Добро пожаловать в путешествие длиною в ни одну жизнь. Сегодня мы поговорим о том, как человек шел к пониманию строения вещества: от чисто умозрительных теорий к экспериментам и глухой математике, квантовой механике. В первой половине будет гораздо больше истории, нежели физики, однако не отчаивайтесь: мы все наверстаем. В статье не будет задействована сколько-нибудь сложная математика для доказательства чего-то – это уже сделано до нас. Наша же задача ввести вас в физику частиц.
НА ПУТИ К ИДЕЕ ОБ АТОМЕ
ВСЁ НА СВЕТЕ – РАЗНЫЕ ПРОЯВЛЕНИЯ ОДНОГО И ТОГО ЖЕ.
Пауло Коэльо. «Алхимик»
Как только первобытный человек вышел за пределы первых ступеней пирамиды Маслоу, в его голове зазвучали вопросы. Почему вода течет сверху вниз, почему камень твердый и из чего он, в конце концов, состоит? На третий вопрос попытаемся дать ответ сегодня, прошагав весь путь из древности в эпоху квантовых компьютеров.
В ранней античности жил некий Анаксимандр. Жил он около 610 — 547/540 гг. до н. э., но источников и трудов достоверно принадлежащих ему не осталось. Принес в философию Анаксимандр одну очень простую, но интересную идею. Идею, что все вещество – это проявление одного единственного простейшего правещества – айперона. Беспредельного, бесформенного самого по себе, но составляющего все на свете. Любой предмет окружающего мира, согласно его учению – это проявление этого вещества.
Один из основных вопросов античной философии это, что является строительным кирпичиком всего мира, какими свойствами оно обладает? Оно всегда находится в движении и изменении или нерушимо и совершенно? Гераклит стоял на позиции, что мир находится в перманентном изменении. Его оппонентом был Парменид со знаменитой дилеммой об Ахиллесе и черепахе, настаивавший, что есть нечто неизменное в этом мире.
Интегрировал эти два противоположных подхода Демокрит, взяв при этом за основу наличие некоторого вещества составляющего весь видимый мир. Его учение гласит, что все на свете меняется, но состоит из неделимых, простейших составляющих – атомов.
Эта теория стала одной из самых распространенных, хотя и не отвечает на два главных вопроса: каковы доказательства, что все состоит именно из неких «атомов» и неужели не имеется ничего меньше? А, самое главное, какие у них свойства? Какова физика частиц из которых построен весь мир вокруг?
Средневековье стало благодатной эпохой для первичного сбора материала по строению вещества. Так или иначе, алхимия сделала свой вклад в понимание структуры вещества. Католические Университеты стали средоточием знаний своего времени, которые стали базой для зарождения Наук.
Так или иначе, первые к структуре вещества подобрались химики.
ЭПОХА СОТВОРЕНИЯ НАУЧНОЙ СИСТЕМЫ КООРДИНАТ
«Мне представляется, что бог с самого начала сотворил вещество в виде твердых, весомых, непроницаемых, подвижных частиц и что этим частицам он придал такие размеры, такую форму и такие другие свойства и создал их в таких относительных количествах, как ему нужно было для той цели, для которой он их сотворил. … Именно потому, что сами частицы остаются целыми и неизменными, они могут образовать тела, обладающие той же самой природой и тем же строением во веки веков; ведь если бы частицы изнашивались или разбивались на части, то зависящая от них природа вещей изменилась бы.»
Исаак Ньютон.
Век семнадцатый ознаменовал эпоху систематизации научных знаний. Разрозненные алхимические трактаты сменились первыми попытками разобраться с вопросом «какими свойствами должны обладать атомы?».
Роберт Бойль в «Скептическом химике» 1661 года заложил основы химии, разделив вещества на простые, состоящие из атомов одного элемента, и совершенные смеси, состоящие из разных частиц образованных одними и теми же атомами. Однако, его попытки разобраться «какие же вещества простые, а какие сложные?» били мимо цели. Вода оказалась веществом простым, а железо, ртуть и золото сложными.
Эпоха масштабных европейских баталий подарила миру «Новую системы химической философии» Джона Дальтона 1808 года. Новый Роберт Бойль пусть и повторил основные принципы «скептического химика», но смог попасть почти в цель с численными значениями! За 147 лет уже стало понятно, какие вещества простые, а какие сложные. Осталось разобраться с тем, как эти атомы друг от друга отличаются.
Рукопись «Опыта системы элементов, основанной на их атомном весе и химическом сходстве» Проведя серию экспериментов Дальтон первый попытался систематизировать атомы по массе. В каком-то смысле ему это удалось. Однако, от современных данных его табличка несколько отличается. Все-таки, первые эксперименты были выполнены очень приблизительно.
Точной наукой химия стала лишь благодаря Якобу Берцелиусу. За свою жизнь он проанализировал больше 2 тысяч химических соединений, заложив основы современной химии. Современные результаты отличаются от опытов Берцелиуса на 1-2%.
Примечание: массы молекул измеряют в Атомных Единицах Массы или а.е.м. Для измерения количества вещества используют моли. Вес одного моля вещества в граммах численно равен массе молекулы в а.е.м. 1 а.е.м. равна 1/12 от массы покоящегося атома углерода. Атом углерода ”весит” 12 а.е.м. 1 Моль углерода будет содержать 12 грамм.
Роберт Бойль не считал атомы неделимыми по условию. Он предполагал, что пусть обычными химическими методами нельзя превращать один элемент в другой, может быть найден некий «столь сильный и тонкий агент», которым можно будет их расщеплять и синтезировать. В подтверждение этой теории было то, что почти все атомы имеют целочисленную массу(исключением, например, является хлор, имеющий два распространенных изотопа, дающих дробное значение(35,45 а.е.м.)).
Указал на это Уильям Праут в «Философских анналах». Логично предположить, что любой атом можно сложить из необходимого количества водорода. Или разложить. Например, ртуть на золото и водород. Неужели давняя мечта алхимиков не так нереальна? Тогда почему ни в одном химическом опыте не наблюдается процесс трансмутации одного элемента в другой? Ответ Праута был прост: когда несколько атомов сцепляются, чтобы образовать новый, связь между ними гораздо больше, нежели при образовании химической реакции.
Кульминацией попыток систематизации стала таблица Менделеева, в которой была проведена связь между атомными массами и химическими свойствами элементов. В дальнейшем было объяснено и увеличение массы больше, чем на 1 а.е.м. у разных элементов, открыты изотопы.
СЛОЖНОЕ СТРОЕНИЕ АТОМА
Так или иначе, систематизировать химические элементы по разным признакам человечеству удалось. Однако, остался нерешенный вопрос: существует ли некая структура атома или он и вправду неделим. Подсказкой послужили два явления: ионизация электролитов в растворах и расщепление радиоактивного потока.
В 1833 году Михаил Фарадей при изучении явления электролиза экспериментально выяснил, что существует простейший переносчик электрического взаимодействия, электрический флюид. Экспериментально было вычислено, что для того, чтобы выделился один грамм водорода, необходимо пропустить сквозь электролит строго определенный электрический заряд в 96500 Кулон. При этом, для получения разных веществ путем электролиза в количестве одного моля необходимо пропустить столько же тока. Таким образом, стало понятно, что каждый элемент переносит некий простейший электрический заряд, равный 1.60217662×10^(−19)Кл.
Однако, с некоторым веществами эта теория дала сбой. Например, в случае с Магнием необходимо вдвое большее количество заряда. Ответом могло быть лишь то, что в Магнии имеется два свободно отрывающихся переносчика электрического взаимодействия.
Это стало одновременно и главнейшим доказательством атомистической теории и ударом ниже пояса по ее главному постулату – неделимости атома.
Пьер и Мария Кюри при исследовании радиоактивности нашли еще подтверждение данной теории. Излучаемый поток при воздействии на него магнитного поля разделялся. В опытах супругов магнитное поле не отличалось силой. Посему отклонял лишь легкие отрицательно заряженные частицы – электроны.
Однако, уже в опытах Резерфорда и Содди с гораздо более мощным магнитным полем, удалось разделить оставшийся не отклоненный пучок. Часть его направилась в противоположную отрицательно заряженному потоку, однако гораздо слабее. Это говорило о том, что электромагнитная сила воздействующая на поток придавала меньшее ускорение по оси х. Из этого следует, что если этот поток, α, состоит из частиц, то их масса выше, чем масса частиц отклоняемых в опыте Кюри. Как было доказано с помощью спектрального анализа, α-излучение оказалось потоком ядер гелия.
Не отклоненный же поток, соответственно, не имел заряда. Позднее было доказано, что это такой же электромагнитный поток, как и видимый нами свет.
На основании этих удивительных явлений была создана первая близкая к реальности модель атома, более известная как модель Атома Резерфордфа или планетарная.
Тяжелое положительно заряженное ядро в центре и отрицательно заряженные электрончики летающие по орбитам. Попытки применить к этому строению законы механики и электродинамики не увенчались успехом. По идее, электрон вращающийся по орбите должен растрачивать свою энергию на излучение, теряя скорость, как и любой другой массивный заряженный объект движущийся с ускорением. Однако, в таком случае скорость электрона будет постоянно уменьшаться и, как только центробежная сила перестанет уравновешиваться силой электромагнитного притяжения, электрон просто упадет на положительно заряженное ядро.
Решить эту проблему полностью смогла лишь квантовая механика, базирующаяся на принципе корпускулярноволнового дуализма. Идее, что частицы микромира являются одновременно и частицей и волной. Однако, если предположить что в атоме существуют базовые орбиты, по которым электрон может передвигаться без потери энергии, проблема решается.
Для перехода между орбитами электрон должен поглотить электромагнитную волну, фотон определенной энергии соответствующий данному фазовому переходу. Энергия фотона же равна E = hv, где v – частота колебания частицы, а h – постоянная Планка, константа. При переходе на более близкие к центру орбиты электрон испускает квант света определенной частоты. В случае, если электрон поглощает фотон с достаточной энергией, он может оторваться, превратив атом в ион. Данное явление было названо внешним фотоэффектом. За работу над ним Эйнштейн получил Нобелевскую премию, а формула внешнего фотоэффекта носит его имя. Согласно формуле, энергия фотона расходуется непосредственно на отрыв электрона и кинетическую энергию электрона:
[8]
Аналогично, при увеличении энергии вещества(например, при пропускании электрического тока), вещество будет излучать электромагнитное излучение определенной частоты. Примером данного явления могут послужить грозовые молнии и неоновые вывески.
На этом базируется принцип спектрального анализа: для определения состава вещества можно зафиксировать характеристики излучения и с высокой точностью определить какие элементы присутствуют в предмете исследования.
ПУТЕШЕСТВИЕ К ЦЕНТРУ ЯДРА
Определенный период времени в физике господствовала электрон-протонная модель ядра. Согласно ей ядро составляли положительно заряженные протоны и уравновешивающие силы отталкивания электроны. Тут мы встречаемся с понятием, которое не будет рассматриваться подробно: со спином. Это собственный момент импульса микрочастицы, не имеющий интерпретации в макромире, имеющий квантовую природу.
Согласно расчетам для электрон-протонной модели ядра значение спина для ядра почти всегда отличается от действительного. Это навевает на мысль, что существует некая частица с близкой к протону массой, таким же спином(только при данном условии модель могла выполнять условие по спиновому значению) и не имеющая электрического заряда.
В 1932 году англичанин Джеймс Чедвик проанализировал с помощью законов сохранения энергии и импульса излучение ядер отдачи азота и водорода. Согласно расчетам, этот поток представлял из себя поток незаряженных частиц с массой отличающейся от массы протона на 2.5 массы электрона. Называть эту частицу стали нейтрон.
Когда мы говорим, что после распада некоей частицы, появляются такие-то частицы, особо интересен вопрос: как же мы зарегистрировали эти частицы, почему мы уверены в том, что эти частицы действительно существуют. Ведь, зачастую, мы даже не можем увидеть открытые частицы в микроскоп. Рассмотрим вопрос регистрации частиц на примере поисков продуктов распада нейтрона.
В поисках нейтрино
Стандартная схема распада нейтрона на протон и электрон имеет небольшую проблему: согласно формуле Эйнштейна E = mc2 кинетической энергии продуктов распада не хватает, чтобы уравновесить энергию покоя нейтрона. Отличие массы нейтрона от протона – 2.5 массы электрона. Т.е. энергия связи должна быть равна массе 1.5 электрона. Однако, скорости протона и электрона после распада не хватало, чтобы уравновесить данную систему. Логично предположить, что какая-то частица не была учтена.
Согласно расчетам она должна была либо вовсе не иметь массы, либо иметь массу очень маленькую. В связи с тем, что частица была электрически нейтральной, сама по себе ионизировать что либо она не могла. Для регистрации нейтрино используются два принципиально разных подхода. Один из них подразумевает промежуточное звено, дополнительную реакцию, продукты которой зарегистрировать мы уже можем. А второй подразумевает измерение кинетической энергии частиц столкнувшихся с нейтрино.
1) Радиохимический метод
В случае захвата нейтрино ядром может быть испущен электрон с определенным электромагнитным излучением, которое уже зарегистрировать реально. Это принцип радиохимического метода, с промежуточной реакцией. Вот пример реакции, при которой нейтрино захватывается ядром хлора с испусканием электрона с определенным электромагнитным излучением, которое мы уже можем зарегистрировать. Минусом метода является меньшая точность, ввиду наличия промежуточной реакции:
2) Метод рассеяния на электронах
В противовес ему существует метод рассеяния. Нейтрино сталкивается с электроном, и по изменению импульса электрона мы можем говорить о характеристиках нейтрино. Его плюс в том, что изменение импульса регистрируется напрямую, по изменению скорости электрона:
Фотоумножители
Однако, есть существенная проблема при нахождении неуловимых частиц. Энергии не хватает на ионизацию достаточную для регистрации. Надо каким-то образом усилить сигнал. Тут на помощь приходят фотоумножители. Они используются для регистрации частиц неотличимых от фона, а то и вовсе не регистрирующихся ввиду энергии не достаточной для «выбивания электрона». Устройство светоумножителей примерно следующее: фоточувствутельный материал находится под напряжением. Когда в него врезается частица малой энергии из него вырывается электрон(за счет высокого напряжения сделать это проще). Но, так как запечатлеть столь малое возмущение (1.6 ∗ 10−19Джоуля) мы не можем, процедуру приходится повторять.
Электроны вырванные на первом этапе ударяются о поверхность следующей фоточувствительной пластины под напряжением, оттуда вылетает больше электронов и так пока не получится необходимое нам приближение.
Естественный ускоритель
Для того, чтобы какая-либо частица родилась, необходимо либо чтобы что-нибудь распалось, либо что-то с чем-то столкнуть на скоростях достаточных, чтобы кинетической энергии хватило на энергию покоя частицы.
В нашем мире есть естественный ускоритель частиц – это сам космос. И первое, чем занялись люди – это регистрацией частиц летящих из космоса. Судьба не обошла и нейтрино. Для того, чтобы его поймать, нужны очень передовые методы детекции. Но не в этом вся проблема. Помните треки фотоэмульсии в учебниках школьной физики? Как в условиях огромного количества помех отличить частицу несомненно меньшей энергии? Только попробовать эксперимент изолировать от лишнего излучения.
Лаборатории для детекции нейтрино – огромные подземные помещения с огромными фотоумножителями. Изучение нейтрино умело огромное значение для физики, так как дал ученым опыт детектирования косвенными методами, без которого невозможно было бы дальнейшее продвижение.
Как было сказано ранее, космос является естественным ускорителем, частицы движутся на скоростях приближенных к световым. А, так как на скоростях приближенных к световой время идет с гораздо меньшей скоростью, многие частицы быстро распадающиеся в условиях малых скоростей живут достаточно для регистрации, что очень важно для изучения частиц с очень малым временем жизни.
ВИДЫ ВЗАИМОДЕЙСТВИЙ
Уникальные взаимодействия внутри ядра делят на два типа: слабые и сильные, ядерные. Помимо них существуют также хорошо изученные электромагнитные, которые имеют огромное значение при распаде тяжелых ядер, и гравитационные, с невыясненной природой взаимодействия.
Среди слабых взаимодействий существуют заряженные и нейтральные токи. Первые ответственны за β-распады – поглощение или испускание электронов или позитронов(античастицы электрона). Вторые за превращения кварков и лептонов без изменения знаков. Ядерные взаимодействия же происходят между нуклонами и являются частью сильных взаимодействий. Для всех взаимодействий справедливо одно и то же утверждение: если для системы энергетически выгодно другое положение, то рано или поздно произойдет переход к этому положению с выделением энергии. Что это означает? Только то, что если масса покоя некоего ядра больше, чем энергия составных частей, это ядро с высокой долей вероятности распадется.
В случае с β-распадом трехмерный график стабильности ядер будет выглядеть следующим образом:
К вопросу о том, что является переносчиком электрослабого взаимодействия, мы еще вернемся. А пока поговорим о ядерных силах. Что же такое, эти загадочные ядерные силы? Что является переносчиком ядерного взаимодействия? Японским физиком Юкавой была предложена довольно перспективная теория: При взаимодействии нуклоны могут обмениваться некими 21 переносчиками, активно рождающимися при столкновениях нуклонов и поглощаться при отдалении. Масса такого переносчика, согласно расчетам, должна была быть равна около 200-300 масс электрона.
При изучении состава космических лучей в 1938 году была открыта новая частица — мюон. Ее масса была равна 207 массам электрона. Однако, частица была ядерно пассивна, не участвовала в ядерных взаимодействиях.
Однако, поиски не закончились. Следующим претендентом на победу стали π-мезоны. Их масса равнялась 273 массам электрона и, что немаловажно, они активно участвовали в ядерных взаимодействиях. На ускорителях их свойства удалось изучить подробнее и полученные данные стали ключевым аргументом в пользу того, что именно π-мезоны являются переносчиками ядерного взаимодействия.
На данный момент считается, что ядерные взаимодействия – остаточный эффект взаимодействия между не полученными экспериментально частицами, кварками, переносчиками которого являются глюоны.
Самые стабильные ядра образуются комбинациями ядер гелия. Связано это с тем, что ядерные взаимодействия имеют векторый характер, а структура ядра чем-то похожа на строение электронных оболочек. Нуклоны наиболее стабильно связываются парами протон-нейтрон. Это явление имеет наименование ”магические числа”. При этом чем больше количество протонов, тем больше требуется нейтронов для того, чтобы уравновесить систему и соотношение нуклонов все дальше отодвигается от магических чисел.
Чем тяжелее ядро, тем больше в нем сила электромагнитного отталкивания, ввиду чего тяжелые ядра (например, уран-235) способны распадаться.
При этом выделяется энергия связи. Что характерно, в легких элементах энергетически более выгодно слияние частиц и энергия выделяется при термоядерном синтезе.
СТАНДАРТНАЯ МОДЕЛЬ
После появления огромного числа новых микрочастиц понятно желание физиков как-то все это дело систематизировать. Создать «таблицу Менделеева» для микрочастиц. Вначале оказалось, что весь известный мир можно описать с помощью двух кварков, электрона и нейтрино, а также бозонов – переносчиков взаимодействия. Первоначальный вид кварковой теории был разработан М.Гелл-Манном и Дж. Цвейгом в 1964 году. Однако, ускорители частиц становились все мощнее, позволяя создавать частицы все более сложные. Двух кварков стало недостаточно для описания всех известных частиц. Со временем оказалось необходимо расширить число кварков и лептонов трижды. В конце концов, На данный момент ”таблица Менделеева” для микрочастиц выглядит так:
Каждый кварк имеет свой заряд, +2/3 или -1/3, и массу. Делятся кварки на три поколения по два кварка, отличающихся только массой.
Многие ошибочно полагают кварковую теорию математической абстракцией удачно описывающей структуру вещей. Однако, это не совсем так. Человечество действительно так и не смогло набрать на ускорителях достаточную для расщепления частиц на кварки мощность. Но оно смогло экспериментально подтвердить неравномерность распределения заряда по частицам, что является достаточным аргументом в пользу существования кварков.
Барионы
Барионы – это частицы участвующие в сильном взаимодействии и состоящие из кварков. Чаще всего из трех, но в 2015 году было доказано существование барионов состоящих из пяти кварков. Еще одно их название – пентакварки. Протон, например, состоит из двух верхних(up) и одного нижнего (down) кварков, нейтрон из двух нижних и одного верхнего.
С этим связана одна из первых теорий строения вещества из кварков – восьмеричный путь, по аналогии с одноименным принципом Буддизма. Почему Восьмеричный Путь назван именно так? Ну, достаточно взглянуть на иллюстрацию:
Все известные частицы удалось систематизировать в группы по восемь. Данная теория очень хорошо прижилась, так как предсказывала и объясняла существенную часть явлений. Как и любая другая теория она подвергалась дополнениям и шлифовке напильником, но сейчас она твердо стоит в фундаменте Стандартной Модели.
Лептоны
Однако, мы ничего не сказали о электроне и его братьях, мюоне и тау. Эти частицы образуют отдельный класс, класс лептонов. Как и барионы, лептоны делятся на три поколения. В каждое поколение входит одна отрицательно заряженная частица, например, в первом поколении электрон, и нейтрино. Точнее антинейтрино, по каноничной классификации. Ну и да, заметив логику рассказа читатель правильно скажет, что отличаются лептоны разных поколений лишь массой. Спин и заряд остаются теми же. Лептоны не имеют составных частей, так что мы можем с чистой совестью сказать, что на данный момент электрон является истинно элементарной частицей без составных частей. Внутренняя структура не обнаружена.
Антивещество
До сих пор не было подробно рассказано о антивеществе. К сожалению, до рассказа о кварках нельзя было это сделать. А после все стало ясно и без разъяснения. Судя по всему в момент Большого Взрыва высвободилась огромная энергия, породившая пары всех известных нам частиц-античастиц. Каждый кварк имеет свою античастицу. Так что, для того, чтобы составить антипротон недостаточно сменить его заряд на положительный. Необходимо сменить все его кварки на антикварки. К слову, тезис, что частиц и античастиц одинаково в нашем мире довольно спорный, ибо в известной нам части вселенной антивещества обнаружено сильно меньше, чем вещества. Это порождает споры об асимметрии вселенной: несмотря на то, что вещество рождается только парами. Предсказано антивещество было Дираком в 1928 году, получившем в своем уравнении «неправильные» результаты. Античастицу, с противоположным зарядом и массой. Долгое время Дирак воевал со своим уравнением, пытаясь найти и исправить «ошибку». Однако, избавиться получилось только от отрицательной массы. А позитрон был обнаружен в 1932 году. Согласно нашим сегодняшним предположениям антивещество ведет себя точно так же, как и вещество. При столкновении пары частица-античастица быстро аннигилируют, испуская фотон. Правда, возможно и появление интересного нестабильного ядра из нуклона и антинуклона, при распаде испускающего волны определенной частоты.
Переносчки взаимодействия
Согласно нашим предположениям, все взаимодействия имеют свой переносчик. Этот класс частиц переносчиков взаимодействий Электромагнитные взаимодействия переносятся фотонами, сильное взаимодействие глюонами, слабое – W и Z бозонами. За инертную массу, способность сохранять скорость при воздействии, отвечает бозон Хиггса. Ведутся работы по поиску гравитона – кванта переносчика гравитационной массы. Однако, экспериментально не было обнаружено никакой частицы потенциально способной передавать гравитационное взаимодействие. Но тот факт, что инертная и гравитационная массы, согласно всем наблюдения, равны, может говорить о том, что ищем мы не в той стороне. О гравитации мы говорить не будем.
Электромагнитное взаимодействие
Электромагнитное взаимодействие переносится фотонами – истинно безмассовыми и элементарными частицами. Разумеется, массу фотон имеет, правда, она приобретается только с частотой, согласно уравнению энергии фотона.
Энергия фотона E = hv = hω/2π
Масса фотона m = E/c2=hv/c2
Импульс фотона P = mc = hv/c2 ∗ c = hv/c = h/λ
Разноименные заряды имеют свойство притягиваться, а одноименные отталкиваться. Как такое возможно, ведь согласно законам классической механики любой обмен частицами должен только отталкивать вещество друг от друга? Фейнман, один из создателей американской ядерной бомбы и один из самых замечательнейших физиков и популяризаторов науки в своих лекциях по физике для гуманитариев давал этому явлению следующее объяснение: если предположить, что фотон может двигаться во времени в обратную сторону, то столкновение произойдет тоже в обратную сторону. В будущем для нас частицы будут лететь со своей обычной траекторией, в момент столкновения частицы оттолкнутся и в настоящем будут отдаляться друг от друга Обмен фотонами между частицами создает весь видимый нами мир.
Фотоны, как переносчики энергии не дают атомам схлопываться и распадаться, они обеспечивают электронам именно те орбиты, какие они имеют. Весь мир можно представить как огромное электронное облако, поддерживающее связь переносчиками электромагнитного взаимодействия. Фотон является античастицей себя самого.
Слабое взаимодействие
Что происходит при β-распаде? Почему именно частица меняет свой электрический заряд? Над этим долго ломали голову физики, пока не предположили наличие частицыпереносчика этого взаимодействия. Назвали частицу W-бозон, от слава Weak – слабый. Вообще, этот переносчик взаимодействия – пара частицаантичастица. Испускание положительного бозона превращает нижний кварк в нижний, происходит β- распад, протон захватывает электрон с нижнего электронного уровня, превращаясь в нейтрон(вообще, памятуя, что масса нейтрона больше протона, внимательный читатель справедливо предположит, что механизм несколько сложнее). И наоборот. Но мы видим также и то, что кварки делятся на поколения отличающиеся лишь массой. Это, в свою очередь предполагает наличие частицы поднимающей или опускающей поколение кварка, без изменения заряда. Имя, соответственно, Z или Zero-бозон.
Сильное взаимодействие
Взаимодействие между кварками переносится еще одним бозоном – глюоном. Это еще одна истинно безмассовая элементарная частица, которая связывает между собой кварки, как тяжелая гиря, которую на пару несут два подпитых физика. Только отойдут друг от друга, как их притягивает обратно. Эти частицы, в отличии от фотонов, переносят еще и определенный заряд. Только не электрический, а цветной. Конечно, цвет – условное название. Еще одним отличием является то, что цвета не только три, они имеют античастицы. Зеленый-антизеленый, красный-антикрасный. Остаточное взаимодействие сильного взаимодействия – ядерные силы. В этом случае пионы, или π-мезоны, лишь переносчики. Их состав следующий: u- и анти-d-кварки — формируют π+-мезон; Из d и анти-u-кварков — состоит античастица π+-мезона: π−-мезон. Глюоны нуклонов и пионов взаимодействуют, обеспечивая стабильность ядер, а вместе с ними и всего нашего мира. Правда, когда сильного взаимодействия не хватает для 24 того, чтобы уравновесить кулоновскую силу отталкивания, например, в тяжелых ядрах, вся сила взаимодействия высвобождается в форме кинетической энергии, давая нам источник огромных возможностей.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
К сожалению, стандартная модель не является теорией всего. Однако она объясняет максимальное количество явлений с достаточной степенью точности. Конкурентом Стандартной Модели является Теория Струн. Может быть через сто-двести лет появятся ускорители достаточной мощности или иные средства исследования микромира для того, чтобы связать все, что мы знаем о природе на сей день. Но, что-то мне подсказывает, появятся новые вопросы. Так что, советую с интересом наблюдать за гонкой человечества за соперником находящимся уже на финише. За законами мироздания. Это тот самый случай, когда участие в гонке даёт столько преимуществ, что отсутствие самой возможности победы не имеет никакого значения.
Статья написана в рамках первого выпуска журнала «Стройка Века»:
«Атом: делимый и неделимый».
Поблагодарить авторов и получить в подарок красивую пдф-версию можно по ссылке.
