Структура организации материи. Элементарные частицы

Размещено на http://www.allbest.ru/

Структура организации материи. Элементарные частицы



ВВЕДЕНИЕ

В современной физике материя подразделяется на три части -- вещество, поле и темная материя (темная энергия). Сущность последних ещё не до конца ясна и введена в использование для обоснования ряда космологических эффектов.

Исторически в физике делалось фундаментальное различие между веществом и полем. Поле, в отличие от вещества, мыслилось непрерывным и проницаемым, в то время как частицы вещества представлялись дискретными, или по крайней мере достаточно локализованными. Известные в классической физике поля, такие как электромагнитное и гравитационное, противопоставлялись массивным и иногда электрически заряженным частицам вещества [1].

Современная физика нивелирует различие между веществом и полем, считая, что все частицы (в том числе и частицы вещества, равно как и частицы, относящиеся к классическим полям) есть квантовые возбуждения различных фундаментальных полей, и так или иначе все частицы проявляют такие типично полевые свойства, как делокализованность и подчинение уравнениям движения, по сути не отличающимся от полевых (о чём можно говорить, как о волновых свойствах всех частиц, в том числе и частиц вещества). Выявление тесной взаимосвязи между полем и веществом привело к углублению представлений о единстве всех форм и структуры физической картины мира.

Но мы-таки, для упрощения изложения материала, будем оперировать устойчиво сложившимися понятиями.

Вещество -- вид материи, который, в отличие от физического поля, обладает массой покоя. В конечном счёте вещество слагается из элементарных частиц, масса покоя которых не равна нулю (в основном из электронов, протонов, нейтронов). Вещество в земных условиях встречается в четырёх состояниях: газы, жидкости, твёрдые тела, плазма. Высказывается предположение, что вещество может существовать также в особом, сверхплотном (напр., в нейтронном, кварк-глюонная плазма) состоянии [2].

Физическое поле -- особая форма материи, система с бесконечным числом степеней свободы. К полям физическим относятся электромагнитные и гравитационные поля, поле ядерных сил, а также волновые (квантованные) поля, соответствующие различным частицам (напр., электрон-позитронное поле). Источниками поля физического являются частицы (напр., для электромагнитного поля -- заряженные частицы). Создаваемые частицами поля физические переносят (с конечной скоростью) взаимодействие между соответствующими частицами (в квантовой теории взаимодействие обусловлено обменом квантами поля между частицами).

Темная материя -- гипотетическая форма материи, которая не испускает электромагнитного излучения и напрямую не взаимодействует с ним. Это свойство данной формы вещества делает невозможным её прямое наблюдение. Вывод о существовании тёмной материи сделан на основании многочисленных, согласующихся друг с другом, но косвенных признаков поведения астрофизических объектов и по создаваемым ими гравитационным эффектам. Обнаружение природы тёмной материи поможет решить проблему скрытой массы, которая, в частности, заключается в аномально высокой скорости вращения внешних областей галактик.

Материя и излучение, согласно специальной теории относительности, являются только особыми формами энергии, распределенной в пространстве; таким образом, весомая масса теряет свое особое положение и является лишь особой формой энергии [4].



Рис. 1. Краткий обзор элементарных и составных частиц.

ВЕЩЕСТВО

Рис. 2. Стандартная модель

Вещество организуется на различных уровнях, и предельно элементарный уровень, известный сегодняшней науке -- это преон. На рис. 1 можно видеть уровни организации вещества -- от кварков к адронам, от адронов к барионам, к нуклонам и т.д. Такой иерархический принцип необходим для упрощения, унификации состава материи Вселенной; ученые строят эти концепции в поисках того «кирпичика», который будет входить в состав любой частицы любого вида вещества или поля. В рамках подобной унификации разработаны Стандартная Модель и Единая Теория Поля, описывающие законы изменения элементарных частиц. Обособлено стоит теория струн -- направление физики, изучающее динамику взаимодействия не точечных частиц, а одномерных протяжённых объектов, так называемых квантовых струн.

Рассмотрим различные уровни организации вещества.

Преоны

К моменту появления (в 1970-х годах) стандартной модели элементарных частиц, ключевые элементы которой были заложены Мюрреем Гелл-Манном и Джорджем Цвейгом ещё в 1964 году, экспериментально были обнаружены сотни различных по своим свойствам частиц. Классификация этих частиц была основана на довольно громоздкой и искусственной иерархической схеме, весьма напоминающей разветвленную биологическую классификацию различных групп животных. Неудивительно, что многочисленное семейство элементарных частиц иногда называлось «зоопарком частиц».

Работы по преонным и другим моделям, выходящим за рамки стандартной модели, мотивировались желанием уменьшить число свободных параметров стандартной модели за счет перехода на более глубокий структурный уровень, то есть за счет реализации примерно той же схемы, что была использована в самой стандартной модели для классификации «зоопарка» частиц и уменьшения числа основных частиц.

Если бы теория струн успешно разрешила вышеперечисленные проблемы, то разработка преонных моделей была бы излишней. В этом случае различные фундаментальные частицы стандартной модели могли бы быть представлены в виде осциллирующих струн с различными частотами и модами. Динамику частиц тогда можно было бы описывать с помощью диаграмм, аналогичных фейнмановским, но использующих двумерные мировые поверхности вместо мировых линий, а три семейства фундаментальных фермионов объяснялись бы за счет накрытия струнами специфических конфигураций многообразия модулей высших размерностей. Однако, ввиду отсутствия видимого прогресса теории струн, все большее число физиков начинает сомневаться в её плодотворности. В результате возрастает актуальность разработки альтернативных теорий, в том числе и композитных моделей, основанных на преонах [5].

Кварки

Кварк -- фундаментальная частица в Стандартной модели, обладающая электрическим зарядом, кратным e/3, и не наблюдающаяся в свободном состоянии, но входящая в состав адронов (сильно взаимодействующих частиц, таких как протоны и нейтроны). Кварки являются бесструктурными, точечными частицами; это проверено вплоть до масштаба примерно 5·10?18 м, что примерно в 20 тысяч раз меньше размера протона.

В настоящее время известно 6 разных «ароматов» кварков, свойства которых даны в таблице 1. Кроме того, для калибровочного описания сильного взаимодействия постулируется, что кварки обладают и дополнительной внутренней характеристикой, называемой «цвет». Каждому кварку соответствует антикварк -- античастица с противоположными квантовыми числами.

В силу неизвестных пока причин, кварки естественным образом группируются в три так называемые поколения. В каждом поколении один кварк обладает зарядом +2?3, а другой -- ?1?3. Подразделение на поколения распространяется также и на лептоны.

Таблица 1

Символ	Название	Заряд	Масса
	рус.	англ.
Первое поколение
d	нижний	down	?1/3	4,8±0,5 ± 0.3 МэВ/с І
u	верхний	up	+2/3	2,3±0,7 ± 0.5 МэВ/cІ
Второе поколение
s	странный	strange	?1/3	95±5 МэВ/cІ
c	очарованный	charm (charmed)	+2/3	1275±25 МэВ/cІ
Третье поколение
b	прелестный	beauty (bottom)	?1/3	4180±30 МэВ/cІ
t	истинный	truth (top)	+2/3	173 340±270 ± 710 МэВ/cІ

Кварки участвуют в сильных, слабых, электромагнитных и гравитационных взаимодействиях. Сильные взаимодействия (обмен глюоном) могут изменять цвет кварка, но не меняют его аромат. Слабые взаимодействия, наоборот, не меняют цвет, но могут менять аромат. Необычные свойства сильного взаимодействия приводят к тому, что одиночный кварк не может удалиться на какое-либо существенное расстояние от других кварков, а значит, кварки не могут наблюдаться в свободном виде (явление, получившее название конфайнмент). Разлететься могут лишь «бесцветные» комбинации кварков -- адроны. Кварки асимптотически свободны при высоких энергиях. Конфаймент проявляется благодаря тому, что кварки обладают цветовым зарядом, т.е. подвержены влиянию сильного взаимодействия. Переносчики же сильного взаимодействия, глюоны, сами обладают цветовым зарядом, и в процессе движения порождают «новые» глюоны, с увеличением расстояния лишь увеличивая интенсивность сильного взаимодействия [7].

Адроны

Адроны -- класс элементарных частиц, подверженных сильному взаимодействию. Процесс формирования адронов из цветных объектов -- кварков и глюонов, называется адронизация.

Адроны делятся на две основные группы в соответствии с их кварковым составом:

1) Барионы -- состоят из трёх кварков трёх цветов, образуя так называемую бесцветную комбинацию. Именно из барионов построена подавляющая часть наблюдаемого нами вещества -- это нуклоны, составляющие ядро атома и представленные протоном и нейтроном. К барионам относятся также многочисленные гипероны -- более тяжёлые и нестабильные частицы, получаемые на ускорителях элементарных частиц.

Комбинация трёх u, d или s-кварков с общим спином 3/2 формирует так называемый барионный декуплет.

2) Мезоны -- состоят из одного кварка и одного антикварка. К мезонам относятся пионы (р-мезоны) и каоны (K-мезоны) и многие более тяжёлые мезоны. Обычные мезоны содержат валентный кварк и валентный антикварк. В их число входят пион, каон, J/ш-мезон и многие другие типы мезонов. В моделях ядерных сил взаимодействие между нуклонами переносится мезонами.

Могут существовать также экзотические мезоны (их существование всё ещё под вопросом):

· Тетракварки состоят из двух валентных кварков и двух валентных антикварков.

· Глюболы -- связанные состояния глюонов без валентных кварков.

· Гибриды состоят из одной или более кварк-антикварковых пар и одного или более реальных глюонов.



Мезоны с нулевым спином формируют нонет.

Барионы

Барионы -- семейство элементарных частиц: сильно взаимодействующие фермионы, состоящие из трёх кварков. В 2015 году было также доказано существование барионов из 5 кварков; предполагается, но не доказано, существование барионов из 7 и большего числа кварков [8].

К основным барионам относятся (по мере возрастания массы): протон, нейтрон, лямбда-барион, сигма-гиперон, кси-гиперон, омега-гиперон. Масса омега-гиперона (3278 масс электрона) почти в 1,8 раз больше массы протона.

Наиболее стабильными барионами являются протон (самый лёгкий из барионов) и нейтрон (вместе они составляют группу нуклонов). Первый из них, насколько это сегодня известно, стабилен, второй испытывает бета-распад с временем жизни, близким к 1000 с. Более тяжёлые барионы распадаются за время от 10?23 до 10?10 с.



Таблица 2

В семействе барионов, кроме нуклонов, выделяют группы Д-, Л-, У-, О- и Щ-барионов.

· Д-барионы (Д++, Д+, Д0, Д?), как и нуклоны, состоят из u- и d-кварков, но, в отличие от нуклонов, их спин равен 3/2. Распадаются они главным образом на нуклон и пион. Время жизни Д-барионов близко к 10?23 с.

· Л-барионы (Л0) -- нейтральные (но не истинно нейтральные) частицы со спином 1/2 и странностью ?1 (то есть их можно называть Л-гиперонами), состоящие из u-, d- и s-кварка. В них u- и d-кварки находятся в синглетном по изоспину состоянии (I=0). Масса 1117 МэВ. Распадаются преимущественно на протон и отрицательный пион или на нейтрон и нейтральный пион с временем жизни 2,6·10?10 с. Открыты также тяжёлые Л-барионы (Л+c и Л0b), в которых странный кварк заменён очарованным (c-кварком) или красивым (b-кварком).

· У-барионы (У+, У0, У?) имеют спин 1/2, странность ?1. Как и Л-барион, состоят из u-, d- и s-кварка, но триплетны по изоспину (I=1). Нейтральный У0-барион имеет тот же кварковый состав, что и Л0-барион (uds), но тяжелее, в связи с этим он очень быстро распадается в Л0 с вылетом фотона (время жизни составляет лишь 6·10?20 с, поскольку распад происходит за счёт электромагнитного взаимодействия). У+ (uus) и У? (dds) распадаются за примерно 10?10 с на пион и нуклон. Следует отметить, что У+ и У? не являются частицей и античастицей -- это самостоятельные частицы, каждая из них (как, кстати, и У0) имеет свою античастицу. Массы У-гиперонов составляют около 1200 МэВ. Обнаружены также тяжёлые У-барионы, не являющиеся гиперонами (то есть содержащие вместо s-кварка более тяжёлый кварк).

· О-барионы (О0 и О?) имеют спин 1/2, странность ?2. Они содержат по два странных кварка; кварковый состав uss (О0) и dss (О?). Их масса близка к 1,3 ГэВ. Распадаются (с временем жизни около 10?10 с) на пион и Л0-гиперон. Существуют тяжёлые О-барионы, не являющиеся гиперонами (один из странных кварков заменен c- или b-кварком).

· Щ-барионы (существует лишь один тип этих частиц, Щ?-гиперон) имеют спин 3/2 и странность ?3, состоят из 3 странных кварков (sss). Масса частицы 1,672 ГэВ. Преимущественные моды распада -- на Л0-гиперон и отрицательный каон или на О0 и отрицательный пион (время жизни около 10?10 с). Открыты некоторые тяжёлые Щ-барионы, отличающиеся заменой одного из s-кварков на тяжёлый кварк [8].

Существует также широкий спектр короткоживущих возбуждённых состояний этих барионов.

Барионная материя -- материя, состоящая из барионов (нейтронов, протонов) и электронов. То есть, привычная форма материи, вещество.

Существует также барионная антиматерия, или антивещество.

Атомы

Атом -- частица вещества микроскопических размеров и массы, наименьшая часть химического элемента, являющаяся носителем его свойств.

Ядро, несущее почти всю (более чем 99,9 %) массу атома, состоит из положительно заряженных протонов и незаряженных нейтронов, связанных между собой при помощи сильного взаимодействия.

Современная модель атома является развитием планетарной модели Бора-Резерфорда. Согласно современной модели, ядро атома состоит из положительно заряженных протонов и не имеющих заряда нейтронов и окружено отрицательно заряженными электронами. Однако представления квантовой механики не позволяют считать, что электроны движутся вокруг ядра по сколько-нибудь определённым траекториям (неопределённость координаты электрона в атоме может быть сравнима с размерами самого атома) [10].

Химические свойства атомов определяются конфигурацией электронной оболочки и описываются квантовой механикой. Положение атома в таблице Менделеева определяется электрическим зарядом его ядра (то есть количеством протонов), в то время как количество нейтронов принципиально не влияет на химические свойства; при этом нейтронов в ядре, как правило, больше, чем протонов (см.: атомное ядро). Если атом находится в нейтральном состоянии, то количество электронов в нём равно количеству протонов. Основная масса атома сосредоточена в ядре, а массовая доля электронов в общей массе атома незначительна (несколько сотых процента массы ядра) [9].

Массу атома принято измерять в атомных единицах массы, равных 1?12 от массы атома стабильного изотопа углерода 12C.



Рис. 3. Пион-нуклонное взаимодействие в ядре атома

Молекулы

Молекула -- электрически нейтральная частица, образованная из двух или более связанных ковалентными связями атомов. В физике к молекулам причисляют также одноатомные молекулы, то есть свободные (химически не связанные) атомы (например, инертных газов, ртути и т. п.). Причисление к молекулам одноатомных молекул, то есть свободных атомов, например, одноатомных газов, приводит к совмещению понятий «молекула» и «атом». Обычно подразумевается, что молекулы нейтральны (не несут электрических зарядов) и не несут неспаренных электронов (все валентности насыщены); заряженные молекулы называют ионами, молекулы с мультиплетностью, отличной от единицы (то есть с неспаренными электронами и ненасыщенными валентностями) -- радикалами.

С точки зрения квантовой механики, молекула представляет собой систему не из атомов, а из электронов и атомных ядер, взаимодействующих между собой [11].

Особенности строения молекул определяют физические свойства вещества, состоящего из этих молекул.

К веществам, сохраняющим молекулярную структуру в твёрдом состоянии, относятся, например, вода, оксид углерода (IV), многие органические вещества. Они характеризуются низкими температурами плавления и кипения. Большинство же твёрдых (кристаллических) неорганических веществ состоят не из молекул, а из других частиц (ионов, атомов) и существуют в виде макротел (кристалл хлорида натрия, кусок меди и т. д.).

Можно приписать каждому атому в данном валентном состоянии в молекуле определённый атомный, или ковалентный, радиус (в случае ионной связи -- ионный радиус, см. Атомные радиусы, Ионные радиусы), характеризующий размеры электронной оболочки атома (иона), образующего химическую связь в молекуле. Представление о приблизительном постоянстве этих радиусов оказывается полезным при оценке межатомных расстояний и, следовательно, при расшифровке структуры молекулы. Длина связи представляет собой сумму соответствующих атомных радиусов.

Квантовомеханическая теория представляет молекулу как систему, состоящую из атомных ядер и электронов и находящуюся в определенном квантовом состоянии, из которого молекула может перейти в другое квантовое состояние. Каждое состояние и его изменение во времени (эволюция) определяется либо волновой функцией, которую находят как решение уравнения Шрёдингера (стационарного или временного), либо матрицей плотности, удовлетворяющей квантовому уравнению Лиувилля.

ПОЛЕ

Проще всего наглядно представить себе поле (когда речь идет, например, о фундаментальных полях, не имеющих очевидной непосредственной механической природы) как возмущение (отклонение от равновесия, движение) некоторой (гипотетической или просто воображаемой) сплошной среды, заполняющей всё пространство. Например, как деформацию упругой среды, уравнения движения которой совпадают с или близки к полевым уравнениям того более абстрактного поля, которое мы хотим наглядно себе представить. Исторически такая среда называлась эфиром, однако впоследствии термин практически полностью вышел из употребления, а его подразумеваемая физически содержательная часть слилась с самим понятием поля. Тем не менее, для принципиального наглядного понимания концепции физического поля в общих чертах такое представление полезно, с учетом того, что в рамках современной физики такой подход обычно принимается по большому счету лишь на правах иллюстрации.

Физическое поле, таким образом, можно характеризовать как распределенную динамическую систему, обладающую бесконечным числом степеней свободы.

Роль полевой переменной для фундаментальных полей часто играет потенциал (скалярный, векторный, тензорный), иногда -- величина, называемая напряжённостью поля. (Для квантованных полей в некотором смысле обобщением классического понятия полевой переменной также является соответствующий оператор) [12].

В квантовой теории поля -- полевая переменная может рассматриваться формально подобно тому, как в обычной квантовой механике рассматривается пространственная координата, и полевой переменной сопоставляется квантовый оператор соответствующего названия.

Среди полей в физике выделяют так называемые фундаментальные. Это поля, которые, согласно с полевой парадигмой современной физики, составляют основу физической картины мира, все остальные поля и взаимодействия из них выводятся. Включают два основных класса взаимодействующих друг с другом полей:

· фундаментальные фермионные поля, прежде всего представляющие физическую основу описания вещества

· фундаментальные бозонные поля (включая гравитационное, представляющее собой тензорное калибровочное поле), являющиеся расширением и развитием концепции максвелловского электромагнитного и ньютоновского гравитационного полей; на них строится теория фундаментальных взаимодействий.

Существуют теории (например, теория струн, различные другие теории объединения), в которых роль фундаментальных полей занимают несколько другие, еще более фундаментальные с точки зрения этих теорий, поля или объекты (а нынешние фундаментальные поля появляются или должны появляться в этих теориях в некотором приближении, как "феноменологическое" следствие). Однако пока такие теории не являются достаточно подтвержденными или общепринятыми.

После создания квантовой механики и достаточно глубокого развития квантовых представлений, стало очевидно, что вся материя, в том числе и вещество, описывается квантованными полями: отдельными фундаментальными полями (как электрон) или их коллективными возбуждениями (как протон, составленный из трех кварков и глюонного поля). Одиночными квантовыми возбуждениями фундаментальных полей и являются элементарные частицы. Фотоны, векторные бозоны, глюоны, гравитоны (пока не зафиксированные в качестве отдельных частиц), лептоны и кварки относятся к таким квантовым возбуждениям фундаментальных полей разного типа. Были открыты и подробно исследованы полевые уравнения для свободных полей, их квантование, взаимодействие различных полей.

Таким образом, оказалось, что физическая картина мира может быть сведена в своем фундаменте к квантованным полям и их взаимодействию.

В какой-то мере, главным образом в рамках формализма интегрирования по траекториям и диаграмм Фейнмана, произошло и противоположное движение: поля стало можно в заметной мере представить как почти классические частицы (точнее -- как суперпозицию бесконечного количества движущихся по всем мыслимым траекториям почти классических частиц), а взаимодействие полей друг с другом -- как рождение и поглощение частицами друг друга (тоже с суперпозицией всех мыслимых вариантов такового). И хотя этот подход очень красив, удобен и позволяет во многом психологически вернуться представлению о частице как о старой доброй классической частице, имеющей вполне определенную траекторию, он, тем не менее, не может отменить полевой взгляд на вещи и даже не является полностью симметричной альтернативой ему (а поэтому всё же ближе к красивому, психологически и практически удобному, но всё же всего лишь формальному приему, чем к полностью самостоятельной концепции). Дело тут в двух ключевых моментах:

1) Процедура суперпозиции никак «физически» не объяснима в рамках по-настоящему классических частиц, она просто добавляется к почти классической «корпускулярной» картине, не являясь ее органическим элементом; в то же время с полевой точки зрения эта суперпозиция имеет ясную и естественную интерпретацию;

2) Сама частица, движущаяся по одной отдельной траектории в формализме интеграла по траекториям, хотя и очень похожа на классическую, но всё-таки классическая не до конца: к обычному классическому движению по определенной траектории с определенным импульсом и координатой в каждый конкретный момент даже для одной-единственной траектории - приходится добавлять совершенно чуждое для этого подхода в его чистом виде понятие фазы (то есть некоторого волнового свойства), и этот момент (хотя он действительно сведен к минимуму и о нем довольно легко просто не думать) также не имеет какой-то органичной внутренней интерпретации; а в рамках обычного полевого подхода такая интерпретация опять есть, и она опять органична.

Таким образом, можно заключить, что подход интегрирования по траекториям есть хотя и очень психологически удобная (ведь, скажем, точечная частица с тремя степенями свободы гораздо проще, чем бесконечномерное поле, которое ее описывает) и доказавшая практическую продуктивность, но всё же лишь некая переформулировка, пусть и довольно радикальная, полевой концепции, а не ее альтернатива.

И хотя на словах на этом языке всё выглядит очень «корпускулярно» (например: «взаимодействие заряженных частиц объясняются обменом другой частицей -- переносчиком взаимодействия» или «взаимное отталкивание двух электронов обусловлено обменом между ними виртуальным фотоном»), однако за этим стоят такие типично полевые реальности, как распространение волн, пусть и достаточно хорошо спрятанные ради создания эффективной схемы вычислений, да во многом и давая дополнительные возможности качественного понимания.

В настоящее время фундаментальными бозонными (калибровочными) полями считаются несколько полей, связанных с электрослабым, сильным и гравитационным взаимодействиями. К фундаментальным фермионным полям относятся спинорные поля нескольких «поколений» лептонов и кварков [13].

Частицы, участвующие во взаимодействии полей, также описываются Стандартной Моделью.

Стандартная модель -- теоретическая конструкция в физике элементарных частиц, описывающая электромагнитное, слабое и сильное взаимодействие всех элементарных частиц. Стандартная модель не является теорией всего, так как не описывает тёмную материю, тёмную энергию и не включает в себя гравитацию. Экспериментальное подтверждение существования промежуточных векторных бозонов в середине 80-х годов завершило построение Стандартной модели и её принятие как основной. Необходимость незначительного расширения модели возникла в 2002 году после обнаружения нейтринных осцилляций, а подтверждение существования бозона Хиггса в 2012 году завершило экспериментальное обнаружение предсказываемых Стандартной моделью элементарных частиц. Всего модель описывает 61 частицу [5].



Рис. 4. Взаимодействия между частицами в Стандартной модели

В рамках Стандартной модели в качестве фундаментальных выступают следующие поля

1) Фундаментальные фермионные поля. Каждому фундаментальному фермиону (каждому типу кварков и каждому типу лептонов) в рамках Стандартной модели соответствует свое поле, математически представляемое спинорным полем.

2) Фундаментальные бозонные поля (поля -- переносчики фундаментальных взаимодействий). Эти поля в рамках стандартной модели являются калибровочными полями. Известны такие их типы:

2.1) Электрослабое

2.1.1) Электромагнитное поле

2.1.1.1) Электрическое поле

2.1.1.2) Магнитное поле

2.1.2) Слабое

2.2) Глюонное поле

2.2.1) Поле ядерных сил

2.3) Гравитационное поле

Также в составе этих полей принято рассматривать поле Хиггса. С помощью этого поля объясняется наличие инертной массы частиц-переносчиков слабого взаимодействия (W- и Z-бозоны) и отсутствие массы у частицы-переносчика сильного (глюон) и электромагнитного взаимодействия (фотон). После открытия бозона Хиггса поле Хиггса стали называть пятым фундаментальным взаимодействием [14].

Рис. 5. Схематическое изображение электромагнитного поля

Электромагнитное поле

вещество поле кварк барион

Электромагнитное поле -- фундаментальное физическое поле, взаимодействующее с электрически заряженными телами, а также с телами, имеющими собственные дипольные и мультипольные электрические и магнитные моменты. Представляет собой совокупность электрического и магнитного полей, которые могут, при определённых условиях, порождать друг друга, а по сути, являются одной сущностью, формализуемой через тензор электромагнитного поля.

В пространстве, где изменяется магнитное поле, всегда появляется вихревое электрическое поле (индуцированное электрическое поле). При этом замкнутый контур позволяет только его обнаружить, поскольку поле существует независимо от наличия этого замкнутого контура. Линии напряженности вихревого электрического поля всегда замкнуты и их направление связано с изменением наводящего (индуцирующего) магнитного поля правилом Ленца (правилом правого винта, но учтите, что индукционное поле препятствует причине его вызывающей), т.е. это поле носит вихревой, не потенциальный характер, подобно магнитному. Максвелл в связи с этим обстоятельством высказал мысль о возможной равноправности полей: при изменении магнитного поля возникает поле электрическое и наоборот, при изменении электрического должно возникать магнитное поле (рис. 6).

Рис. 6

Максвелл теоретически доказал свое предположение, создав теорию электромагнитного поля на основе двух постулатов:

1) Переменное магнитное поле создает в окружающем его пространстве вихревое электрическое поле.

2) Переменное электрическое поле создает в окружающем его пространстве вихревое магнитное поле (которое связано с переменным электрическим так же правилом правого винта). При этом, чем больше скорость изменения напряженности электрического поля, тем более сильное возникает магнитное поле, связанное с электрическим. Точно также, чем больше скорость изменения индукции магнитного поля, тем более сильное возникает электрическое поле.

Таким образом, электрическое и магнитное поля «сцеплены» друг с другом, существуют одновременно, взаимно порождают и поддерживают друг друга. Нельзя создать переменное магнитное поле без того, чтобы одновременно в пространстве не возникло переменное электрическое поле. Не менее важно то обстоятельство, что электрическое поле без магнитного, и наоборот, могут существовать лишь по отношению к определенным системам отсчета. Так, покоящийся заряд создает только электрическое поле. Но ведь заряд покоится лишь относительно определенной системы отсчета, а относительно другой он будет двигаться и, следовательно, создавать магнитное поле.

Совокупность неразрывно связанных друг с другом изменяющихся электрического и магнитного полей представляет собой электромагнитное поле.

Согласно гипотезе Максвелла однажды начавшийся в некоторой точке процесс изменения электромагнитного поля будет далее непрерывно захватывать все новые и новые области окружающего пространства.

Распространяющееся в пространстве периодически изменяющееся электромагнитное поле и представляет собой электромагнитную волну.

Распространение электромагнитной волны связано с наведением электромагнитного поля в последующих точках и уничтожением в предыдущих (пройденных) точках пространства (рис. 7) [16].

Рис. 7. Распространение э/м волны



Гравитационное поле

Гравитационное поле, или поле тяготения -- физическое поле, через которое осуществляется гравитационное взаимодействие [18].

В рамках классической физики гравитационное взаимодействие описывается «законом всемирного тяготения» Ньютона, согласно которому сила гравитационного притяжения между двумя материальными точками с массами m1 и m2 пропорциональна обеим массам и обратно пропорциональна квадрату расстояния между ними.

Рис. 8. Закон всемирного тяготения

Практика показала, что классический закон всемирного тяготения позволяет с огромной точностью объяснить и предсказать движения небесных тел. Однако ньютоновская теория содержала ряд серьёзных недостатков. На протяжении более двухсот лет после Ньютона физики предлагали различные пути усовершенствования ньютоновской теории тяготения. Эти усилия увенчались успехом в 1915 году, с созданием общей теории относительности Эйнштейна, в которой все указанные трудности были преодолены [17].

В общей теории относительности (ОТО) гравитационное поле является не отдельным физическим понятием, а свойством пространства-времени, появляющимся в присутствии материи. Этим свойством является неевклидовость метрики (геометрии) пространства-времени, и материальным носителем тяготения является пространство-время. Тот факт, что гравитацию можно рассматривать как проявление свойств геометрии четырёхмерного неевклидова пространства, без привлечения дополнительных понятий, есть следствие того, что все тела в поле тяготения получают одинаковое ускорение («принцип эквивалентности» Эйнштейна). Пространство-время при таком подходе приобретает физические атрибуты, которые влияют на физические объекты и сами зависят от них.

Пространство-время ОТО представляет собой псевдориманово многообразие с переменной метрикой. Причиной искривления пространства-времени является присутствие материи, и чем больше её энергия, тем искривление сильнее. Для определения метрики пространства-времени при известном распределении материи надо решить уравнения Эйнштейна. Ньютоновская же теория тяготения представляет собой приближение ОТО, которое получается, если учитывать только «искривление времени», то есть изменение временной компоненты метрики, g00 (пространство в этом приближении евклидово). Распространение возмущений гравитации, то есть изменений метрики при движении тяготеющих масс, происходит с конечной скоростью, и дальнодействие в ОТО отсутствует.

Другие существенные отличия гравитационного поля ОТО от ньютоновского: возможность нетривиальной топологии пространства, особых точек, гравитационные волны [17].

Гравитационная волна -- волна гравитации, порождаемая в большинстве теорий тяготения движением гравитирующих тел с переменным ускорением, «отрывающаяся» от источника гравитации и свободно распространяющаяся в пространстве, которая приводит к изменению (возмущению) гравитационного поля в окружающем пространстве (т. н. «рябь пространства-времени»). Ввиду относительной слабости гравитационных сил (по сравнению с прочими) эти волны должны иметь весьма малую величину, с трудом поддающуюся регистрации.

Гравитационные волны предсказываются общей теорией относительности (ОТО) и многими другими теориями гравитации, но ввиду их чрезвычайной малости пока не зарегистрированы напрямую. Тем не менее, косвенные свидетельства их существования достаточно весомы -- ОТО предсказывает совпадающие с наблюдениями темпы сближения тесных систем двойных звёзд за счёт потери энергии на излучение гравитационных волн.

Сильное поле

Сильное ядерное взаимодействие (цветовое взаимодействие, ядерное взаимодействие) -- одно из четырёх фундаментальных взаимодействий в физике. В сильном взаимодействии участвуют кварки и глюоны и составленные из них частицы, называемые адронами (барионы и мезоны). Оно действует в масштабах порядка размера атомного ядра и менее, отвечая за связь между кварками в адронах и за притяжение между нуклонами (разновидность барионов -- протоны и нейтроны) в ядрах [5].

Необходимость введения понятия сильных взаимодействий возникла в 1930-х годах, когда стало ясно, что ни явление гравитационного, ни явление электромагнитного взаимодействия не могли ответить на вопрос, что связывает нуклоны в ядрах. В 1935 году японский физик Х. Юкава построил первую количественную теорию взаимодействия нуклонов, происходящего посредством обмена новыми частицами, которые сейчас известны как пи-мезоны (или пионы). Пионы были впоследствии открыты экспериментально в 1947 году (см. рис. 3).

В этой пион-нуклонной теории притяжение или отталкивание двух нуклонов описывалось как испускание пиона одним нуклоном и последующее его поглощение другим нуклоном (по аналогии с электромагнитным взаимодействием, которое описывается как обмен виртуальным фотоном). Эта теория успешно описала целый круг явлений в нуклон-нуклонных столкновениях и связанных состояниях, а также в столкновениях пионов с нуклонами. Численный коэффициент, определяющий «эффективность» испускания пиона, оказался очень большим (по сравнению с аналогичным коэффициентом для электромагнитного взаимодействия), что и определяет «силу» сильного взаимодействия [19].

В 1970-х годах была построена микроскопическая теория сильного взаимодействия кварков, которая получила название квантовая хромодинамика (КХД). Она строится следующим образом.

Постулируется, что каждый кварк обладает новым внутренним квантовым числом, условно называемым цветом. Более точно, в дополнение к уже имеющимся степеням свободы, кварку приписывается и определённый вектор состояния в комплексном трёхмерном цветовом пространстве. В духе калибровочного подхода, накладывается требование инвариантности наблюдаемых свойств нашего мира относительно унитарных вращений в цветовом пространстве кварков, то есть относительно элементов группы SU(3). (Таким образом, КХД является теорией Янга -- Миллса.) Возникающее при этом калибровочное поле и описывает взаимодействие кварков. Это поле удаётся проквантовать; его кванты называются глюонами.

Поскольку каждый тип глюонов задаёт определённый вид вращения в цветовом пространстве, количество независимых глюонных полей равно размерности группы SU(3), то есть восьми. Однако все глюоны взаимодействуют со всеми кварками с одинаковой силой. По аналогии с электродинамикой, где «мощность» взаимодействия характеризуется постоянной тонкой структуры б, «мощность» сильного взаимодействия характеризуется единственной константой сильного взаимодействия б.

Теоретическое описание сильных взаимодействий -- одна из наиболее разработанных и вместе с тем бурно развивающихся областей теоретической физики элементарных частиц. Несмотря на то, что фундаментальная природа сильных взаимодействий понята (цветовое взаимодействие между кварками и глюонами, описываемое квантовой хромодинамикой), математические законы, выражающие её, очень сложны, и потому во многих конкретных случаях вычисления из первых принципов оказываются (пока что) невозможными. В результате возникает эклектическая картина: рядом с математически строгими вычислениями соседствуют полуколичественные подходы, основанные на квантовомеханической интуиции, которые, однако, прекрасно описывают экспериментальные данные.

Наметим общую структуру современной теории сильных взаимодействий. Подходы к описанию сильного взаимодействия существенно зависят от того, какой именно объект изучается. Можно выделить следующие основные группы:

· жёсткие адронные реакции, в которых основную роль играют именно кварки и глюоны и которые хорошо описываются теорией возмущений в КХД.

· полужёсткие реакции, в которых для разумного описания приходится учитывать бесконечное число членов ряда теории возмущений, и в определённых предельных случаях это удаётся сделать.

· низкоэнергетические (мягкие) адронные реакции, в которых более разумными степенями свободы становятся связанные состояния кварков (адроны) и изучаются законы взаимодействия.

· статические свойства адронов, в которых, в зависимости от конкретного случая, могут использоваться разные подходы.

Слабое поле

Слабое взаимодействие, или слабое ядерное взаимодействие -- одно из четырёх фундаментальных взаимодействий в природе. Оно ответственно, в частности, за бета-распад ядра. Это взаимодействие называется слабым, поскольку два других взаимодействия, значимые для ядерной физики (сильное и электромагнитное), характеризуются значительно большей интенсивностью. Однако оно значительно сильнее четвёртого из фундаментальных взаимодействий, гравитационного.

Слабое взаимодействие является короткодействующим -- оно проявляется на расстояниях, значительно меньших размера атомного ядра (характерный радиус взаимодействия 2·10?18 м) [5].

В слабом взаимодействии принимают участие все фундаментальные фермионы (лептоны и кварки). Это единственное взаимодействие, в котором участвуют нейтрино (не считая гравитации, пренебрежимо малой в лабораторных условиях), чем объясняется колоссальная проникающая способность этих частиц. Слабое взаимодействие позволяет лептонам, кваркам и их античастицам обмениваться энергией, массой, электрическим зарядом и квантовыми числами -- то есть превращаться друг в друга.

Характеристикой интенсивности взаимодействия является длина свободного пробега частиц в веществе. Так, для того, чтобы остановить за счёт сильного взаимодействия летящий адрон, требуется плита из железа толщиной в несколько сантиметров. В то же время нейтрино, которое участвует только в слабом взаимодействии, может пролететь через плиту толщиной в миллиарды километров.



Рис. 9. Диаграмма Фейнмана для бета-распада нейтрона на протон, электрон и электронное антинейтрино при участии тяжёлого W-бозона

Несмотря на малый радиус действия и относительную малость, слабое взаимодействие имеет важное значение для целого ряда природных процессов. В частности, именно слабым взаимодействием обусловлено протекание термоядерной реакции, являющейся основным источником энергии большинства звёзд, включая Солнце, -- реакции синтеза гелия-4 из четырёх протонов с испусканием двух позитронов и двух нейтрино. Важную роль в эволюции звёзд играют и другие процессы, сопровождающиеся испусканием нейтрино и обусловленные наличием слабого взаимодействия. Такие процессы определяют энергетические потери в очень горячих звёздах, а также во взрывах сверхновых, сопровождающихся образованием пульсаров.

Особо важную роль в природе играет ещё один процесс, обусловленный слабым взаимодействием -- бета-распад радиоактивных ядер. Это один из трёх основных типов радиоактивности, заключающийся в испускании ядром электрона и антинейтрино с одновременным превращением одного из нейтронов в протон. Открытый в начале XX века этот процесс получил теоретическое объяснение только в 1934 году. Энрико Ферми первым предположил, что вылетающие при бета-распаде из ядра электрон и антинейтрино не находятся в нём до этого, а рождаются в момент распада.

Помимо ядерных реакций синтеза, слабое взаимодействие может приводить и к распаду массивных частиц на более лёгкие. Такой вид распада носит название слабого распада. В частности, именно по причине такого распада концентрации таких частиц, как мюонов, р-мезонов, странных и очарованных частиц, в природе ничтожны. Дело в том, что в отличие от других видов фундаментальных взаимодействий, слабое взаимодействие не подчиняется некоторым запретам, позволяя заряженным лептонам превращаться в нейтрино, а кваркам одного аромата в кварки другого аромата.

Важным частным случаем слабого распада является бета-распад нейтрона, в результате которого нейтрон может спонтанно превратиться в протон, электрон и электронное антинейтрино. Однако, как известно, интенсивность слабых распадов падает с уменьшением энергии, поэтому характерный период полураспада нейтрона достаточно велик -- около 103 с, в то время как у Л-гиперона, выделение энергии, при распаде которого в 100 раз выше, время жизни всего лишь около 10?10 с.



ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Взгляды на сущность материи существенно отличаются в зависимости от того, с какой стороны человеческого понимания подходить к ее познанию. Так, философы рассматривают материю как все вещественное, «телесное», имеющее массу, протяжённость, локализацию в пространстве, проявляющее корпускулярные свойства; субстанцию, обладающую статусом первоначала (объективной реальностью) по отношению к сознанию (субъективной реальности): материя отражается нашими ощущениями, существуя независимо от них (объективно).

Все разнообразие естественно-научных и философских школ, оперирующих с материей, дает понять лишь одно: ее суть истинно не так проста. Поляризация мнений касаемо наполнения материи, ее существования или даже наоборот, отсутствия, выступает подтверждением многогранности действительной картины мира. Остается надеяться на то, что со временем человечество движется к разрешению загадки строения мира, и, по возможности, вносить свой вклад в ее решение.



СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Большая советская энциклопедия. 3-е изд. -- М.: Эксмо, 2008.

2. Философский энциклопедический словарь. -- М.: Советская энциклопедия, 1983.

3. Кадыров С.К. Всеобщая физическая теория единого поля. - Бишкек: Кыргыз Жер, 2001.

4. Эйнштейн А. Собрание научных трудов в четырех томах. Том 1. -- М.: Наука, 1965.

5. Емельянов В. М. Стандартная модель и ее расширения. -- М.: Физматлит, 2007.

6. Инстантоны, струны и конформная теория поля / Сборник статей под ред. А. А. Белавина. -- М.: Физматлит, 2002.

7. Клоуз Ф. Введение в кварки и партоны. -- М.: Мир, 1982.

8. Розенталь И.Л. Элементарные частицы и структура Вселенной. -- М.; Наука, 1984.

9. Бейдер Р. Атомы в молекулах. Квантовая теория. -- М.: Мир, 2001.

10. Веселов М. Г., Лабзовский Л. Н. Теория атома: Строение электронных оболочек. -- М.: Наука, 1986.

11. Кук Д. Квантовая теория молекулярных систем. Единый подход. Пер с англ. -- М.: Интеллект, 2012.

12. Ландау Л. Д., Лифшиц Е. М. Теория поля. Издание 8-е, стереотипное. -- М.: Физматлит, 2001.

13. М. Планк. Избранные труды. -- М.: Наука, 1975.

14. http://elementy.ru/

15. Травин Г.А. Электромагнитные поля и волны. -- Белгород: БелГУ, 2007.

16. Нефёдов Е.И. Распространение радиоволн и антенно-фидерные устройства. -- М.: Академия, 2010.

17. Логунов А.А. Релятивистская теория гравитации. -- М.: Наука, 2011.

18. Логунов А.А. Теория гравитационного поля. -- М.: Наука, 2000.

19. Белокуров В.В. Теория взаимодействия частиц. -- М.: Физматлит, 1986.

20. http://ru.wikipedia.org

Размещено на Allbest.ru