Строение материи и физика элементарных частиц

Проблема поиска «первокирпичиков» Мироздания занимала ученых и философов со времен античности. Но по-настоящему заняться ее решением оказалось возможным только в ХХ веке, когда были разработаны для этого экспериментальная техника и математический аппарат. Развитие физики элементарных частиц позволило разработать протонно-нейтронную теорию строения ядра атома (Д.Д.Иваненко, В.Гейзенберг). Ядро, как и атом, оказалось сложной системой взаимодействующих элементарных частиц.
Сегодня выделяют четыре уровня организации микромира: молекулярный, атомный, нуклонный и кварковый. Достижения современной физики позволили выделить его структурные элементы - элементарные частицы. Элементарными называют такие частицы, которые на современном уровне развития науки нельзя считать соединением других, более простых частиц. Однако в настоящее время неизвестно, какие частицы в действительности заслуживают названия элементарных, неизвестен критерий, по которому ту или иную частицу можно отнести к этому статусу. Поэтому элементарными условно называют группу микрочастиц, не являющихся атомами или атомными ядрами. В сороковые-пятидесятые годы нашего века было открыто достаточно большое количество элементарных частиц при исследовании космических лучей, а затем, по мере строительства ускорителей, и в искусственных условиях. На сегодня обнаружено несколько сотен частиц, но лишь около 30 из них можно считать более или менее стабильными (имеющими время жизни ~ 10-22с), а истинно элементарными еще меньше. Элементарные частицы образуют некое взаимосвязанное сообщество. Существование какой-либо одной из них связано с наличием других.
В основу классификации элементарных частиц положено несколько свойств и, прежде всего: масса, время жизни, спин, заряд. По массе частицы объединены в группы: легкие (лептоны), средние (мезоны) и тяжелые (барионы). Средние и тяжелые частицы получили название адронов. На сегодняшний день из них лишь лептоны считаются истинно элементарными частицами, так как пока нет ни теоретических, ни экспериментальных данных, которые бы свидетельствовали о наличии у них какой-либо тонкой структуры. Все лептоны участвуют в слабых взаимодействиях, а лептоны, обладающие электрическим зарядом - к тому же еще и в сильных.
Среди микрочастиц специально выделяют те, которые имеют время жизни, значительно меньшее 10-22 с. Их называют резонансами. Различают частицы реальные, то есть те, которые можно непосредственно зафиксировать с помощью приборов (как правило, они имеют большое время жизни- электрон, протон, нейтрон и др.) и частицы виртуальные (возможные), о существовании которых можно судить лишь опосредовано, по некоторым их проявлениям через какие-то вторичные эффекты. Согласно квантовой теории поля все взаимодействия осуществляются благодаря обмену виртуальными частицами (например, электромагнитные взаимодействия осуществляются с помощью виртуальных фотонов, ядерные- с помощью виртуальных глюонов и т.д.). В уравнениях, описывающих взаимодействия, они есть, экспериментально же их наличие в этих взаимодействиях пока никто не зафиксировал. Почти все частицы имеют соответствующие им античастицы.
Эксперименты по глубокому неупругому (т.е. с большой отдачей импульса) рассеянию электронов на протонах, проведенные в конце шестидесятых годов, показали, что внутри протонов имеются области отрицательного заряда. Вскоре стало ясно, что это фундаментальные частицы, из которых состоят все адроны. Их назвали кварками. Расчеты показали, что кварки имеют дробный электрический заряд по отношению к заряду электрона (в классической физике заряд электрона считается самым минимальным из существующих в природе). Раздел физики, изучающий кварки, получил название квантовой хромодинамики. На сегодняшний день известно шесть кварков. Они как и лептоны считаются истинно элементарными частицами. Физики считают, что из этих двух видов частиц можно построить все остальные, то есть можно считать их «первокирпичиками». Однако пока никто не сумел зафиксировать кварк в свободном состоянии. Все, что знает о них наука - результат теоретических расчетов и косвенных измерений.
Исходя из значения спина, все частицы делят на фермионы (в честь Э.Ферми - одного из создателей ядерной и нейтронной физики), имеющие полуцелый спин, и бозоны (в честь Ш.Бозе - одного из создателей квантовой статистики), имеющие целый спин.
К фермионам относится множество частиц, среди которых электроны, протоны, нейтроны. Распределение фермионов подчиняется строгому правилу, которое получило название принципа Паули: в одной квантовой ячейке не могут находиться частицы, имеющие одинаковые квантовые состояния. Возбужденные состояния силовых полей называют фундаментальными бозонами. Таких состояний насчитывается тринадцать. В отличие от фермионов бозоны не подчиняются запрету Паули. Элементарные бозоны являются переносчиками всех видов фундаментальных взаимодействий, каждому из которых соответствует свой вид бозона: гравитационному - гравитон, электромагнитному - фотон, ядерному - глюон, слабому - тяжелый бозон.
Однако исследования в этой области сталкиваются с неимоверными трудностями. Фактически поставлен предел экспериментальным возможностям нахождения еще более элементарных частиц, которые можно считать первокирпичиками. Поэтому в современной физике центр тяжести исследований со структуры материи переносится на исследование взаимосвязей и взаимодействий частиц.
Изучая явления микромира, физики пытаются найти взаимосвязь между разными видами взаимодействий и построить их объединенную теорию. Еще Эйнштейн предполагал возможность объединения электромагнитных взаимодействий с гравитационными. В семидесятых годах нашего столетия была высказана гипотеза, что электромагнитное поле является частью более общего электрослабого поля, состоящего из нескольких компонент.
Предполагается, что некоторые элементарные частицы излучают и поглощают кванты электрослабого поля, и многочисленные опыты это подтверждают, хотя идея не считается полностью доказанной. Были высказаны гипотезы о том, что на расстояниях 10-18 м слабые взаимодействия объединяются с электромагнитными, а на расстояниях - 10-32 м электрослабые взаимодействия объединяются с сильными. Может быть это и так, но ученые пока не умеют работать со столь малыми расстояниями.
Новые представления о структуре материи и объединении взаимодействий ученые связывают с динамическим (физическим) вакуумом. По классическим представлениям вакуум - это абсолютная пустота. Но таковой не бывает. Не зря говорят «природа не терпит пустоты». Если даже из сосуда удалить все вещество, которое в нем находится, то при этом все-таки не получится классической пустоты. Отсутствие вещества еще не означает отсутствия поля.Современная наука трактует вакуум как состояние материи с наименьшей энергией при отсутствии вещества (то есть вакуум - это невозбужденное состояние поля). Вследствие случайных процессов возможны слабые флуктуации (нулевые колебания) этого состояния. Соотношение неопределенностей говорит о том, что на короткое время
Dt ~ h/2pDЕ
любая система может перейти в состояние, отличающееся на DЕ по энергии. Такие переходы называют виртуальными. Виртуальные переходы в вакууме соответствуют рождению виртуальных частиц время жизни которых ~ 10-30 с. При определенных условиях они способны превращаться в реальные. Рождение виртуальных частиц из вакуума возможно даже при низких температурах. То есть поле способно трансформироваться в вещество. С другой стороны, мы знаем примеры превращения вещества в поле. Аннигиляция (лат. annihilatio- уничтожение исчезновение) пар некоторых элементарных античастиц рождает кванты силовых полей.
Динамический вакуум - это пространство, заполненное случайно возникающими и исчезающими виртуальными частицами, число которых тоже случайно. Наличие виртуальных частиц оказывает влияние на поведение реальных частиц, причем, чем легче частица, тем большее значение для нее играет вакуум. Например, в атомной физике эффект его влияния незначителен. Из-за взаимодействия с виртуальными фотонами уровни энергии электрона в атоме смещаются всего лишь на доли процента. Но квантовая электродинамика может этот сдвиг рассчитать, причем расчетные данные находятся в хорошем согласии с экспериментом. Внутри ядер атомов влияние виртуальных частиц играет более существенную роль. А на уровне кварков действие физического вакуума уже является решающим. Ученые полагают, что невозможность существования свободных кварков, по всей вероятности, связана именно с колоссальными изменениями, которые одиночный кварк вызывает в вакууме.
Некоторые ученые полагают, что физический вакуум и есть та праматерия, которая в определенных, неизвестных пока нам условиях, способна порождать стабильные элементарные частицы и легкие атомы, давая начало той материи, которая воспринимается нашими органами чувств.