розпади частинок; і тому з його проявом зіткнулися з відкриттям радіоактивності і дослідженням бета-розпаду.
У бета-розпаду виявилася у вищій мірі дивна особливість. Дослідження приводили до висновку, що в цьому розпаді порушується один з фундаментальних законів фізики - закон збереження енергії. Здавалося, що в цьому розпаді частина енергії кудись зникала. Щоб "врятувати" закон збереження енергії, В. Паулі припустив, що разом з електроном при бета-розпаді вилітає ще одна частинка. Вона - нейтральна і що володіє надзвичайно високою проникаючою здатністю, внаслідок чого її не вдавалося спостерігати. Е. Фермі назвав частку-невидимку "нейтрино".
Але прогноз і виявлення нейтрино - це тільки початок проблеми, її постановка. Потрібно було пояснити природу нейтрино, але тут залишалося багато загадкового. Справа в тому, що й електрони і нейтрино випускали нестабільними ядрами. Але було неспростовно доведено, що всередині ядер таких часток немає. Як же вони виникали? Було висловлено припущення, що електрони і нейтрино не існують в ядрі в "готовому вигляді", а яким-то чином утворюються з енергії радіоактивного ядра. Подальші дослідження показали, що входять до складу ядра нейтрони, надані самим собі, через кілька хвилин розпадаються на протон, електрон і нейтрино, тобто замість однієї частинки з'являються три нові. Аналіз приводив до висновку, що відомі сили не можуть викликати такий розпад. Він, мабуть, породжувався якийсь інший, невідомою силою. Дослідження показали, що цій силі відповідає деяке слабка взаємодія.
Воно набагато слабкіше електромагнітного, хоча і сильніше гравітаційного. Воно поширюється на дуже незначних відстанях. Радіус слабкої взаємодії дуже малий. Слабка взаємодія припиняється на відстані, більшій 10n см (де n = - 1 6) від джерела і тому не може впливати на макроскопічні об'єкти, а обмежується окремими субатомних частинок. Згодом з'ясувалося, що більшість нестабільних елементарних частинок бере участь у слабкій взаємодії.
Теорія слабкої взаємодії була створена наприкінці б0-х років С. Вайнбергом і А. Саламом. З моменту побудови Максвеллом теорії електромагнітного поля створення цієї теорії стало самим великим кроком на шляху до єдності фізики.
10.1.4. Сильна взаємодія
Останнє в ряду фундаментальних взаємодій - сильна взаємодія, яке є джерелом величезної енергії. Найбільш характерний приклад енергії, що вивільняється сильною взаємодією, - це наше Сонце. У надрах Сонця і зірок, починаючи з певного часу, безперервно протікають термоядерні реакції, викликані сильною взаємодією. Але й людина навчилася вивільняти сильна взаємодія: створена воднева бомба, сконструйовані й удосконалюються технології керованої термоядерної реакції.
До подання про існування сильної взаємодії фізика йшла під час вивчення структури атомного ядра. Якась сила повинна утримувати протони в ядрі, не дозволяючи їм розлітатися під дією електростатичного відштовхування. Гравітація для цього занадто слабка; очевидно, необхідно якесь нове взаємодія, причому, більш сильне, ніж електромагнітне. Згодом воно було виявлено. З'ясувалося, що хоча за своєю величиною сильна взаємодія істотно перевершує всі інші фундаментальні взаємодії, але за межами ядра воно не відчувається. Радіус дії нової сили виявився дуже малим. Сильна взаємодія різко падає на відстані від протона або нейтрона, що перевищує приблизно 10n см (де n = - 13).
Крім того, з'ясувалося, що сильна взаємодія відчувають не всі частинки. Його відчувають протони і нейтрони, але електрони, нейтрино і фотони не підвладні йому. У сильній взаємодії беруть участь тільки більш важкі частинки.
Теоретичне пояснення природи сильної взаємодії розвивалося важко. Прорив намітився на початку 60-х років, коли була запропонована кваркова модель. У цій теорії нейтрони і протони розглядаються не як елементарні частинки, а як складові системи, побудовані з кварків.
Таким чином, у фундаментальних фізичних взаємодіях чітко простежується відмінність сил дальнодіючих і близкодействия. З одного боку, мають місце взаємодії необмеженого радіусу дії (гравітація, електромагнетизм), а з іншого - взаємодії малого радіусу дії (сильне і слабке). Світ фізичних елементів у цілому розгортається в єдності цих двох полярностей і є втіленням єдності гранично малого і гранично великого - блізкодействія у мікросвіті і дальнодії у всьому Всесвіті.
1.5. Проблема єдності фізики
Пізнання є узагальнення дійсності, і тому мета науки - пошук єдності в природі, зв'язування розрізнених фрагментів знання в єдину картину. Для того щоб створити єдину систему, потрібно відкрити сполучна ланка між різними галузями знання, деякий фундаментальне відношення. Пошук таких зв'язків і відносин - одне з головних завдань наукового дослідження. Кожного разу, коли вдається встановити такі нові зв'язки, значно поглиблюється розуміння навколишнього світу, формуються нові способи пізнання, які вказують шлях до не відомих раніше явищам.
Встановлення глибинних зв'язків між різними областями природи - це одночасно і синтез знання, і метод, що направляє наукові дослідження з новим, вторований дорогах. Виявлення Ньютоном зв'язку між притяганням тіл в земних умовах і рухом планет ознаменувало собою народження класичної механіки, на основі якої побудована технологічна база сучасної цивілізації. Встановлення зв'язку термодинамічних властивостей газу з хаотичним рухом молекул поставило на міцну основу атомно-молекулярну теорію речовини. У середині минулого століття Максвелл створив єдину електромагнітну теорію, що охопила як електричні, так і магнітні явища. Потім у 20-х р. нашого століття Ейнштейн робив спроби об'єднати в єдиній теорії електромагнетизм і гравітацію.
Але до середини ХХ ст. положення у фізиці радикально змінилося: були відкриті два нових фундаментальні взаємодії - сильне і слабке, тобто при створенні єдиної фізики доводиться рахуватися вже не з двома, а з чотирма фундаментальними взаємодіями. Це дещо охолодило запал тих, хто сподівався на швидке вирішення даної проблеми. Але сам задум під сумнів всерйоз не ставився, і захопленість ідеєю єдиного опису не пройшла.
Існує точка зору, що всі чотири (або хоча б три) взаємодії являють собою явища однієї природи і має бути знайдено їх єдине теоретичний опис. Перспектива створення єдиної теорії світу фізичних елементів на основі одного-єдиного фундаментального взаємодії залишається дуже привабливою. Це головна мрія фізиків ХХ ст. Але довгий час вона залишалася лише мрією, і дуже невизначеною.
Проте в другій половині ХХ ст. з'явилися передумови здійснення цієї мрії і впевненість, що ця справа аж ніяк не віддаленого майбутнього. Схоже, що незабаром вона цілком може стати реальністю. Вирішальний крок на шляху до єдиної теорії був зроблений в 6О-70-х рр.. зі створенням спочатку теорії кварків, а потім і теорії електрослабкої взаємодії. Є підстави для думки, що ми стоїмо на порозі більш могутнього і глибокого об'єднання, ніж коли-небудь раніше. Серед фізиків посилюється переконання, що починають вимальовуватися контури єдиної теорії всіх фундаментальних взаємодій - Великого об'єднання.
2. Класифікація елементарних частинок
2.1. Характеристики субатомних частинок
Історично першими експериментально виявленими елементарними частинками були електрон, протон, а потім нейтрон. Здавалося, що цих частинок і фотона (кванта електромагнітного поля) достатньо для побудови відомих форм речовини - атомів і молекул. Речовина при такому підході будувалося з протонів, нейтронів і електронів, а фотони здійснювали взаємодію між ними. Однак, незабаром з'ясувалося, що світ влаштований значно складніше. Було встановлено, що кожній частинці відповідає своя античастинка, що відрізняється від неї лише знаком заряду. Для частинок з нульовими значеннями всіх зарядів античастинка співпадає з часткою (приклад - фотон). Далі, у міру розвитку експериментальної ядерної фізики до цих частинок додалося ще понад 300 часток (!).
Характеристиками субатомних часток є маса, електричний заряд, спін (власний момент кількості руху), час життя частинки, магнітний момент, просторова парність, лептонний заряд, баріонів заряд і ін Дипломна робота
У середині та другій половині ХХ століття в тих розділах фізики, які зайняті вивченням фундаментальної структури матерії, були отримані воістину дивовижні результати. Перш за все це проявилося у відкритті чималої кількості нових субатомних частинок. Їх зазвичай називають елементарними частинками, але далеко не всі з них дійсно елементарні. Багато хто з них у свою чергу складаються з ще більш елементарних частинок.
Світ субатомних частинок воістину різноманітний. До них відносяться протони і нейтрони, складові атомні ядра, а також обертаються навколо ядер електрони. Але є й такі частинки, які в навколишньому речовині практично не зустрічаються. Час їх життя надзвичайно мало, воно становить найдрібніші частки секунди. Після закінчення цього надзвичайно короткого часу вони розпадаються на звичайні частинки. Таких нестабільних короткоживучих часток вражаюче багато: їх відомо вже кілька сотень.
У 60-70-ті роки фізики були абсолютно збиті з пантелику численністю, різноманітністю і незвичністю знову відкритих субатомних частинок. Здавалося, їм не буде кінця. Абсолютно незрозуміло, для чого стільки частинок. Чи є ці елементарні частинки хаотичними і випадковими осколками матерії? Або, можливо, вони таять у собі ключ до пізнання структури Всесвіту? Розвиток фізики у наступні десятиліття показало, що в існуванні такої структури немає ніяких сумнівів. В кінці ХХ ст. фізика починає розуміти, яке значення кожної з елементарних частинок.
Миру субатомних частинок притаманний глибокий і раціональний порядок. В основі цього порядку - фундаментальні фізичні взаємодії.
1.Фундаментальние фізичні взаємодії
У свій повсякденному житті людина стикається з безліччю сил, що діють на тіла. Тут і сила вітру або набігаючого потоку води, тиск повітря, потужний викид вибухають хімічних речовин, м'язова сила людини, вага важких об'єктів, тиск квантів світла, тяжіння і відштовхування електричних зарядів, сейсмічні хвилі, викликають часом катастрофічні руйнування, і вулканічні виверження, що приводили до загибелі цивілізації, і т. д. Одні сили діють безпосередньо при контакті з тілом, інші, наприклад, гравітація, діють на відстані, через простір. Але, як з'ясувалося в результаті розвитку теоретичного природознавства, не дивлячись на велику різноманітність, всі діючі в природі сили можна звести всього лише до чотирьох фундаментальних взаємодій. Саме ці взаємодії в кінцевому рахунку відповідають за всі зміни в світі, саме вони є джерелом всіх перетворень тел і процесів.
Вивчення властивостей фундаментальних взаємодій становить головне завдання сучасної фізики.
1.1. Гравітація
В історії фізики гравітація (тяжіння) стала першим із чотирьох фундаментальних взаємодій предметом наукового дослідження. Після появи в ХVII ст. ньютонівської теорії гравітації - закону всесвітнього тяжіння - вдалося вперше усвідомити справжню роль гравітації як сили природи. Гравітація володіє рядом особливостей, що відрізняють її від інших фундаментальних взаємодій.
Найбільш дивною особливістю гравітації є її мала інтенсивність. Величина гравітаційної взаємодії між компонентами атома водню становить 10n, де n = - 3 9, від сили взаємодії електричних зарядів. (Якщо б розміри атома водню визначалися гравітацією, а не взаємодією між електричними зарядами, то нижча (найближча до ядра) орбіта електрона за розмірами перевершувала б доступну спостереженню частина Всесвіту!) (Якщо б розміри атома водню визначалися гравітацією, а не взаємодією між електричними зарядами, то нижча (найближча до ядра) орбіта електрона за розмірами перевершувала б доступну спостереженню частина Всесвіту!). Може здатися дивним, що ми взагалі відчуваємо гравітацію, якщо вона така слабка. Як вона може виявитися панівною силою у Всесвіті?
Вся справа в другій дивовижною межах гравітації - її універсальності. Ніщо у Всесвіті не звільнився від гравітації. Кожна частка випробовує на собі дію гравітації і сама є джерелом гравітації. Оскільки кожна частка речовини викликає гравітаційне тяжіння, гравітація зростає в міру освіти все великих скупчень речовини. Ми відчуваємо гравітацію у повсякденному житті тому, що всі атоми Землі спільно притягують нас. І хоча дія гравітаційного тяжіння одного атома дуже малий, але результуюча сила тяжіння з боку всіх атомів може бути значною.
Гравітація - дальнодіючих сила природи. Це означає, що, хоча інтенсивність гравітаційного взаємодії зменшується з відстанню, воно поширюється в просторі і може позначатися на досить віддалених від джерела тілах. У астрономічному масштабі гравітаційна взаємодія, як правило, грає головну роль. Завдяки дальнодії гравітація не дозволяє Всесвіту розвалитися на частини: вона утримує планети на орбітах, зірки в галактиках, галактики в скупченнях, скупчення в Метагалактиці.
Сила гравітації, що діє між частинками, завжди являє собою силу тяжіння: вона прагне зблизити частинки. Гравітаційне відштовхування ніколи ще не спостерігалося (Хоча в традиціях квазінаукове міфології є ціла область, яка називається левітація - пошук "фактів" антигравітації). Оскільки енергія, збережена в будь-якій частці, завжди позитивна і наділяє її позитивною масою, частки під дією гравітації завжди прагнуть зблизитися.
Чим є гравітація, таким собі полем або проявом викривлення простору-часу, - на це питання поки що однозначної відповіді немає. Як вже зазначалося нами, існують різні думки і концепції фізиків на цей рахунок.
1.2. Електромагнетизм
За величиною електричні сили набагато перевершують гравітаційні. На відміну від слабкого гравітаційного взаємодії, електричні сили, що діють між тілами звичайних розмірів, можна легко спостерігати. Електромагнетизм відомий людям з незапам'ятних часів (полярні сяйва, спалахи блискавки та ін.)
Протягом довгого часу електричні та магнітні процеси вивчалися незалежно один від одного. Як ми вже знаємо, вирішальний крок у пізнанні електромагнетизму зробив у середині XIX ст. Дж. К. Максвелл, який об'єднав електрику й магнетизм в єдиній теорії електромагнетизму - першої єдиної теорії поля.
Існування електрона було твердо встановлено в 90-e роки минулого сторіччя. Нині відомо, що електричний заряд будь-якої частинки речовини завжди кратний фундаментальної одиниці заряду - свого роду "атому" заряду. Чому це так - надзвичайно цікаве питання. Однак не всі матеріальні частинки є носіями електричного заряду. Наприклад, фотон і нейтрино електрично нейтральні. У цьому відношенні електрику відрізняється від гравітації. Всі матеріальні частинки створюють гравітаційне поле, тоді як з електромагнітним полем пов'язані тільки заряджені частинки.
Як і електричні заряди, однойменні магнітні полюси відштовхуються, а різнойменні - притягуються. Однак на відміну від електричних зарядів магнітні полюси зустрічаються не окремо, а тільки парами - північний полюс і південний полюс. Ще з найдавніших часів відомі спроби отримати за допомогою поділу магніту лише один ізольований магнітний полюс - монополь. Але всі вони закінчувалися невдачею. Може бути, існування ізольованих магнітних полюсів у природі виключено? Певної відповіді на це питання поки не існує. Деякі теоретичні концепції допускають можливість існування монополя.
Як електричне і гравітаційне взаємодії, взаємодія магнітних полюсів підкоряється закону зворотних квадратів. Отже, електрична і магнітна сили "дальнодействующіх", і їхня дія відчутно на великих відстанях від джерела. Так, магнітне поле Землі простягається далеко в космічний простір. Потужне магнітне поле Сонця заповнює всю Сонячну систему. Існують і галактичні магнітні поля.
Електромагнітна взаємодія визначає структуру атомів і відповідає за переважну більшість фізичних і хімічних явищ і процесів (за винятком ядерних).
1.3. Слабка взаємодія
До виявлення існування слабкої взаємодії фізика просувалася повільно. Слабка взаємодія відповідально за розпади частинок; і тому з його проявом зіткнулися з відкриттям радіоактивності і дослідженням бета-розпаду.
У бета-розпаду виявилася у вищій мірі дивна особливість. Дослідження приводили до висновку, що в цьому розпаді порушується один з фундаментальних законів фізики - закон збереження енергії. Здавалося, що в цьому розпаді частина енергії кудись зникала. Щоб "врятувати" закон збереження енергії, В. Паулі припустив, що разом з електроном при бета-розпаді вилітає ще одна частинка. Вона - нейтральна і що володіє надзвичайно високою проникаючою здатністю, внаслідок чого її не вдавалося спостерігати. Е. Фермі назвав частку-невидимку "нейтрино".
Але прогноз і виявлення нейтрино - це тільки початок проблеми, її постановка. Потрібно було пояснити природу нейтрино, але тут залишалося багато загадкового. Справа в тому, що й електрони і нейтрино випускали нестабільними ядрами. Але було неспростовно доведено, що всередині ядер таких часток немає. Як же вони виникали? Було висловлено припущення, що електрони і нейтрино не існують в ядрі в "готовому вигляді", а яким-то чином утворюються з енергії радіоактивного ядра. Подальші дослідження показали, що входять до складу ядра нейтрони, надані самим собі, через кілька хвилин розпадаються на протон, електрон і нейтрино, тобто замість однієї частинки з'являються три нові. Аналіз приводив до висновку, що відомі сили не можуть викликати такий розпад. Він, мабуть, породжувався якийсь інший, невідомою силою. Дослідження показали, що цій силі відповідає деяке слабка взаємодія.
Воно набагато слабкіше електромагнітного, хоча і сильніше гравітаційного. Воно поширюється на дуже незначних відстанях. Радіус слабкої взаємодії дуже малий. Слабка взаємодія припиняється на відстані, більшій 10n см (де n = - 1 6) від джерела і тому не може впливати на макроскопічні об'єкти, а обмежується окремими субатомних частинок. Згодом з'ясувалося, що більшість нестабільних елементарних частинок бере участь у слабкій взаємодії.
Теорія слабкої взаємодії була створена наприкінці б0-х років С. Вайнбергом і А. Саламом. З моменту побудови Максвеллом теорії електромагнітного поля створення цієї теорії стало самим великим кроком на шляху до єдності фізики.
10.1.4. Сильна взаємодія
Останнє в ряду фундаментальних взаємодій - сильна взаємодія, яке є джерелом величезної енергії. Найбільш характерний приклад енергії, що вивільняється сильною взаємодією, - це наше Сонце. У надрах Сонця і зірок, починаючи з певного часу, безперервно протікають термоядерні реакції, викликані сильною взаємодією. Але й людина навчилася вивільняти сильна взаємодія: створена воднева бомба, сконструйовані й удосконалюються технології керованої термоядерної реакції.
До подання про існування сильної взаємодії фізика йшла під час вивчення структури атомного ядра. Якась сила повинна утримувати протони в ядрі, не дозволяючи їм розлітатися під дією електростатичного відштовхування. Гравітація для цього занадто слабка; очевидно, необхідно якесь нове взаємодія, причому, більш сильне, ніж електромагнітне. Згодом воно було виявлено. З'ясувалося, що хоча за своєю величиною сильна взаємодія істотно перевершує всі інші фундаментальні взаємодії, але за межами ядра воно не відчувається. Радіус дії нової сили виявився дуже малим. Сильна взаємодія різко падає на відстані від протона або нейтрона, що перевищує приблизно 10n см (де n = - 13).
Крім того, з'ясувалося, що сильна взаємодія відчувають не всі частинки. Його відчувають протони і нейтрони, але електрони, нейтрино і фотони не підвладні йому. У сильній взаємодії беруть участь тільки більш важкі частинки.
Теоретичне пояснення природи сильної взаємодії розвивалося важко. Прорив намітився на початку 60-х років, коли була запропонована кваркова модель. У цій теорії нейтрони і протони розглядаються не як елементарні частинки, а як складові системи, побудовані з кварків.
Таким чином, у фундаментальних фізичних взаємодіях чітко простежується відмінність сил дальнодіючих і близкодействия. З одного боку, мають місце взаємодії необмеженого радіусу дії (гравітація, електромагнетизм), а з іншого - взаємодії малого радіусу дії (сильне і слабке). Світ фізичних елементів у цілому розгортається в єдності цих двох полярностей і є втіленням єдності гранично малого і гранично великого - блізкодействія у мікросвіті і дальнодії у всьому Всесвіті.
1.5. Проблема єдності фізики
Пізнання є узагальнення дійсності, і тому мета науки - пошук єдності в природі, зв'язування розрізнених фрагментів знання в єдину картину. Для того щоб створити єдину систему, потрібно відкрити сполучна ланка між різними галузями знання, деякий фундаментальне відношення. Пошук таких зв'язків і відносин - одне з головних завдань наукового дослідження. Кожного разу, коли вдається встановити такі нові зв'язки, значно поглиблюється розуміння навколишнього світу, формуються нові способи пізнання, які вказують шлях до не відомих раніше явищам.
Встановлення глибинних зв'язків між різними областями природи - це одночасно і синтез знання, і метод, що направляє наукові дослідження з новим, вторований дорогах. Виявлення Ньютоном зв'язку між притяганням тіл в земних умовах і рухом планет ознаменувало собою народження класичної механіки, на основі якої побудована технологічна база сучасної цивілізації. Встановлення зв'язку термодинамічних властивостей газу з хаотичним рухом молекул поставило на міцну основу атомно-молекулярну теорію речовини. У середині минулого століття Максвелл створив єдину електромагнітну теорію, що охопила як електричні, так і магнітні явища. Потім у 20-х р. нашого століття Ейнштейн робив спроби об'єднати в єдиній теорії електромагнетизм і гравітацію.
Але до середини ХХ ст. положення у фізиці радикально змінилося: були відкриті два нових фундаментальні взаємодії - сильне і слабке, тобто при створенні єдиної фізики доводиться рахуватися вже не з двома, а з чотирма фундаментальними взаємодіями. Це дещо охолодило запал тих, хто сподівався на швидке вирішення даної проблеми. Але сам задум під сумнів всерйоз не ставився, і захопленість ідеєю єдиного опису не пройшла.
Існує точка зору, що всі чотири (або хоча б три) взаємодії являють собою явища однієї природи і має бути знайдено їх єдине теоретичний опис. Перспектива створення єдиної теорії світу фізичних елементів на основі одного-єдиного фундаментального взаємодії залишається дуже привабливою. Це головна мрія фізиків ХХ ст. Але довгий час вона залишалася лише мрією, і дуже невизначеною.
Проте в другій половині ХХ ст. з'явилися передумови здійснення цієї мрії і впевненість, що ця справа аж ніяк не віддаленого майбутнього. Схоже, що незабаром вона цілком може стати реальністю. Вирішальний крок на шляху до єдиної теорії був зроблений в 6О-70-х рр.. зі створенням спочатку теорії кварків, а потім і теорії електрослабкої взаємодії. Є підстави для думки, що ми стоїмо на порозі більш могутнього і глибокого об'єднання, ніж коли-небудь раніше. Серед фізиків посилюється переконання, що починають вимальовуватися контури єдиної теорії всіх фундаментальних взаємодій - Великого об'єднання.
2. Класифікація елементарних частинок
2.1. Характеристики субатомних частинок
Історично першими експериментально виявленими елементарними частинками були електрон, протон, а потім нейтрон. Здавалося, що цих частинок і фотона (кванта електромагнітного поля) достатньо для побудови відомих форм речовини - атомів і молекул. Речовина при такому підході будувалося з протонів, нейтронів і електронів, а фотони здійснювали взаємодію між ними. Однак, незабаром з'ясувалося, що світ влаштований значно складніше. Було встановлено, що кожній частинці відповідає своя античастинка, що відрізняється від неї лише знаком заряду. Для частинок з нульовими значеннями всіх зарядів античастинка співпадає з часткою (приклад - фотон). Далі, у міру розвитку експериментальної ядерної фізики до цих частинок додалося ще понад 300 часток (!).
Коли говорять про масу частинки, мають на увазі її масу спокою, оскільки ця маса не залежить від стану руху. Частка, що має нульову масу спокою, рухається зі швидкістю світла (фотон). Немає двох частинок з однаковими масами. Електрон - найлегша частка з ненульовою масою спокою. Протон і нейтрон важче електрона майже в 2000 разів. А найважчий з відомих елементарних частинок (Z-частинки) володіє масою в 200 000 разів більше маси електрона.
Електричний заряд змінюється в досить вузькому діапазоні і завжди кратний фундаментальної одиниці заряду - заряду електрона (-1). Деякі частки (фотон, нейтрино) зовсім не мають заряду.
Важлива характеристика частки - спін. Він також завжди кратний деякій фундаментальної одиниці, яка обрано рівної Ѕ. Так, протон, нейтрон і електрон мають спін Ѕ, а спін фотона дорівнює 1. Відомі частки зі спіном 0, 3 / 2, 2. Частка зі спіном 0 при будь-якому куті повороту виглядає однаково. Частки зі спіном 1 приймають той же вигляд після повного обороту на 360 °. Частка зі спіном 1 / 2 набуває колишній вигляд після обороту на 720 ° і т.д. Частка зі спіном 2 приймає колишній стан через пів-обороту (180 °). Частинок зі спіном більше 2 не виявлено, і можливо їх взагалі не існує. У залежності від спина, всі частинки діляться на дві групи:
· Бозони - частинки зі спинами 0,1 і 2;
· Ферміони - частинки з напівцілим спинами (Ѕ, 3 / 2)
Частинки характеризуються і часом їхнього життя. За цією ознакою частинки поділяються на стабільні і нестабільні. Стабільні частинки - це електрон, протон, фотон і нейтрино. Нейтрон стабільний, коли знаходиться в ядрі атома, але вільний нейтрон розпадається приблизно за 15 хвилин. Всі інші відомі частинки - нестабільні; час їх життя коливається від декількох мікросекунд до 1 0 n сек (де n = - 2 3).
Велику роль у фізиці елементарних частинок грають закони збереження, встановлюють рівність між певними комбінаціями величин, що характеризують початковий і кінцевий стан системи. Арсенал законів збереження в квантовій фізиці більше, ніж у класичній. Він поповнився законами збереження різних парності (просторової, зарядовим), зарядів (лептонного, баріонів і ін), внутрішніх симетрій, властивих тому чи іншому типу взаємодії.
Виділення характеристик окремих субатомних часток - важливий, але тільки початковий етап пізнання їх світу. На наступному етапі потрібно ще зрозуміти, яка роль кожної окремої частки, які її функції в і структурі матерії.
Фізики з'ясували, що перш за все властивості частинки визначаються її здатністю (чи нездатністю) брати участь у сильній взаємодії. Частинки, які беруть участь у сильній взаємодії, утворюють особливий клас і називаються адронами. Частинки, які беруть участь у слабкій взаємодії і не беруть участь у сильній, називаються лептона. Крім того, існують частинки - переносники взаємодій.
Розглянемо властивості цих основних типів частинок.
2.2. Лептони
Хоча лептони можуть мати електричний заряд, а можуть і не мати, спін у всіх у них дорівнює Ѕ. Серед лептонів найбільш відомий електрон. Електрон - це перша з відкритих елементарних частинок. Як і всі інші лептони, електрон, мабуть, є елементарним (у власному розумінні цього слова) об'єктом. Наскільки відомо, електрон не складається з якихось інших часток.
Інший добре відомий лептон - нейтрино. Нейтрино є найбільш поширеними частками по Всесвіту. Всесвіт можна уявити безмежним нейтринних морем, в якому зрідка зустрічаються острови у вигляді атомів. Але незважаючи на таку поширеність нейтрино, вивчати їх дуже складно. Як ми вже відзначали, нейтрино майже невловимі. Не беручи участі ні в сильному, ні в електромагнітному взаємодіях, вони проникають через речовину, як ніби його взагалі немає. Нейтрино - це якісь "примари фізичного світу".
Досить широко поширені в природі мюони, на частку яких припадає значна частина космічного випромінювання. У багатьох відносинах мюон нагадує електрон: має той самий заряд і спін, бере участь у тих ті взаємодіях, але має більшу масу і нестабільний. Приблизно за два мільйонні частки секунди мюон розпадається на електрон і два нейтрино. В кінці 70-х років був виявлений третій заряджений лептон, що отримав назву "тау - лептон". Це дуже важка частка. Її маса близько 3500 мас електрона. Але в усьому іншому він веде себе подібно електрону і мюони.
У 60-х роках список лептонів значно розширився. Було встановлено, що існує кілька типів нейтрино: електронне нейтрино, мюонне нейтрино і тау-нейтрино. Таким чином, загальне число різновидів нейтрино дорівнює трьом, а загальне число лептонів - шести. Зрозуміло, у кожного лептона є своя античастинка; таким чином, загальне число різних лептонів одно дванадцяти. Нейтральні лептони беруть участь тільки в слабкій взаємодії; заряджені - в слабкому та електромагнітному.
Таблиця (Античастинки в таблицю не включені)
| Назва | Маса | Заряд |
| Електрон | 1 | -1 |
| Мюон | 206,7 | -1 |
| Тау-лептон | 3536,0 | -1 |
| Електронне нейтрино | 0 | 0 (Є дані, що свідчать про те, що нейтрино можуть володіти невеликою масою) |
| Мюонне нейтрино | 0 | 0 |
| Тау-нейтрино | 0 | 0 |
Якщо лептонів існує трохи більше десятка, то адронів сотні. Така безліч адронів наводить на думку, що адрони не елементарні частинки, а побудовані з більш дрібних частинок. Всі адрони зустрічаються у двох різновидах - електрично заряджені і нейтральні. Серед адронів найбільш відомі і широко поширені нейтрон і протон. Решта адрони короткоживучі і швидко розпадаються. Це клас т.зв. баріонів (важкі частки гіперонів) і велике сімейство мезонів (мезонні резонанси). Адрони беруть участь у сильному, слабкому і електромагнітному взаємодіях.
Існування і властивості більшості відомих адронів були встановлені в дослідах на прискорювачах. Відкриття безлічі різноманітних адронів у 50-60-x роках вкрай спантеличило фізиків. Але з часом адрони вдалося класифікувати за масою, заряду і спину. Поступово стала вибудовуватися більш-менш чітка картина. З'явилися конкретні ідеї про те, як систематизувати хаос емпіричних даних, раскриіт таємницю адронів у науковій теорії. Вирішальний крок тут був зроблений в 1963 р., коли була запропонована теорія кварків.
2.4. Частинки - переносники взаємодій
Перелік відомих частинок не вичерпується перерахованими частками - лептами і адронами - утворюючих будівельний матеріал речовини. До цього переліку не включений, наприклад фотон. Є ще один тип частинок, які не є безпосередньо будівельним матеріалом матерії, а забезпечують чотири фундаментальні взаємодії, тобто утворюють свого роду "клей", який не дозволяє світу розпадатися на частини.
Переносником електромагнітного взаємодії виступає фотон. Теорія електромагнітного взаємодії була представлена квантової електродинаміки.
Переносники сильної взаємодії - глюони. Глюони - переносники взаємодії між кварками, що пов'язують їх попарно або трійками.
Переносники слабкої взаємодії три частинки - W ± і Z ° бозони. Вони були відкриті лише у 1983 р. Радіус слабкої взаємодії надзвичайно малий, тому його переносниками повинні бути частинки з великими масами спокою. Відповідно до принципу невизначеності час життя частинок з такою великою масою спокою має бути надзвичайно короткою - всього лише близько 10 n сек (де n = - 2 6). Радіус стерпного цими взаємодії дуже малий тому, що настільки короткоживучі частинки не встигають відійти особливо далеко.
Висловлюється думка, що можливе існування і переносника гравітаційного поля - гравітону (у тих теоріях гравітації, які розглядають її не (тільки) як наслідок викривлення простору-часу, а як поле). Спін гравітону дорівнює 2. У принципі Гравітон можна зафіксувати в експерименті. Але оскільки гравітаційне взаємодія дуже слабке і у квантових процесах практично не проявляється, то безпосередньо зафіксувати Гравітон дуже складно.
Класифікація часток на лептони, адрони і переносники взаємодій вичерпує світ відомих нам субатомних частинок. Кожен вид часток відіграє свою роль у формуванні структури матерії і Всесвіту.
3. Теорії елементарних частинок
3.1. Квантова електродинаміка (КЕД)
Квантова механіка дозволяє описувати рух елементарних частинок, але не їх породження або знищення, тобто застосовується лише для опису систем з незмінним числом частинок. Узагальненням квантової механіки є квантова теорія поля - це квантова теорія систем з нескінченним числом ступенів свободи (фізичних полів). Потреба в такій теорії породжується квантово-хвильовим дуалізмом, існуванням хвильових властивостей у всіх частинок. У квантовій теорії поля взаємодія представляють як результат обміну квантами поля.
У середині ХХ ст. була створена теорія електромагнітного взаємодії - квантова електродинаміка КЕД - це продумана до найменших деталей і оснащена досконалим математичним апаратом теорія взаємодії фотонів і електронів. В основі КЕД - опис електромагнітного взаємодії з використанням поняття віртуальних фотонів - його переносників. Ця теорія задовольняє основним принципам як квантової теорії, так і теорії відносності.
У центрі теорії аналіз актів випускання або поглинання одного фотона однієї зарядженою часткою, а також анігіляції електронно-позитронної пари в фотон або породження фотонами такої пари.
Якщо в класичному описі електрони представляються у вигляді твердого точкового кульки, то в КЕД навколишнє електрона електромагнітне поле розглядається як хмара віртуальних фотонів, яке невідступно слідує за електроном, оточуючи його квантами енергії. Після того, як електрон випромінює фотон, той породжує (віртуальну) електрон-позитронного пору, яка може анігілювати з утворенням нового фотона. Останній може поглинутися вихідним фотоном, але може породити нову пару і т.д. Таким чином електрон покривається хмарою віртуальних фотонів, електронів і позитронів, які перебувають у стані динамічної рівноваги. Фотони виникають і зникають дуже швидко, а електрони рухаються в просторі не за цілком певних траєкторіях. Ще можна тим або іншим способом визначити початкову та кінцеву точки шляху - до і після розсіювання, але сам шлях в проміжку між початком і кінцем руху залишається невизначеним.
Опис взаємодії з допомогою частки-переносника призвело до розширення поняття фотона. Вводяться поняття реального (кванта видимого нами світла) та віртуального (швидкоплинного, примарного) фотона, який "бачать" тільки заряджені частинки, що перетерплюють розсіювання.
Щоб перевірити, чи відповідає теорія з реальністю, фізики зосередили увагу на двох ефекти, які представляли особливий інтерес. Перший стосувався енергетичних рівнів атома водню - найпростішого атома. Згідно КЕД, рівні повинні бути злегка зміщені щодо положення, яке вони займали б у відсутність віртуальних фотонів. Друга вирішальна перевірка КЕД стосувалася надзвичайно малої поправки до власного магнітного моменту електрона. Теоретичні та експериментальні результати перевірки КЕД збігаються з найвищою точністю - понад дев'ять знаків після коми. Настільки разюче відповідність дає право вважати КЕД найбільш досконалою з існуючих природничо-наукових теорій.
Після подібного тріумфу КЕД була прийнята як модель для квантового опису трьох інших фундаментальних взаємодій. Зрозуміло, полях, пов'язаним з іншими взаємодіями, повинні відповідати інші частинки-переносники.
3.2. Теорія кварків
Теорія кварків - це теорія будови адронів. Основна ідея цієї теорії дуже проста. Всі адрони побудовані з більш дрібних частинок, які називаються кварками. Значить, кварки - це більш елементарні частинки, ніж адрони. Кварки несуть дробовий електричний заряд: вони мають заряд, величина якого становить або -1 / 3 або +2 / 3 фундаментальної одиниці - заряду електрона. Комбінація з двох і трьох кварків може мати сумарний заряд, що дорівнює нулю або одиниці. Всі кварки мають спін Ѕ, тому вони відносяться до ферміонів. Основоположники теорії кварків Гелл-Манн і Цвейг, щоб врахувати всі відомі в 60-і рр.. адрони ввели три сорти (аромату) кварків: u (від up-верхній), d (від down-нижній) і s (від strange - дивний).
Кварки можуть з'єднуватися один з одним одним з двох можливих способів: або трійками, або парами кварк - антікварк. З трьох кварків складаються порівняно важкі частинки - Ядерна фізика, що означає "важкі частки". Найбільш відомі з баріонів нейтрон і протон. Більш легкі пари кварк - антікварк утворюють частинки, що отримали назву мезони - "проміжні частки". Наприклад, протон складається з двох u-і одного d-кварків (uud), а нейтрон - з двох d-кварків і одного u-кварка (udd). Щоб це "тріо" кварків не розпадалася, необхідна утримує їх сила, якийсь " клей ".
Виявилося, що результуюче взаємодія між нейтронами і протонами в ядрі є просто залишковий ефект більш потужного взаємодії між самими кварками. Це пояснило, чому сильна взаємодія здається таким складним. Коли протон "прилипає" до нейтронної або іншому протона, у взаємодії беруть участь шість кварків, кожен з яких взаємодіє з усіма іншими. Значна частина сил витрачається на міцне склеювання тріо кварків, а невелика - на скріплення двох тріо кварків один з одним. (Але з'ясувалося, що кварки беруть участь і в слабкій взаємодії. Слабка взаємодія може змінювати аромат кварка. Саме так відбувається розпад нейтрона. Один з d-кварків в нейтрон перетворюється на u-кварк, а надлишок заряду забирає народжується одночасно електрон. Аналогічним чином, змінюючи аромат, слабка взаємодія призводить до розпаду і інших адронів.)
Та обставина, що з різних комбінацій трьох основних частинок можна отримати всі відомі адрони, стало тріумфом теорії кварків. Але в 70-і рр.. були відкриті нові адрони (пси-частинки, іпсилон-мезон і ін.) Цим було завдано удару першим варіантом теорії кварків, оскільки в ній вже не було місця ні для однієї нової частинки. Всі можливі комбінації з кварків і їх антикварков були вже вичерпані.
Проблему вдалося вирішити за рахунок введення трьох нових ароматів. Вони отримали назву
- Charm (чарівність), або с; b-кварк (від bottom - дно, а частіше beauty - краса, або прелесть); згодом був введений ще один аромат - t (від top - верхній).
Кварки скріплюються між собою сильною взаємодією. Переносники сильної взаємодії - глюони (колірні заряди). Область фізики елементарних частинок, що вивчає взаємодію кварків і глюонів, носить назву квантової хромодинаміки. Як квантова електродинаміка - теорія електромагнітного взаємодії, так квантова хромодинаміка - теорія сильної взаємодії.
Хоча й існує певна незадоволеність кваркової схемою, більшість фізиків вважає кварки справді елементарними частинками - точковими, неподільними і не володіють внутрішньою структурою. У цьому відношенні вони нагадують лептони, і вже давно передбачається, що між цими двома різними, але подібними за своєю структурою сімействами повинна існувати глибокий взаємозв'язок.
Таким чином, найбільш вірогідне число істинно елементарних частинок (не рахуючи переносників фундаментальних взаємодій) на кінець ХХ століття одно 48. З них: лептонів (6х2) = 12 плюс кварків (6х3) х2 = 36.
3.3. Теорія електрослабкої взаємодії
У 70-ті ХХ століття в природознавстві сталася визначна подія: два взаємодії з чотирьох фізики об'єднали в одне. Картина фундаментальних підстав природи кілька спростилася. Електромагнітне і слабка взаємодії, здавалося б дуже різні за своєю природою, в дійсності виявилися двома різновидами єдиного т.зв. електрослабкої взаємодії. Теорія електрослабкої взаємодії вирішальним чином вплинула на подальший розвиток фізики елементарних частинок в кінці ХХ ст.
Головна ідея в побудові цієї теорії полягала в описі слабкої взаємодії мовою концепції калібрувального поля, відповідно до якої ключем до розуміння природи взаємодій служить симетрія. Одна з фундаментальних ідей у фізиці другої половини ХХ ст. - Це переконання, що всі взаємодії існують лише для того, щоб підтримувати в природі якийсь набір абстрактних симетрій. Яке відношення має симетрія до фундаментальних взаємодій? На перший погляд, саме припущення про існування подібного зв'язку здається парадоксальним і незрозумілим.
Перш за все про те, що розуміється під симетрією. Прийнято вважати, що предмет має симетрією, якщо предмет залишається незмінним у результаті проведення тієї чи іншої операції по його перетворенню. Так, сфера симетрична, бо виглядає однаково при повороті на будь-який кут щодо її центру. Закони електрики симетричні щодо заміни позитивних зарядів негативними і навпаки. Таким чином, під симетрією ми розуміємо інваріантність щодо певної операції.
Існують різні типи симетрій: геометричні, дзеркальні, негеометріческіе. Серед негеометріческіх є так звані калібрувальні симетрії. Калібрувальні симетрії носять абстрактний характер і безпосередньо не фіксуються. Вони пов'язані зі зміною відліку рівня, масштабу або значення деякої фізичної величини. Система має калібрувальної симетрією, якщо її природа залишається незмінною при такого роду перетворення. Так, наприклад, у фізиці робота залежить від різниці висот, а не від абсолютної висоти; напруга - від різниці потенціалів, а не від їх абсолютних величин та ін Симетрії, на яких заснований перегляд розуміння чотирьох фундаментальних взаємодій, саме такого роду. Калібрувальні перетворення можуть бути глобальними і локальними. Калібрувальні перетворення, що змінюються від точки до точки, відомі під назвою "локальних" калібрувальних перетворень. У природі існує цілий ряд локальних калібрувальних симетрій і необхідне відповідне число полів для компенсації цих калібрувальних перетворень. Силові поля можна розглядати як засіб, за допомогою якого в природі створюються властиві їй локальні калібрувальні симетрії. Значення концепції калібрувальної симетрії полягає в тому, що завдяки їй теоретично моделюються всі чотири фундаментальні взаємодії, що зустрічаються в природі. Усі їх можна розглядати як калібрувальні поля.
Представляючи слабка взаємодія у вигляді калібрувального поля, фізики виходять з того, що всі частинки, що беруть участь у слабкій взаємодії, служать джерелами поля нового типу - поля слабких сил. Слабо взаємодіючі частинки, такі, як електрони і нейтрино, є носіями "слабкого заряду", який аналогічний електричному заряду і пов'язує ці частинки зі слабким полем.
Для представлення поля слабкої взаємодії як калібрувального перш за все необхідно встановити точну форму відповідної калібрувальної симетрії. Справа в тому, що симетрія слабкої взаємодії набагато складніше електромагнітного. Адже і сам механізм цієї взаємодії виявляється більш складним. По-перше, при розпаді нейтрона, наприклад, у слабкій взаємодії беруть участь частки принаймні чотирьох різних типів (нейтрон, протон, електрон і нейтрино). По-друге, дія слабких сил призводить до зміни їх природи (перетворенню одних частинок в інші за рахунок слабкої взаємодії). Навпаки, електромагнітне взаємодія не змінює природи беруть участь у ньому часток.
Це визначає ту обставину, що слабкій взаємодії відповідає більш складна калібрувальна симетрія, пов'язана зі зміною природи частинок. З'ясувалося, що для підтримки симетрії тут необхідні три нових силових поля, на відміну від єдиного електромагнітного поля. Було отримано і квантове опис цих трьох полів: повинні існувати три нових типи частинок - переносників взаємодії, по одному для кожного поля. Всі весті вони називаються важкими векторними бозонами зі спіном 1 і є переносниками слабкої взаємодії.
Частинки W + і W - є переносниками двох з трьох пов'язаних зі слабким взаємодією полів. Третє поле відповідає електрично нейтральної частинки-переносники, що отримала назву Z-частинки. Існування Z-частинки означає, що слабка взаємодія може не супроводжуватися перенесенням електричного заряду.
У створенні теорії електрослабкої взаємодії ключову роль зіграло поняття спонтанного порушення симетрії: не всяке рішення задачі зобов'язане мати всі властивостями його вихідного рівня. Так, частки, зовсім різні при низьких енергіях, при високих енергіях можуть виявитися насправді однієї і тієї ж часткою, але перебуває в різних станах. Спираючись на ідею спонтанного порушення симетрії, автори теорії електрослабкої взаємодії Вайнберг і Салам зуміли вирішити велику теоретичну проблему - вони поєднали здавалося б несумісні речі (значна маса носіїв слабкої взаємодії, з одного боку, і ідею калібрувальної інваріантності, яка передбачає дальнодіючих характер калібрувального поля, а значить нульову масу спокою частинок-переносників, з іншого) і таким чином з'єднали електромагнетизм і слабку взаємодію в єдиній теорії калібрувального поля.
У цій теорії представлено всього чотири поля: електромагнітне поле і три поля, відповідні слабким взаємодіям. Крім того, введено постійне на всьому просторі скалярний поле (т. зв. Поля Хіггса), з яким частки взаємодіють по різному, що й визначає відмінність їх мас. (Кванти скалярного поля являють собою нові елементарні частинки з нульовим спіном. Їх називають хіггсівський (на ім'я фізика П. Хіггса, який припустив їх існування). Число таких хіггсівський бозонів може досягати декількох десятків. На досвіді такі бозони поки не виявлені. Більш того, ряд фізиків вважає їх існування необов'язковим, але досконалої теоретичної моделі без хіггсовскміх бозонів поки не знайдено) Спочатку W і Z-кванти не мають маси, але порушення симетрії призводить до того, що деякі частинки Хіггса зливаються з W і Z-частинками, наділяючи їх масою.
Відмінності властивостей електромагнітної і слабкої взаємодій теорія пояснює порушенням симетрії. Якби симетрія не порушувалася, то обидва взаємодії було б порівняти за величиною. Порушення симетрії тягне за собою різке зменшення слабкої взаємодії. Можна сказати, що слабка взаємодія має настільки малу величину тому, що W і Z-частинки дуже масивні. Лептони рідко зближуються на настільки малі відстані (r <1 0 n див., де n = - 1 6). Але при великих енергіях (> 1 0 0 Гев), коли частки W і Z можуть вільно народжуватися, обмін W і Z бозонами здійснюється так само легко, як і обмін фотонами (безмасові частками). Різниця між фотонами і бозонами стірается.В цих умовах має існувати повна симетрія між електромагнітним і слабкою взаємодією - електрослабкої взаємодію.
Перевірка нової теорії полягала в підтвердженні існування гіпотетичних W і Z-частинок. Їх відкриття стало можливим тільки зі створенням дуже великих прискорювачів новітнього типу. Відкриття в 1983 р. W і Z-частинок означало торжество теорії електрослабкої взаємодії. Не було більше потреби говорити про чотири фундаментальних взаємодіях. Їх залишилося три.
3.4. Квантова хромодинаміка
Наступний крок на шляху Великого об'єднання фундаментальних взаємодій - злиття сильної взаємодії з електрослабких. Для цього необхідно додати риси калібрувального поля сильному взаємодії і ввести узагальнене уявлення про ізотопічний симетрії. Сильна взаємодія можна представляти як результат обміну глюонами, який забезпечує зв'язок кварків (попарно або трійками) в адрони.
Задум тут полягає в наступному. Кожен кварк має аналогом електричного заряду, службовцям джерелом глюонного поля. Його назвали кольором (Зрозуміло, ця назва не має ніякого відношення до звичайного кольору). Якщо електромагнітне поле породжується зарядом тільки одного сорту, то для створення більш складного глюонного поля треба було три різних колірних заряду. Кожен кварк "забарвлений" в один з трьох можливих кольорів, які абсолютно довільно були названі червоним, зеленим і синім. І відповідно антикварки бувають антікрасние, антизелена і антісініе.
На наступному етапі теорія сильної взаємодії розвивається за тією ж схемою, що й теорія слабкої взаємодії. Вимога локальної калібрувальної симетрії (тобто інваріантності відносно змін кольору в кожній точці простору) призводить до необхідності введення компенсуючих силових полів. Всього потрібно вісім нових компенсуючих силових полів. Частинками - переносниками цих полів є глюони, і, таким чином, з теорії випливає, що повинно бути цілих вісім різних типів глюонів. (У той час як переносник електромагнітного взаємодії - всього лише один (фотона), а переносників слабкої взаємодії - три.) Глюон мають нульову масу спокою і спін 1. Глюони також мають різні кольори, але не чисті, а змішані (наприклад, синьо-антизелена). Тому, випускання або поглинання глюони супроводжується зміною кольору кварка ("гра кольорів"). Так, наприклад, червоний кварк, втрачаючи червоно-антісіній глюон, перетворюється в синій кварк, а зелений кварк, поглинаючи синьо-антизелена глюон, перетворюється в синій кварк. У протоні, наприклад, три кварка постійно обмінюються глюонами, змінюючи свій колір. Однак такі зміни мають не довільний характер, а підкоряються жорсткого правилом: у будь-який момент часу "сумарний" колір трьох кварків повинен являти собою білий світ, тобто суму "червоний + зелений + синій". Це поширюється і на мезони, що складаються з пари кварк - антікварк. Оскільки антікварк характеризується антіцветом, така комбінація завідомо безбарвна ("біла"), наприклад червоний кварк в комбінації з антікрасним кварком утворює безбарвний мезон.
З точки зору квантової хромодинаміки (квантової теорії кольору) сильне взаємодія є не що інше, як прагнення підтримувати певну абстрактну симетрію природи: збереження білого кольору всіх адронів при зміні кольору їх складових частин. Квантова хромодинаміка чудово пояснює правила, яким підкоряються всі комбінації кварків, взаємодія глюонів між собою (глюон може розпадатися на два глюони або два глюони злити в один - тому і з'являються нелінійні члени в рівнянні глюонного поля), складну структуру адронів, що складається з "одягнених" в хмари кварків і ін
Можливо, поки передчасно оцінювати квантової хромодинаміки як остаточну і завершену теорію сильної взаємодії, тим не менш її досягнення багатообіцяючі.
3.5. На шляху до .. Великому об'єднанню
Зі створенням квантової хромодинаміки з'явилася надія на створення єдиної теорії всіх (або хоча б трьох з чотирьох) фундаментальних взаємодій. Моделі єдиним чином описують хоча б три з чотирьох фундаментальних взаємодій, називаються моделями Великого об'єднання. Теоретичні схеми, в рамках яких об'єднуються всі відомі типи взаємодій (сильна, слабка, електромагнітне і гравітаційне) називаються моделями супергравітації.
Досвід успішного об'єднання слабкого та електромагнітного взаємодій на основі ідеї калібрувальних полів підказав можливі шляхи подальшого розвитку принципу єдності фізики, поєднання фундаментальних фізичних взаємодій. Один з них заснований на тому дивовижний факт, що константи взаємодії електромагнітного, слабкої і сильної взаємодій стають рівними один одному при одній і тій же енергії. Цю енергію називали енергією об'єднання. При енергії більш 1 0 n ГеВ, де n = 1 4 або на відстанях r <1 0 n см, де n = - 2 9, сильні і слабкі взаємодії описуються єдиної константою, тобто мають спільну природу. Кварки і лептони тут практично не помітні.
У 70-90-і роки було розроблено кілька конкуруючих між собою теорій Великого об'єднання. Всі вони засновані на одній і тій же ідеї. Якщо електрослабкої і сильну взаємодії в дійсності є лише дві сторони великого єдиного взаємодії, то останньому також має відповідати каліброване поле з деякою складною симетрією. Вона повинна бути досить загальної, здатної охопити всі калібрувальні симетрії, що містяться і в квантовій хромодинамике і в теорії електрослабкої взаємодії. Відшукування такої симетрії - головна задача на шляху створення єдиної теорії сильного і електрослабкої взаємодії. Існують різні підходи, які породжують конкуруючих варіанти теорій Великого об'єднання.
Тим не менше всі ці гіпотетичні варіанти Великого об'єднання мають ряд загальних особливостей.
По - перше, у всіх гіпотезах кварки і лептони - носії сильного і електрослабкої взаємодій - включаються в єдину теоретичну схему. До цих пір вони розглядалися як абсолютно різні об'єкти.
По - друге, залучення абстрактних калібрувальних симетрій призводить до відкриття нових типів полів, що володіють новими властивостями, наприклад здатність перетворювати кварки в лептони. У найпростішому варіанті теорії Великого об'єднання для перетворення кварків в лептони потрібно двадцять чотири поля. Дванадцять з квантів ці полів уже відомі: фотон, дві W-частинки, Z-частинки і вісім глюонів. Інші дванадцять квантів - нові надважкі проміжні бозони, об'єднані загальною назвою Х і У-частинки (з електричним зарядом 1 / 3 і 4 / 3). Ці кванти відповідають полям, що підтримує більш широку калібрувальну симетрію і перемішуючим кварки з лептона. Отже, кванти цих полів (тобто Х і У-частинки) можуть перетворювати кварки в лептони (і навпаки).
На основі теорій Великого об'єднання передбачені принаймні дві важливі закономірності, які можуть і повинні бути перевірені експериментально: нестабільність протона і існування магнітних монополів. Експериментальне виявлення розпаду протона і магнітних монополів могло б стати вагомим доказом на користь теорій Великого об'єднання. На перевірку цих передбачень спрямовані зусилля експериментаторів. Але поки ще твердо встановлених експериментальних даних на цей рахунок немає. Справа в тому, що теорії Великого об'єднання мають справу з енергією частинок вище 1 0 n ГеВ, де n = 1 4. Це дуже висока енергія. Важко сказати, коли вдасться отримати частки таких високих енергій в прискорювачах. Цим пояснюється, зокрема, труднощі виявлення Х і У-бозонів. І тому основною областю застосування і перевірки теорій Великого об'єднання є космологія. Без цих теорій неможливо описати ранню стадію еволюції Всесвіту, коли температура первинної плазми досягала 1 0 n К, де n = 2 7. Саме в таких умовах могли народжуватися і анігілювати.
Алексєєв В.П. Становлення людства. М., 1984. Бор Н. Атомна фізика і людське пізнання. М., 1961 Борн М. ейнштейнівської теорія относітельності.М., 1964.
Вайнберг С. Перші три хвилини. Сучасний погляд на походження Всесвіту. М., 1981.
Гінзбург В.Л.О теорії відносності. М., 1979.
Дорфман Я.Г. Всесвітня історія фізики з початку 19 століття до середини 20 століття. М., 1979.
Кемп П., Армс К. Введення в біологію. М., 1986.
Кемпфер Ф. Шлях в сучасну фізику. М., 1972.
Лібберт Е. Загальна біологія. М., 1978 Льоцці М. Історія фізики. М., 1972.
Мойсеєв М.М. Людина і біосфера. М., 1990.
Меріон Дж. Б. Фізика і фізичний світ. М., 1975
Найдиш В.М. Концепції сучасного природознавства. Навчальний посібник. М., 1999.
Небел Б. Наука про навколишнє середовище. Як влаштований світ. М., 1993.
Ніколіс Г., Пригожин І. Пізнання складного. М., 1990.
Пригожин І., Стенгерс І. Порядок з хаосу. М., 1986.
Пригожин І., Стенгерс І. Час, Хаос і Квант. М., 1994.
Пригожин І. Від існуючого до виникає. М., 1985.
Стьопін В.С. Філософська антропологія та філософія науки. М., 1992.
Фейнберг Є.Л. Дві культури. Інтуїція і логіка в мистецтві та науці. М., 1992.
Фролов І.Т. Перспективи людини. М., 1983.
Перш за все про те, що розуміється під симетрією. Прийнято вважати, що предмет має симетрією, якщо предмет залишається незмінним у результаті проведення тієї чи іншої операції по його перетворенню. Так, сфера симетрична, бо виглядає однаково при повороті на будь-який кут щодо її центру. Закони електрики симетричні щодо заміни позитивних зарядів негативними і навпаки. Таким чином, під симетрією ми розуміємо інваріантність щодо певної операції.
Існують різні типи симетрій: геометричні, дзеркальні, негеометріческіе. Серед негеометріческіх є так звані калібрувальні симетрії. Калібрувальні симетрії носять абстрактний характер і безпосередньо не фіксуються. Вони пов'язані зі зміною відліку рівня, масштабу або значення деякої фізичної величини. Система має калібрувальної симетрією, якщо її природа залишається незмінною при такого роду перетворення. Так, наприклад, у фізиці робота залежить від різниці висот, а не від абсолютної висоти; напруга - від різниці потенціалів, а не від їх абсолютних величин та ін Симетрії, на яких заснований перегляд розуміння чотирьох фундаментальних взаємодій, саме такого роду. Калібрувальні перетворення можуть бути глобальними і локальними. Калібрувальні перетворення, що змінюються від точки до точки, відомі під назвою "локальних" калібрувальних перетворень. У природі існує цілий ряд локальних калібрувальних симетрій і необхідне відповідне число полів для компенсації цих калібрувальних перетворень. Силові поля можна розглядати як засіб, за допомогою якого в природі створюються властиві їй локальні калібрувальні симетрії. Значення концепції калібрувальної симетрії полягає в тому, що завдяки їй теоретично моделюються всі чотири фундаментальні взаємодії, що зустрічаються в природі. Усі їх можна розглядати як калібрувальні поля.
Представляючи слабка взаємодія у вигляді калібрувального поля, фізики виходять з того, що всі частинки, що беруть участь у слабкій взаємодії, служать джерелами поля нового типу - поля слабких сил. Слабо взаємодіючі частинки, такі, як електрони і нейтрино, є носіями "слабкого заряду", який аналогічний електричному заряду і пов'язує ці частинки зі слабким полем.
Для представлення поля слабкої взаємодії як калібрувального перш за все необхідно встановити точну форму відповідної калібрувальної симетрії. Справа в тому, що симетрія слабкої взаємодії набагато складніше електромагнітного. Адже і сам механізм цієї взаємодії виявляється більш складним. По-перше, при розпаді нейтрона, наприклад, у слабкій взаємодії беруть участь частки принаймні чотирьох різних типів (нейтрон, протон, електрон і нейтрино). По-друге, дія слабких сил призводить до зміни їх природи (перетворенню одних частинок в інші за рахунок слабкої взаємодії). Навпаки, електромагнітне взаємодія не змінює природи беруть участь у ньому часток.
Це визначає ту обставину, що слабкій взаємодії відповідає більш складна калібрувальна симетрія, пов'язана зі зміною природи частинок. З'ясувалося, що для підтримки симетрії тут необхідні три нових силових поля, на відміну від єдиного електромагнітного поля. Було отримано і квантове опис цих трьох полів: повинні існувати три нових типи частинок - переносників взаємодії, по одному для кожного поля. Всі весті вони називаються важкими векторними бозонами зі спіном 1 і є переносниками слабкої взаємодії.
Частинки W + і W - є переносниками двох з трьох пов'язаних зі слабким взаємодією полів. Третє поле відповідає електрично нейтральної частинки-переносники, що отримала назву Z-частинки. Існування Z-частинки означає, що слабка взаємодія може не супроводжуватися перенесенням електричного заряду.
У створенні теорії електрослабкої взаємодії ключову роль зіграло поняття спонтанного порушення симетрії: не всяке рішення задачі зобов'язане мати всі властивостями його вихідного рівня. Так, частки, зовсім різні при низьких енергіях, при високих енергіях можуть виявитися насправді однієї і тієї ж часткою, але перебуває в різних станах. Спираючись на ідею спонтанного порушення симетрії, автори теорії електрослабкої взаємодії Вайнберг і Салам зуміли вирішити велику теоретичну проблему - вони поєднали здавалося б несумісні речі (значна маса носіїв слабкої взаємодії, з одного боку, і ідею калібрувальної інваріантності, яка передбачає дальнодіючих характер калібрувального поля, а значить нульову масу спокою частинок-переносників, з іншого) і таким чином з'єднали електромагнетизм і слабку взаємодію в єдиній теорії калібрувального поля.
У цій теорії представлено всього чотири поля: електромагнітне поле і три поля, відповідні слабким взаємодіям. Крім того, введено постійне на всьому просторі скалярний поле (т. зв. Поля Хіггса), з яким частки взаємодіють по різному, що й визначає відмінність їх мас. (Кванти скалярного поля являють собою нові елементарні частинки з нульовим спіном. Їх називають хіггсівський (на ім'я фізика П. Хіггса, який припустив їх існування). Число таких хіггсівський бозонів може досягати декількох десятків. На досвіді такі бозони поки не виявлені. Більш того, ряд фізиків вважає їх існування необов'язковим, але досконалої теоретичної моделі без хіггсовскміх бозонів поки не знайдено) Спочатку W і Z-кванти не мають маси, але порушення симетрії призводить до того, що деякі частинки Хіггса зливаються з W і Z-частинками, наділяючи їх масою.
Відмінності властивостей електромагнітної і слабкої взаємодій теорія пояснює порушенням симетрії. Якби симетрія не порушувалася, то обидва взаємодії було б порівняти за величиною. Порушення симетрії тягне за собою різке зменшення слабкої взаємодії. Можна сказати, що слабка взаємодія має настільки малу величину тому, що W і Z-частинки дуже масивні. Лептони рідко зближуються на настільки малі відстані (r <1 0 n див., де n = - 1 6). Але при великих енергіях (> 1 0 0 Гев), коли частки W і Z можуть вільно народжуватися, обмін W і Z бозонами здійснюється так само легко, як і обмін фотонами (безмасові частками). Різниця між фотонами і бозонами стірается.В цих умовах має існувати повна симетрія між електромагнітним і слабкою взаємодією - електрослабкої взаємодію.
Перевірка нової теорії полягала в підтвердженні існування гіпотетичних W і Z-частинок. Їх відкриття стало можливим тільки зі створенням дуже великих прискорювачів новітнього типу. Відкриття в 1983 р. W і Z-частинок означало торжество теорії електрослабкої взаємодії. Не було більше потреби говорити про чотири фундаментальних взаємодіях. Їх залишилося три.
3.4. Квантова хромодинаміка
Наступний крок на шляху Великого об'єднання фундаментальних взаємодій - злиття сильної взаємодії з електрослабких. Для цього необхідно додати риси калібрувального поля сильному взаємодії і ввести узагальнене уявлення про ізотопічний симетрії. Сильна взаємодія можна представляти як результат обміну глюонами, який забезпечує зв'язок кварків (попарно або трійками) в адрони.
Задум тут полягає в наступному. Кожен кварк має аналогом електричного заряду, службовцям джерелом глюонного поля. Його назвали кольором (Зрозуміло, ця назва не має ніякого відношення до звичайного кольору). Якщо електромагнітне поле породжується зарядом тільки одного сорту, то для створення більш складного глюонного поля треба було три різних колірних заряду. Кожен кварк "забарвлений" в один з трьох можливих кольорів, які абсолютно довільно були названі червоним, зеленим і синім. І відповідно антикварки бувають антікрасние, антизелена і антісініе.
На наступному етапі теорія сильної взаємодії розвивається за тією ж схемою, що й теорія слабкої взаємодії. Вимога локальної калібрувальної симетрії (тобто інваріантності відносно змін кольору в кожній точці простору) призводить до необхідності введення компенсуючих силових полів. Всього потрібно вісім нових компенсуючих силових полів. Частинками - переносниками цих полів є глюони, і, таким чином, з теорії випливає, що повинно бути цілих вісім різних типів глюонів. (У той час як переносник електромагнітного взаємодії - всього лише один (фотона), а переносників слабкої взаємодії - три.) Глюон мають нульову масу спокою і спін 1. Глюони також мають різні кольори, але не чисті, а змішані (наприклад, синьо-антизелена). Тому, випускання або поглинання глюони супроводжується зміною кольору кварка ("гра кольорів"). Так, наприклад, червоний кварк, втрачаючи червоно-антісіній глюон, перетворюється в синій кварк, а зелений кварк, поглинаючи синьо-антизелена глюон, перетворюється в синій кварк. У протоні, наприклад, три кварка постійно обмінюються глюонами, змінюючи свій колір. Однак такі зміни мають не довільний характер, а підкоряються жорсткого правилом: у будь-який момент часу "сумарний" колір трьох кварків повинен являти собою білий світ, тобто суму "червоний + зелений + синій". Це поширюється і на мезони, що складаються з пари кварк - антікварк. Оскільки антікварк характеризується антіцветом, така комбінація завідомо безбарвна ("біла"), наприклад червоний кварк в комбінації з антікрасним кварком утворює безбарвний мезон.
З точки зору квантової хромодинаміки (квантової теорії кольору) сильне взаємодія є не що інше, як прагнення підтримувати певну абстрактну симетрію природи: збереження білого кольору всіх адронів при зміні кольору їх складових частин. Квантова хромодинаміка чудово пояснює правила, яким підкоряються всі комбінації кварків, взаємодія глюонів між собою (глюон може розпадатися на два глюони або два глюони злити в один - тому і з'являються нелінійні члени в рівнянні глюонного поля), складну структуру адронів, що складається з "одягнених" в хмари кварків і ін
Можливо, поки передчасно оцінювати квантової хромодинаміки як остаточну і завершену теорію сильної взаємодії, тим не менш її досягнення багатообіцяючі.
3.5. На шляху до .. Великому об'єднанню
Зі створенням квантової хромодинаміки з'явилася надія на створення єдиної теорії всіх (або хоча б трьох з чотирьох) фундаментальних взаємодій. Моделі єдиним чином описують хоча б три з чотирьох фундаментальних взаємодій, називаються моделями Великого об'єднання. Теоретичні схеми, в рамках яких об'єднуються всі відомі типи взаємодій (сильна, слабка, електромагнітне і гравітаційне) називаються моделями супергравітації.
Досвід успішного об'єднання слабкого та електромагнітного взаємодій на основі ідеї калібрувальних полів підказав можливі шляхи подальшого розвитку принципу єдності фізики, поєднання фундаментальних фізичних взаємодій. Один з них заснований на тому дивовижний факт, що константи взаємодії електромагнітного, слабкої і сильної взаємодій стають рівними один одному при одній і тій же енергії. Цю енергію називали енергією об'єднання. При енергії більш 1 0 n ГеВ, де n = 1 4 або на відстанях r <1 0 n см, де n = - 2 9, сильні і слабкі взаємодії описуються єдиної константою, тобто мають спільну природу. Кварки і лептони тут практично не помітні.
У 70-90-і роки було розроблено кілька конкуруючих між собою теорій Великого об'єднання. Всі вони засновані на одній і тій же ідеї. Якщо електрослабкої і сильну взаємодії в дійсності є лише дві сторони великого єдиного взаємодії, то останньому також має відповідати каліброване поле з деякою складною симетрією. Вона повинна бути досить загальної, здатної охопити всі калібрувальні симетрії, що містяться і в квантовій хромодинамике і в теорії електрослабкої взаємодії. Відшукування такої симетрії - головна задача на шляху створення єдиної теорії сильного і електрослабкої взаємодії. Існують різні підходи, які породжують конкуруючих варіанти теорій Великого об'єднання.
Тим не менше всі ці гіпотетичні варіанти Великого об'єднання мають ряд загальних особливостей.
По - перше, у всіх гіпотезах кварки і лептони - носії сильного і електрослабкої взаємодій - включаються в єдину теоретичну схему. До цих пір вони розглядалися як абсолютно різні об'єкти.
По - друге, залучення абстрактних калібрувальних симетрій призводить до відкриття нових типів полів, що володіють новими властивостями, наприклад здатність перетворювати кварки в лептони. У найпростішому варіанті теорії Великого об'єднання для перетворення кварків в лептони потрібно двадцять чотири поля. Дванадцять з квантів ці полів уже відомі: фотон, дві W-частинки, Z-частинки і вісім глюонів. Інші дванадцять квантів - нові надважкі проміжні бозони, об'єднані загальною назвою Х і У-частинки (з електричним зарядом 1 / 3 і 4 / 3). Ці кванти відповідають полям, що підтримує більш широку калібрувальну симетрію і перемішуючим кварки з лептона. Отже, кванти цих полів (тобто Х і У-частинки) можуть перетворювати кварки в лептони (і навпаки).
На основі теорій Великого об'єднання передбачені принаймні дві важливі закономірності, які можуть і повинні бути перевірені експериментально: нестабільність протона і існування магнітних монополів. Експериментальне виявлення розпаду протона і магнітних монополів могло б стати вагомим доказом на користь теорій Великого об'єднання. На перевірку цих передбачень спрямовані зусилля експериментаторів. Але поки ще твердо встановлених експериментальних даних на цей рахунок немає. Справа в тому, що теорії Великого об'єднання мають справу з енергією частинок вище 1 0 n ГеВ, де n = 1 4. Це дуже висока енергія. Важко сказати, коли вдасться отримати частки таких високих енергій в прискорювачах. Цим пояснюється, зокрема, труднощі виявлення Х і У-бозонів. І тому основною областю застосування і перевірки теорій Великого об'єднання є космологія. Без цих теорій неможливо описати ранню стадію еволюції Всесвіту, коли температура первинної плазми досягала 1 0 n К, де n = 2 7. Саме в таких умовах могли народжуватися і анігілювати.
Список літератури
Азімов А. Коротка історія біології. М., 1967.Алексєєв В.П. Становлення людства. М., 1984. Бор Н. Атомна фізика і людське пізнання. М., 1961 Борн М. ейнштейнівської теорія относітельності.М., 1964.
Вайнберг С. Перші три хвилини. Сучасний погляд на походження Всесвіту. М., 1981.
Гінзбург В.Л.О теорії відносності. М., 1979.
Дорфман Я.Г. Всесвітня історія фізики з початку 19 століття до середини 20 століття. М., 1979.
Кемп П., Армс К. Введення в біологію. М., 1986.
Кемпфер Ф. Шлях в сучасну фізику. М., 1972.
Лібберт Е. Загальна біологія. М., 1978 Льоцці М. Історія фізики. М., 1972.
Мойсеєв М.М. Людина і біосфера. М., 1990.
Меріон Дж. Б. Фізика і фізичний світ. М., 1975
Найдиш В.М. Концепції сучасного природознавства. Навчальний посібник. М., 1999.
Небел Б. Наука про навколишнє середовище. Як влаштований світ. М., 1993.
Ніколіс Г., Пригожин І. Пізнання складного. М., 1990.
Пригожин І., Стенгерс І. Порядок з хаосу. М., 1986.
Пригожин І., Стенгерс І. Час, Хаос і Квант. М., 1994.
Пригожин І. Від існуючого до виникає. М., 1985.
Стьопін В.С. Філософська антропологія та філософія науки. М., 1992.
Фейнберг Є.Л. Дві культури. Інтуїція і логіка в мистецтві та науці. М., 1992.
Фролов І.Т. Перспективи людини. М., 1983.