…Gott gab der Materie zuerst die Form von festem, massivem,

undurchdringliche, bewegliche Partikel solcher Größen und Formen

und mit solchen Eigenschaften und Proportionen in Bezug auf

Raum, der dem Zweck am besten entspricht

wofür er sie geschaffen hat.

I. Newton

In der Philosophie- und Wissenschaftsgeschichte gibt es 3 Ansätze, um die Struktur der Natur auf der Mikroebene zu verstehen:

es gibt unteilbare Teilchen oder Atome, die Welt ist auf grundlegende „Bausteine“ reduziert (Demokrit, Newton);

Materie wird kontinuierlich und unendlich in immer kleinere Teile zerlegt und erreicht nie das unteilbare Atom (Aristoteles);

Im zwanzigsten Jahrhundert entstand ein Konzept, das die Welt aus der Verflechtung aller Dinge erklärt: Ein Teilchen ist kein „Stein“ aus Materie, sondern ein Prozess, ein Glied oder ein Muster im integralen Universum (W. Heisenberg, J. Chu, F.Capra).

Das erste „Elementarteilchen“ wurde 1897 von J.J. Thomson bewies bei der Untersuchung von Kathodenstrahlen die Existenz Elektronen . Unter Einflüssen wird aus der Substanz leicht negative Elektrizität freigesetzt, die als Lichtblitze auf dem Bildschirm fixiert wird. Die Teilchen negativer Elektrizität wurden Elektronen genannt. Während einer elektrischen Entladung in einem verdünnten Gas wurde die minimale Elektrizitätsmenge gleich der Ladung eines Elektrons beobachtet. Bis in die 70er. 20. Jahrhundert das Problem der inneren Struktur des Elektrons ist nicht gelöst, es gibt noch keinen Hinweis auf seine innere Struktur (Anderson 1968; Weisskopf 1977).

Ein Jahr zuvor entdeckte A. Becquerel den radioaktiven Zerfall von Uransalz - die Emission von Alpha-Teilchen (He-Kernen), diese Teilchen wurden von Rutherford verwendet, der experimentell die Existenz des Atomkerns bewies. 1919 führte E. Rutherford auch die erste künstliche Kernreaktion durch: Durch Bestrahlung von N mit Alphateilchen erhielt er das O-Isotop und bewies, dass der Kern das N-Atom enthält Proton 27 (gilt als limitierendes Teilchen).

1932 entdeckte J. Chadwick ein weiteres Kernteilchen – ein ungeladenes Neutron 28. Die Entdeckung des Neutrons, die den Beginn einer neuen Wissenschaft markierte - Neutronenphysik , die Haupteigenschaften des Neutrons, die Anwendung von Neutronen ist das Thema des Buches von S.F. Shebalina Neutronen . Neutronenspuren wurden in einer Nebelkammer beobachtet. Die Masse eines Protons beträgt 1836,1 Massen eines Elektrons, die Masse eines Neutrons 1838,6. W. Heisenberg und unabhängig von ihm D.D. Ivanenko, I.E. Tamm, stellte eine Hypothese über den Aufbau des Atomkerns aus Protonen und Neutronen auf: Der Kern C beispielsweise bestehe aus 6 Protonen und 6 Neutronen. Am Anfang. 30er glaubten, dass Materie aus Atomen besteht und Atome aus 3 „Elementar“-Teilchen, „Bausteinen“: Protonen, Neutronen und Elektronen (Shebalin 1969; Folta, Novy 1987; Capra 1994: 66-67).

Im selben Jahr wurde E.O. Lawrence in Kalifornien baute das erste Zyklotron (ein Beschleuniger für „Elementar“-Teilchen). Teilchenbeschleuniger sind Anlagen, in denen hochenergetische Teilchen kollidieren. Bei der Kollision von subatomaren Teilchen, die sich mit hoher Geschwindigkeit bewegen, wird ein hohes Energieniveau erreicht und die Welt der Wechselwirkungen, Felder und Teilchen wird geboren, da das Elementaritätsniveau vom Energieniveau abhängt. Wenn eine Münze auf solche Geschwindigkeiten beschleunigt wird, entspricht ihre Energie der Energieerzeugung für eine Milliarde Dollar. In der Nähe von Genf wurde ein Ringbeschleuniger mit einem Tunnelumfang von bis zu 27 km gebaut. Um einige Theorien zu testen, wie etwa die Theorie der großen Vereinigung aller Teilchen, wird heute ein Beschleuniger von der Größe des Sonnensystems benötigt (Folta, Nowy 1987: 270-271; Davis 1989: 90-91).

Teilchen werden auch in natürlichen Beschleunigern entdeckt, kosmische Strahlen kollidieren mit Atomen eines experimentellen Geräts und die Ergebnisse des Aufpralls werden untersucht (so wurden die vorhergesagten Positronen, Myonen und Mesonen entdeckt). Mit Hilfe von Beschleunigern und der Höhenstrahlungsforschung hat sich die vielfältige Welt der subatomaren Teilchen erschlossen. 1932 wurden 3 Teilchen entdeckt, 1947 - 14, 1955 - 30, 1969 - mehr als 200. Gleichzeitig mit den Experimenten wurden auch theoretische Studien durchgeführt. Teilchen bewegen sich oft mit Lichtgeschwindigkeit,  , ist es notwendig, die Relativitätstheorie zu berücksichtigen. Die Aufstellung einer allgemeinen Teilchentheorie bleibt ein noch ungelöstes Problem der Physik (Capra 1994: 67).

1967 erschien eine Hypothese über die Existenz Tachyonen - Teilchen, deren Bewegungsgeschwindigkeit höher ist als die Lichtgeschwindigkeit. Neue „Bausteine“ der Materie wurden entdeckt, viele instabile, kurzlebige („Resonanzen“ leben 10 -27 s.) Teilchen, die in gewöhnliche Teilchen zerfallen. Später wurde klar, dass die neuen Teilchen: Resonanzen und Hyperonen, Mesonen – angeregte Zustände anderer Teilchen: Proton und Leptonen. Wie ein angeregtes H-Atom in verschiedenen Zuständen, das als 3 Spektrallinien erscheint, ist kein anderes Atom (Born 1967: 127-129).

Es stellte sich heraus, dass die Teilchen nicht zerfallen, sondern sich ineinander oder in die Energie von Feldquanten verwandeln, in „ihren anderen“ übergehen, jedes Teilchen kann ein integraler Bestandteil eines anderen sein. Partikel können in Strahlung "verschwinden" und Welleneigenschaften aufweisen. Nach der Durchführung der ersten künstlichen Transformation, als die Li-Kerne in He-Kerne umgewandelt wurden, atomar, Kernphysik (Jahrgang 1967; Weiskopf 1977: 50).

1963 schlugen M. Gell-Mann und J. Zweig die Hypothese vor Quarks . Alles Hadronen aufgebaut aus kleineren Teilchen - Quarks von 3 Arten und ihren Antiquarks. Ein Proton und ein Neutron bestehen aus 3 Quarks (man nennt sie auch Baryonen - schwere oder Nukleonen - Kernteilchen). Das Proton ist stabil, positiv geladen, das Neutron ist instabil, verwandelt sich in ein Proton. Quark-Antiquark-Paare (jedes Teilchen hat ein Antiteilchen) bilden Mesonen (Massenmittel zwischen einem Elektron und einem Proton). Um die Vielfalt hadronischer Muster zu erklären, mussten Physiker die Existenz zusätzlicher Quarks postulieren. Es gibt 12 Quarks: 4 Varietäten oder Geschmacksrichtungen (Upper, Lower, Strange und Charming), von denen jede in 3 Farben existieren kann. Die meisten Physiker betrachten Quarks als wirklich elementar, ohne Struktur. Obwohl alle Hadronen Quarksymmetrien haben, verhalten sich Hadronen oft so, als ob sie wirklich aus Punktkomponenten bestehen, aber das Mysterium der Quarks besteht immer noch (Davis 1989: 100; Hawking 1990: 69; Capra 1994: 228, 229).

In Übereinstimmung mit Bootstrap Hypothese Die Natur lässt sich nicht auf die „Bausteine“ der Materie wie Quarks reduzieren, sondern muss auf der Grundlage der Konnektivität verstanden werden. Das Bootstrap-Bild von Teilchen als dynamische Muster in einem zusammenhängenden Netzwerk von Ereignissen wurde von Heisenberg vereinbart, der nicht an das Quark-Modell glaubte (Capra 1996: 43-49).

Alle bekannten Teilchen des Universums können in zwei Gruppen eingeteilt werden: Teilchen „fester“ Materie und virtuelle Teilchen, Träger von Wechselwirkungen , ohne „Ruhe“-Masse. Auch Materieteilchen werden in zwei Gruppen eingeteilt: Hadronen 29 , Nukleonen 30 , Baryonen oder schwere Partikel und Leptonen 31 .

Die Leptonen sind das Elektron, Myon , Tau-Lepton und 3 Arten Neutrino . Heute ist es üblich, das Elektron als elementares, punktförmiges Objekt zu betrachten. Ein Elektron ist negativ geladen, 1836 mal leichter als ein Proton (Weiskopf 1997: 79; Davis 1989: 93-102; Hawking 1990: 63; Feynman, Weinberg 2000).

1931 sagte W. Pauli die Existenz eines neutralen Teilchens voraus Neutrino 1955 wurde in einem Kernreaktor aus einem Proton ein Neutrino unter Bildung eines Elektrons und eines Neutrons geboren.

Dies ist das erstaunlichste Teilchen: Bei BV interagiert das Neutrino kaum mit Materie, da es das leichteste der Leptonen ist. Seine Masse beträgt weniger als ein Zehntausendstel der eines Elektrons, aber es ist wohl das am häufigsten vorkommende Teilchen im Universum und könnte es zum Kollaps bringen. Neutrino interagiert fast nicht mit Materie und dringt durch sie hindurch, als ob sie überhaupt nicht existiert (ein Beispiel für die Existenz nicht eindimensionaler Formen). Ein Gammaquant legt in Blei 3 m zurück und interagiert mit dem Kern eines Bleiatoms, während ein Neutrino 4·10 13 km zurücklegen muss, um zu interagieren. Das Neutrino ist nur an schwachen Wechselwirkungen beteiligt. Ob Neutrinos wirklich eine „Ruhe“-Masse haben, ist noch nicht genau geklärt. Es gibt 3 Arten von Neutrinos: Elektron, Myon und Tau.

1936, in den Produkten der Wechselwirkung kosmischer Strahlung, Myon , ein instabiles Teilchen, das in ein Elektron und 2 Neutrinos zerfällt. Ende der 70er Jahre wurde das „schwerste“ Teilchen, das Lepton, entdeckt, Tau-Lepton (Davis 1989: 93-95).

1928 sagte P. Dirac voraus und entdeckte 1932 ein positiv geladenes Elektron ( Positron - Elektron-Antiteilchen.): Aus einem γ-Quant - einem positiv geladenen Elektron - werden ein Elektron und ein Positron geboren. Wenn ein Elektron mit einem Positron kollidiert, werden zwei Gammaquanten geboren, da um Null bei zu erhalten Vernichtung 32 erfordert zwei Photonen, die in verschiedene Richtungen fliegen.

Später stellte sich heraus, dass alle Teilchen haben Antiteilchen , wechselwirkend, vernichten sich Teilchen und Antiteilchen unter Bildung von Energiequanten. Jedes Materieteilchen hat ein Antiteilchen. Wenn ein Teilchen und ein Antiteilchen kollidieren, vernichten sie sich, wodurch Energie freigesetzt wird und andere Teilchen geboren werden. Im frühen Universum gab es mehr Teilchen als Antiteilchen, sonst hätte die Vernichtung das Universum mit Strahlung gefüllt, und es hätte keine Materie gegeben (Silk 1982: 123-125; Hawking 1990: 64, 71-72).

Der Zustand der Elektronen in einem Atom wird durch eine Reihe von Zahlen bestimmt, die als Quantenzahlen , und geben Sie die Lage und Form der Bahnen an:

Nummer(n) - dies ist die Nummer der Umlaufbahn, die die Energiemenge bestimmt, die ein Elektron haben muss, um in der Umlaufbahn zu sein, der Radius;

Zahl (ℓ) bestimmt die genaue Form der Elektronenwelle im Orbit;

Zahl (m) heißt magnetisch und bestimmt die Ladung des Feldes, das das Elektron umgibt;

Nummer(n) , sogenannt rotieren (Rotation) bestimmt die Geschwindigkeit und Rotationsrichtung des Elektrons, die durch die Form der Elektronenwelle in Bezug auf die Wahrscheinlichkeit bestimmt wird, dass das Teilchen an bestimmten Punkten der Umlaufbahn existiert.

Da diese Eigenschaften als ganze Zahlen ausgedrückt werden, bedeutet dies, dass der Rotationsbetrag eines Elektrons nicht allmählich zunimmt, sondern springt - von einem festen Wert zum anderen. Teilchen sind gekennzeichnet durch das Vorhandensein oder Fehlen von Masse, elektrischer Ladung, Spin (Rotationscharakteristik, Materieteilchen haben Spin +1/2, –1/2, Teilchen-Träger der Wechselwirkungen 0, 1 und 2) und Vp-Leben (Erdei - Gruz 1976; Davis 1989: 38-41, 92; Hawking 1990: 62-63; Capra 1994: 63).

1925 stellte sich W. Pauli die Frage: Warum nehmen Elektronen in einem Atom eine genau definierte Position ein (2 auf der ersten Bahn, 8 auf der zweiten, 32 auf der vierten)? Bei der Analyse der Spektren kam er auf ein einfaches Prinzip: zwei identische Teilchen können nicht im selben Zustand sein , d.h. sie können nicht die gleichen Koordinaten, Geschwindigkeiten, Quantenzahlen haben. Alle Teilchen der Materie unterliegen W. Pauli Verbotsprinzip .

Dieses Prinzip betont die präzise Organisation von Strukturen, ohne die sich die Partikel in ein homogenes und dichtes Gelee verwandeln würden. Das Ausschlussprinzip ermöglichte es, die chemischen Eigenschaften der Elemente zu erklären, die durch die Elektronen der äußeren ungefüllten Schalen bestimmt wurden, was die Begründung für das Periodensystem der Elemente lieferte. Das Pauli-Prinzip führte zu neuen Entdeckungen, dem Verständnis der thermischen und elektrischen Leitfähigkeit von Metallen und Halbleitern. Mit Hilfe des Ausschlussprinzips wurden die Elektronenhüllen von Atomen aufgebaut und Mendeleevs System der Elemente wurde deutlich (Dubnishcheva 1997: 450-452).

Aber es gibt Teilchen, die dem W. Pauli-Ausschlussprinzip nicht gehorchen (es gibt keine Beschränkung der Anzahl der ausgetauschten Teilchen, die Wechselwirkungskraft kann beliebig sein), Trägerteilchen oder virtuelle Teilchen, die keine „Ruhe“-Masse haben und Kräfte erzeugen zwischen Materieteilchen (Hawking 1990: 64 -65).

6. Die Welt der subatomaren Teilchen

Atomspaltung

Es wird oft gesagt, dass es zwei Arten von Wissenschaften gibt – große und kleine Wissenschaften. Die Spaltung des Atoms ist eine große Wissenschaft. Es verfügt über gigantische Versuchsanlagen, kolossale Budgets und erhält den Löwenanteil der Nobelpreise.

Warum mussten Physiker das Atom spalten? Die einfache Antwort – zu verstehen, wie das Atom funktioniert – enthält nur einen Bruchteil der Wahrheit, aber es gibt auch einen allgemeineren Grund. Wörtlich von der Atomspaltung zu sprechen, ist nicht ganz richtig. In Wirklichkeit sprechen wir von einer Kollision hochenergetischer Teilchen. Bei der Kollision von subatomaren Teilchen, die sich mit hoher Geschwindigkeit bewegen, wird eine neue Welt von Wechselwirkungen und Feldern geboren. Materiefragmente mit enormer Energie, die nach Kollisionen verstreut werden, verbergen die Geheimnisse der Natur, die seit der "Erschaffung der Welt" in den Tiefen des Atoms begraben blieben.

Anlagen, an denen hochenergetische Teilchenkollisionen durchgeführt werden - Teilchenbeschleuniger - verblüffen mit ihrer Größe und ihren Kosten. Sie haben einen Durchmesser von mehreren Kilometern, und im Vergleich dazu wirken selbst die Labore, in denen Teilchenkollisionen untersucht werden, winzig klein. In anderen Bereichen der wissenschaftlichen Forschung befinden sich die Geräte im Labor, in der Hochenergiephysik sind die Labore an den Beschleuniger angeschlossen. Vor kurzem hat das Europäische Zentrum für Kernforschung (CERN) in der Nähe von Genf mehrere hundert Millionen Dollar für den Bau eines Ringbeschleunigers bereitgestellt. Der Umfang des zu diesem Zweck zu bauenden Tunnels beträgt 27 km. Der Beschleuniger namens LEP (LEP, Large Electron-Positron Ring – ein großer Elektron-Positron-Ring) soll Elektronen und ihre Antiteilchen (Positronen) auf Geschwindigkeiten beschleunigen, die nur um Haaresbreite von der Lichtgeschwindigkeit entfernt sind. Um sich ein Bild von der Größenordnung der Energie zu machen, stellen Sie sich vor, dass anstelle von Elektronen eine Penny-Münze auf solche Geschwindigkeiten beschleunigt wird. Am Ende des Beschleunigungszyklus hätte es genug Energie, um Strom im Wert von 1.000 Millionen Dollar zu erzeugen! Es ist nicht verwunderlich, dass solche Experimente üblicherweise als „Hochenergie“-Physik eingestuft werden. Die Elektronen- und Positronenstrahlen, die sich innerhalb des Rings aufeinander zubewegen, erfahren frontale Kollisionen, bei denen Elektronen und Positronen vernichten und Energie freisetzen, die ausreicht, um Dutzende anderer Teilchen zu erzeugen.

Was sind das für Teilchen? Einige von ihnen sind genau die „Bausteine“, aus denen wir gebaut sind: Protonen und Neutronen, aus denen Atomkerne bestehen, und Elektronen, die um die Kerne kreisen. Andere Teilchen sind normalerweise nicht in der uns umgebenden Materie zu finden: Ihre Lebensdauer ist extrem kurz, und nachdem sie abgelaufen ist, zerfallen sie in gewöhnliche Teilchen. Die Zahl der Varianten solch instabiler kurzlebiger Teilchen ist erstaunlich: Mehrere Hundert sind bereits bekannt. Wie Sterne sind instabile Teilchen zu zahlreich, um "namentlich" unterschieden zu werden. Viele von ihnen werden nur durch griechische Buchstaben angezeigt, und einige sind einfach Zahlen.

Es ist wichtig zu bedenken, dass all diese zahlreichen und unterschiedlichen instabilen Teilchen keineswegs im wörtlichen Sinne sind Bestandteile Protonen, Neutronen oder Elektronen. Kollidierende, hochenergetische Elektronen und Positronen zerstreuen sich gar nicht in viele subatomare Bruchstücke. Auch bei Stößen hochenergetischer Protonen, die offensichtlich aus anderen Objekten (Quarks) bestehen, zerfallen diese in der Regel nicht in ihre Bestandteile im üblichen Sinne. Was bei solchen Kollisionen passiert, ist besser als die direkte Erzeugung neuer Teilchen aus der Energie der Kollision zu sehen.

Vor etwa zwanzig Jahren waren die Physiker völlig verwirrt von der Fülle und Vielfalt neuer subatomarer Teilchen, die kein Ende zu nehmen schienen. Es war unmöglich zu verstehen wofür so viele Teilchen. Vielleicht sind die Elementarteilchen wie die Bewohner des Zoos mit ihrer impliziten Familienzugehörigkeit, aber ohne eindeutige Taxonomie. Oder vielleicht, wie einige Optimisten glaubten, Elementarteilchen den Schlüssel zum Universum enthalten? Was sind die von Physikern beobachteten Teilchen: unbedeutende und zufällige Materiefragmente oder die Umrisse einer vage wahrgenommenen Ordnung, die vor unseren Augen erscheinen und auf die Existenz einer reichen und komplexen Struktur der subnuklearen Welt hinweisen? Heute besteht kein Zweifel mehr an der Existenz einer solchen Struktur. Der Mikrokosmos hat eine tiefe und rationale Ordnung, und wir beginnen zu verstehen, was die Bedeutung all dieser Teilchen ist.

Der erste Schritt zum Verständnis des Mikrokosmos wurde wie schon im 18. Jahrhundert durch die Systematisierung aller bekannten Teilchen getan. Biologen erstellten detaillierte Kataloge von Pflanzen- und Tierarten. Die wichtigsten Eigenschaften subatomarer Teilchen sind Masse, elektrische Ladung und Spin.

Da Masse und Gewicht zusammenhängen, werden Teilchen mit großer Masse oft als „schwer“ bezeichnet. Einstein-Beziehung E \u003d mc ^ 2 zeigt, dass die Masse eines Teilchens von seiner Energie und damit von seiner Geschwindigkeit abhängt. Ein bewegtes Teilchen ist schwerer als ein ruhendes Teilchen. Wenn Leute über die Masse eines Teilchens sprechen, meinen sie es. Menge, die übrig bleibt, da diese Masse unabhängig vom Bewegungszustand ist. Ein Teilchen ohne Ruhemasse bewegt sich mit Lichtgeschwindigkeit. Das offensichtlichste Beispiel für ein Teilchen mit Null Ruhemasse ist das Photon. Es wird angenommen, dass das Elektron das leichteste der Teilchen mit einer Ruhemasse ungleich Null ist. Proton und Neutron sind fast 2.000 Mal schwerer, während die Masse des schwersten Teilchens, das im Labor erzeugt wurde (Z-Teilchen), etwa die 200.000-fache Masse eines Elektrons beträgt.

Die elektrische Ladung von Teilchen variiert in einem ziemlich engen Bereich, aber wie wir bereits festgestellt haben, ist sie immer ein Vielfaches der Grundladungseinheit. Einige Teilchen, wie Photonen und Neutrinos, haben keine elektrische Ladung. Wenn die Ladung eines positiv geladenen Protons mit +1 angenommen wird, dann ist die Ladung eines Elektrons -1.

In Kap. 2 haben wir eine weitere Partikeleigenschaft eingeführt - Spin. Es nimmt auch immer Werte an, die Vielfache einer Grundeinheit sind, die aus historischen Gründen zu 1 gewählt wurde /2. Proton, Neutron und Elektron haben also einen Spin 1/2, und der Spin des Photons ist 1. Teilchen mit den Spins 0, 3/2 und 2 sind ebenfalls bekannt. Grundlegende Teilchen mit Spins größer als 2 wurden nicht gefunden, und Theoretiker glauben, dass Teilchen mit solchen Spins nicht existieren.

Der Spin eines Teilchens ist ein wichtiges Merkmal, und je nach Wert werden alle Teilchen in zwei Klassen eingeteilt. Teilchen mit den Spins 0, 1 und 2 werden „Bosonen“ genannt – zu Ehren des indischen Physikers Chatyendranath Bose, und Teilchen mit halbzahligem Spin (also mit Spin 1/2 oder 3/2 - "fermions" zu Ehren von Enrico Fermi. Die Zugehörigkeit zu einer dieser beiden Klassen ist wahrscheinlich die wichtigste in der Liste der Partikeleigenschaften.

Eine weitere wichtige Eigenschaft eines Partikels ist seine Lebensdauer. Bis vor kurzem glaubte man, dass Elektronen, Protonen, Photonen und Neutrinos absolut stabil sind, d.h. haben eine unendliche Lebensdauer. Das Neutron bleibt stabil, solange es im Kern "eingeschlossen" ist, aber ein freies Neutron zerfällt in etwa 15 Minuten. Alle anderen bekannten Teilchen sind sehr instabil, ihre Lebensdauer variiert von wenigen Mikrosekunden bis zu 10-23 s. Solche Zeitintervalle erscheinen unfassbar klein, aber man sollte nicht vergessen, dass ein Teilchen, das mit einer Geschwindigkeit nahe der Lichtgeschwindigkeit fliegt (und die meisten Teilchen, die in Beschleunigern produziert werden, sich mit genau dieser Geschwindigkeit bewegen), eine Distanz von 300 m zurücklegen kann eine Mikrosekunde.

Instabile Teilchen zerfallen, was ein Quantenprozess ist, und daher gibt es beim Zerfall immer ein Element der Unvorhersehbarkeit. Die Lebensdauer eines bestimmten Partikels kann nicht vorhergesagt werden. Aufgrund statistischer Überlegungen kann nur die durchschnittliche Lebensdauer vorhergesagt werden. Üblicherweise spricht man von der Halbwertszeit eines Teilchens, der Zeit, die es dauert, bis eine Population identischer Teilchen um die Hälfte reduziert ist. Das Experiment zeigt, dass die Abnahme der Population exponentiell erfolgt (siehe Abb. 6) und die Halbwertszeit 0,693 der durchschnittlichen Lebensdauer beträgt.

Es reicht den Physikern nicht aus zu wissen, dass dieses oder jenes Teilchen existiert – sie streben danach zu verstehen, was seine Rolle ist. Die Antwort auf diese Frage hängt von den Eigenschaften der oben aufgeführten Teilchen ab, sowie von der Art der Kräfte, die von außen und innen auf das Teilchen einwirken. Zunächst einmal werden die Eigenschaften eines Teilchens durch seine Fähigkeit (oder Unfähigkeit) bestimmt, an einer starken Wechselwirkung teilzunehmen. Die an der starken Wechselwirkung beteiligten Teilchen bilden eine besondere Klasse und werden genannt Andronen. Teilchen, die an der schwachen Wechselwirkung teilnehmen und nicht an der starken Wechselwirkung teilnehmen, werden aufgerufen Leptonen, was "Lunge" bedeutet. Werfen wir einen kurzen Blick auf jede dieser Familien.

Leptonen

Das bekannteste der Leptonen ist das Elektron. Wie alle Leptonen scheint es ein elementares Punktobjekt zu sein. Soweit bekannt, hat das Elektron keine innere Struktur; besteht nicht aus anderen Teilchen. Obwohl Leptonen eine elektrische Ladung haben können oder nicht, haben sie alle den gleichen Spin 1/2, daher sind sie Fermionen.

Ein weiteres bekanntes Lepton, jedoch ohne Ladung, ist das Neutrino. Wie bereits in Kap. 2, Neutrinos sind schwer fassbar, wie Geister. Da Neutrinos weder an starken noch an elektromagnetischen Wechselwirkungen teilnehmen, ignorieren sie Materie fast vollständig und dringen durch sie hindurch, als wäre sie gar nicht vorhanden. Die hohe Durchdringungskraft von Neutrinos machte es lange Zeit sehr schwierig, ihre Existenz experimentell zu bestätigen. Erst fast drei Jahrzehnte nach der Neutrino-Vorhersage wurden sie schließlich im Labor entdeckt. Die Physiker mussten auf die Schaffung von Kernreaktoren warten, bei denen eine große Menge an Neutrinos emittiert wird, und erst dann war es möglich, eine frontale Kollision eines Teilchens mit dem Kern zu registrieren und damit zu beweisen, dass es wirklich existiert. Heute lassen sich viel mehr Experimente mit Neutrinostrahlen durchführen, die beim Zerfall von Teilchen in einem Beschleuniger entstehen und die erforderlichen Eigenschaften haben. Die überwältigende Mehrheit der Neutrinos "ignoriert" das Ziel, aber von Zeit zu Zeit interagieren Neutrinos immer noch mit dem Ziel, was es ermöglicht, nützliche Informationen über die Struktur anderer Teilchen und die Art der schwachen Wechselwirkung zu erhalten. Natürlich erfordern Experimente mit Neutrinos im Gegensatz zu Experimenten mit anderen subatomaren Teilchen keinen besonderen Schutz. Die Durchdringungskraft von Neutrinos ist so groß, dass sie völlig harmlos sind und den menschlichen Körper durchdringen, ohne ihm den geringsten Schaden zuzufügen.

Trotz ihrer Ungreifbarkeit nehmen Neutrinos unter anderen bekannten Teilchen eine Sonderstellung ein, da sie die am häufigsten vorkommenden Teilchen im Universum sind und Elektronen und Protonen um eine Milliarde Mal übertreffen. Das Universum ist im Wesentlichen ein Meer von Neutrinos, in denen gelegentlich Einschlüsse in Form von Atomen zu finden sind. Es ist sogar möglich, dass die Gesamtmasse der Neutrinos die Gesamtmasse der Sterne übersteigt und somit die Neutrinos den Hauptbeitrag zur kosmischen Gravitation leisten. Laut einer Gruppe sowjetischer Forscher hat das Neutrino eine winzige, aber nicht null Ruhemasse (weniger als ein Zehntausendstel der Masse eines Elektrons); Wenn dies zutrifft, dominieren gravitative Neutrinos das Universum, was in Zukunft zu seinem Zusammenbruch führen könnte. Neutrinos, auf den ersten Blick die "harmlosesten" und körperlosesten Teilchen, sind also in der Lage, den Zusammenbruch des gesamten Universums zu verursachen.

Andere Leptonen sind das Myon, das 1936 in den Produkten der Wechselwirkung kosmischer Strahlung entdeckt wurde; es stellte sich als eines der ersten bekannten instabilen subatomaren Teilchen heraus. Abgesehen von der Stabilität ähnelt das Myon in jeder Hinsicht einem Elektron: Es hat die gleiche Ladung und den gleichen Spin, nimmt an den gleichen Wechselwirkungen teil, hat aber eine größere Masse. In etwa zwei Millionstel Sekunden zerfällt ein Myon in ein Elektron und zwei Neutrinos. Myonen sind in der Natur weit verbreitet, sie machen einen erheblichen Teil der kosmischen Hintergrundstrahlung aus, die von einem Geigerzähler auf der Erdoberfläche aufgezeichnet wird.

Viele Jahre lang waren das Elektron und das Myon die einzigen bekannten geladenen Leptonen. Dann, in den späten 1970er Jahren, wurde ein drittes geladenes Lepton entdeckt, das "Tau-Lepton" genannt wurde. Mit einer Masse von etwa 3500 Elektronenmassen ist das Tau-Lepton offensichtlich ein „Schwergewicht“ im Trio der geladenen Leptonen, aber ansonsten verhält es sich wie ein Elektron und ein Myon.

Diese Liste bekannter Leptonen ist keineswegs erschöpft. In den 1960er Jahren wurde festgestellt, dass es mehrere Arten von Neutrinos gibt. Ein Neutrino eines Typs wird zusammen mit einem Elektron während des Zerfalls eines Neutrons geboren, und ein Neutrino eines anderen Typs - während der Geburt eines Myons. Jede Art von Neutrino ist mit einem eigenen geladenen Lepton gepaart; daher gibt es ein „Elektronenneutrino“ und ein „Myonenneutrino“. Aller Wahrscheinlichkeit nach sollte es auch ein Neutrino des dritten Typs geben, das die Geburt eines Tau-Leptons begleitet. In diesem Fall beträgt die Gesamtzahl der Neutrino-Varietäten drei und die Gesamtzahl der Leptonen sechs (Tabelle 1). Natürlich hat jedes Lepton sein eigenes Antiteilchen; somit beträgt die Gesamtzahl unterschiedlicher Leptonen zwölf.

Tabelle 1

Sechs Leptonen entsprechen geladenen und neutralen Modifikationen (Antiteilchen sind nicht in der Tabelle enthalten). Die Masse und Ladung werden in Einheiten der Masse bzw. Ladung des Elektrons ausgedrückt. Es gibt Hinweise darauf, dass Neutrinos eine kleine Masse haben können

Hadronen

Im Gegensatz zu den wenigen bekannten Hadron-Leptonen gibt es buchstäblich Hunderte. Allein dies legt nahe, dass Hadronen keine Elementarteilchen sind, sondern aus kleineren Bestandteilen aufgebaut sind. Alle Hadronen nehmen an starken, schwachen und gravitativen Wechselwirkungen teil, aber sie treten in zwei Varianten auf – elektrisch geladen und neutral. Unter den Hadronen sind das Neutron und das Proton die bekanntesten und am weitesten verbreiteten. Die verbleibenden Hadronen sind kurzlebig und zerfallen aufgrund der schwachen Wechselwirkung entweder in weniger als einer Millionstel Sekunde oder aufgrund der starken Wechselwirkung viel schneller (in der Größenordnung von 10-23 s).

In den 1950er Jahren waren Physiker äußerst verwirrt über die Fülle und Vielfalt von Hadronen. Aber nach und nach wurden Teilchen nach drei wichtigen Eigenschaften klassifiziert: Masse, Ladung und Spin. Allmählich zeigten sich Ordnungszeichen und ein klares Bild zeichnete sich ab. Es gab Hinweise darauf, dass sich hinter dem scheinbaren Chaos der Daten Symmetrien verbargen. Ein entscheidender Schritt zur Lösung des Mysteriums der Hadronen wurde 1963 getan, als Murray Gell-Mann und George Zweig vom California Institute of Technology die Theorie der Quarks vorschlugen.

Abb.10 Hadronen sind aus Quarks aufgebaut. Das Proton (oben) besteht aus zwei u-Quarks und einem d-Quark. Das hellere Pion (unten) ist ein Meson, das aus einem u-Quark und einem d-Antiquark besteht. Andere Hadronen sind alle möglichen Kombinationen von Quarks.

Die Grundidee dieser Theorie ist sehr einfach. Alle Hadronen sind aus kleineren Teilchen aufgebaut, die Quarks genannt werden. Quarks können sich auf zwei Arten miteinander verbinden: entweder in Tripletts oder in Quark-Antiquark-Paaren. Vergleichsweise schwere Teilchen bestehen aus drei Quarks - Baryonen, was "schwere Teilchen" bedeutet. Die bekanntesten Baryonen sind das Neutron und das Proton. Die leichteren Quark-Antiquark-Paare bilden sogenannte Teilchen Mesonen -"Zwischenteilchen". Die Wahl eines solchen Namens erklärt sich aus der Tatsache, dass die zuerst entdeckten Mesonen eine mittlere Massenposition zwischen Elektronen und Protonen einnahmen. Um alle damals bekannten Hadronen zu berücksichtigen, führten Gell-Mann und Zweig drei verschiedene Arten ("Geschmacksrichtungen") von Quarks ein, die ziemlich bizarre Namen erhielten: und(aus hoch- Oberer, höher), d(aus Nieder- niedriger) und s (von seltsam- seltsam). Geht man von der Möglichkeit verschiedener Geschmackskombinationen aus, lässt sich die Existenz einer großen Zahl von Hadronen erklären. Zum Beispiel besteht ein Proton aus zwei und- und einem d-Quark (Abb. 10), und das Neutron besteht aus zwei d-Quarks und einem u-Quark.

Damit die von Gell-Mann und Zweig vorgeschlagene Theorie gültig ist, muss angenommen werden, dass Quarks eine gebrochene elektrische Ladung tragen. Mit anderen Worten, sie haben eine Ladung, deren Wert entweder 1/3 oder 2/3 der Grundeinheit - der Elektronenladung - beträgt. Eine Kombination aus zwei und drei Quarks kann eine Gesamtladung von null oder eins haben. Alle Quarks haben Spin 1/2. sie sind also Fermionen. Die Massen von Quarks wurden nicht so genau bestimmt wie die Massen anderer Teilchen, da ihre Bindungsenergie in einem Hadron mit der Masse der Quarks selbst vergleichbar ist. Allerdings ist bekannt, dass das s-Quark schwerer ist und- und d-Quarks.

Innerhalb von Hadronen können sich Quarks in angeregten Zuständen befinden, die in vielerlei Hinsicht den angeregten Zuständen eines Atoms ähneln, jedoch mit viel höheren Energien. Die überschüssige Energie, die in einem angeregten Hadron enthalten ist, erhöht seine Masse so sehr, dass Physiker vor der Entstehung der Quarktheorie irrtümlicherweise angeregte Hadronen für völlig andere Teilchen hielten. Es wurde nun festgestellt, dass viele der scheinbar unterschiedlichen Hadronen tatsächlich nur angeregte Zustände des gleichen fundamentalen Satzes von Quarks sind.

Wie bereits in Kap. 5, Quarks werden durch eine starke Wechselwirkung zusammengehalten. Sie nehmen aber auch an schwachen Wechselwirkungen teil. Die schwache Kraft kann den Geschmack eines Quarks verändern. So kommt es zum Neutronenzerfall. Aus einem der d-Quarks im Neutron wird ein u-Quark, und die überschüssige Ladung trägt das gleichzeitig entstehende Elektron ab. In ähnlicher Weise führt die schwache Wechselwirkung durch Änderung des Geschmacks zum Zerfall anderer Hadronen.

Die Existenz von S-Quarks ist notwendig für den Bau der sogenannten „seltsamen“ Teilchen – schwere Hadronen, die in den frühen 1950er Jahren entdeckt wurden. Das ungewöhnliche Verhalten dieser Teilchen, das zu ihrem Namen führte, bestand darin, dass sie aufgrund der starken Wechselwirkung nicht zerfallen konnten, obwohl sowohl sie selbst als auch ihre Zerfallsprodukte Hadronen waren. Physiker haben darüber nachgedacht, warum, wenn sowohl Mutter- als auch Tochterteilchen zur Familie der Hadronen gehören, die starke Kraft sie nicht zum Zerfall bringt. Aus irgendeinem Grund "bevorzugten" diese Hadronen die viel weniger intensive schwache Wechselwirkung. Wieso den? Die Theorie der Quarks hat dieses Rätsel natürlich gelöst. Die starke Kraft kann den Geschmack von Quarks nicht verändern – nur die schwache Kraft kann es. Und das ohne Geschmacksveränderung, begleitet von der Umwandlung des S-Quarks in und- oder d-Quark, Zerfall ist unmöglich.

Im Tisch. Abbildung 2 zeigt die verschiedenen möglichen Kombinationen von Drei-Flavour-Quarks und ihren Namen (normalerweise nur ein griechischer Buchstabe). Zahlreiche angeregte Zustände sind nicht gezeigt. Die Tatsache, dass alle bekannten Hadronen aus verschiedenen Kombinationen der drei Grundteilchen erhalten werden können, symbolisierte den großen Triumph der Theorie der Quarks. Doch trotz dieses Erfolges gelang es erst wenige Jahre später, direkte physikalische Beweise für die Existenz von Quarks zu erhalten.

Diese Beweise wurden 1969 in einer Reihe historischer Experimente erhalten, die an einem großen Linearbeschleuniger in Stanford (Kalifornien, USA) - SLAC - durchgeführt wurden. Die Stanford-Experimentatoren argumentierten einfach. Befinden sich wirklich Quarks im Proton, dann können Kollisionen mit diesen Teilchen im Inneren des Protons beobachtet werden. Alles, was benötigt wird, ist ein subnukleares "Projektil", das direkt in den Darm des Protons gelenkt werden könnte. Es ist sinnlos, zu diesem Zweck ein anderes Hadron zu verwenden, da es die gleichen Abmessungen wie das Proton hat. Ein ideales Projektil könnte ein Lepton sein, beispielsweise ein Elektron. Da das Elektron nicht an der starken Wechselwirkung teilnimmt, wird es nicht in dem Medium „stecken bleiben“, das Quarks bilden. Gleichzeitig kann das Elektron die Anwesenheit von Quarks aufgrund der Anwesenheit einer elektrischen Ladung auf ihnen fühlen.

Tabelle 2

Die drei Quarksorten u, d und s entsprechen den Ladungen +2/3, -1/3 und -1/3; sie verbinden sich zu dritt zu den acht in der Tabelle gezeigten Baryonen. Quark-Antiquark-Paare bilden Mesonen. (Einige Kombinationen wie sss werden weggelassen.)

Beim Stanford-Experiment diente der drei Kilometer lange Beschleuniger im Wesentlichen als riesiges „Elektronenmikroskop“, das es ermöglichte, das Innere eines Protons abzubilden. Ein herkömmliches Elektronenmikroskop ermöglicht es, Details zu erkennen, die kleiner als ein Millionstel Zentimeter sind. Das Proton hingegen ist mehrere zehn Millionen Mal kleiner und kann nur von Elektronen "untersucht" werden, die auf eine Energie von 2,1010 eV beschleunigt werden. Zur Zeit der Stanford-Experimente hielten sich nur wenige Physiker an die vereinfachte Theorie der Quarks. Die meisten Wissenschaftler erwarteten, dass die Elektronen durch die elektrische Ladung der Protonen abgelenkt würden, aber man ging davon aus, dass die Ladung innerhalb des Protons gleichmäßig verteilt war. Wenn dies zuträfe, würde hauptsächlich eine schwache Streuung von Elektronen auftreten, d.h. Beim Durchgang durch Protonen würden Elektronen keine starken Ablenkungen erfahren. Das Experiment zeigte, dass das Streumuster stark von dem erwarteten abwich. Alles geschah so, als würden einige Elektronen auf winzige harte Einschlüsse treffen und in den unglaublichsten Winkeln von ihnen abprallen. Jetzt wissen wir, dass Quarks solche harten Einschlüsse in Protonen sind.

1974 erhielt eine vereinfachte Version der Theorie der Quarks, die damals unter Theoretikern Anerkennung gefunden hatte, einen empfindlichen Schlag. Innerhalb weniger Tage gaben zwei Gruppen amerikanischer Physiker – eine in Stanford unter der Leitung von Burton Richter, die andere im Brookhaven National Laboratory unter der Leitung von Samuel Ting – unabhängig voneinander die Entdeckung eines neuen Hadrons bekannt, das Psi-Teilchen genannt wurde. An sich wäre die Entdeckung eines neuen Hadrons kaum besonders bemerkenswert gewesen, wenn da nicht ein Umstand gewesen wäre: Tatsache ist, dass in dem von der Quarktheorie vorgeschlagenen Schema kein Platz für ein einziges neues Teilchen war. Alle möglichen Kombinationen von u-, d- und s-Quarks und ihren Antiquarks sind bereits "aufgebraucht". Woraus besteht ein Psi-Teilchen?

Das Problem wurde gelöst, indem man sich einer Idee zuwandte, die schon seit einiger Zeit in der Luft lag: Es muss einen vierten Duft geben, den noch niemand zuvor gesehen hatte. Der neue Duft hatte bereits einen eigenen Namen - Charme (Charme), oder c. Es wurde vorgeschlagen, dass ein Psi-Teilchen ein Meson ist, das aus einem c-Quark und einem c-Antiquark (c) besteht, d.h. cc. Da Antiquarks Träger des Antiaroma sind, wird der Charme des Psi-Teilchens neutralisiert, und daher musste die experimentelle Bestätigung der Existenz eines neuen Flavours (Charm) warten, bis es möglich war, Mesonen nachzuweisen, in denen charmed Quarks gepaart waren mit Anti-Quarkamps anderer Geschmacksrichtungen. . Inzwischen ist eine ganze Reihe verzauberter Partikel bekannt. Sie sind alle sehr schwer, also ist das Charm-Quark schwerer als das Strange-Quark.

Die oben beschriebene Situation wiederholte sich 1977, als das sogenannte Ypsilon-Meson (UPSILON) die Szene betrat. Diesmal wurde ohne großes Zögern die fünfte Geschmacksrichtung eingeführt, die B-Quark genannt wird (von unten nach unten, und häufiger Schönheit – Schönheit oder Charme). Das Ypsilon-Meson ist ein Quark-Antiquark-Paar aus b-Quarks und hat daher eine verborgene Schönheit; aber wie im vorherigen Fall ermöglichte eine andere Kombination von Quarks schließlich die Entdeckung von "Schönheit".

Die relative Masse der Quarks lässt sich zumindest daran ablesen, dass das leichteste der Mesonen, das Pion, aus Paaren besteht und- und d-Quarks mit Antiquarks. Das Psi-Meson ist etwa 27-mal schwerer und das Ypsilon-Meson mindestens 75-mal schwerer als das Pion.

Die allmähliche Erweiterung der Liste bekannter Aromen erfolgte parallel zur Zunahme der Zahl der Leptonen; so erhob sich die naheliegende frage, ob es jemals ein ende geben würde. Quarks wurden eingeführt, um die Beschreibung der ganzen Vielfalt der Hadronen zu vereinfachen, aber schon jetzt hat man das Gefühl, dass die Liste der Teilchen wieder zu schnell wächst.

Grundgedanke des Atomismus ist seit Demokrit die Erkenntnis, dass es in hinreichend kleinem Maßstab echte Elementarteilchen geben muss, deren Kombinationen die uns umgebende Materie ausmachen. Atomistik ist attraktiv, weil (per Definition) unteilbare Elementarteilchen in einer sehr begrenzten Anzahl existieren müssen. Die Vielfalt der Natur beruht auf einer Vielzahl von nicht Bestandteilen, sondern deren Kombinationen. Als entdeckt wurde, dass es viele verschiedene Atomkerne gibt, verschwand die Hoffnung, dass das, was wir heute Atome nennen, der Vorstellung der alten Griechen von den Elementarteilchen der Materie entsprach. Und obwohl wir traditionell immer noch von verschiedenen chemischen "Elementen" sprechen, ist bekannt, dass Atome überhaupt nicht elementar sind, sondern aus Protonen, Neutronen und Elektronen bestehen. Und sobald sich herausstellt, dass die Zahl der Quarks zu groß ist, ist man versucht anzunehmen, dass auch sie komplexe Systeme aus kleineren Teilchen sind.

Obwohl es aus diesem Grund einige Unzufriedenheiten mit dem Quark-Schema gibt, betrachten die meisten Physiker Quarks als echte Elementarteilchen – punktförmig, unteilbar und ohne innere Struktur. In dieser Hinsicht ähneln sie Peptonen, und es wurde lange vermutet, dass es eine tiefe Beziehung zwischen diesen beiden unterschiedlichen, aber strukturell ähnlichen Familien geben muss. Die Gründe für eine solche Sichtweise ergeben sich aus einem Vergleich der Eigenschaften von Leptonen und Quarks (Tabelle 3). Leptonen können paarweise gruppiert werden, indem jedem geladenen Lepton ein entsprechendes Neutrino zugeordnet wird. Quarks können auch paarweise gruppiert werden. Tab. 3 ist so aufgebaut, dass jede Zelle die direkt davor liegende Struktur wiederholt. Beispielsweise wird in der zweiten Zelle das Myon als „schweres Elektron“ dargestellt, und die Charm- und Strange-Quarks werden als schwere Varianten dargestellt. und- und d-Quarks. Aus der nächsten Zelle können Sie sehen, dass das Tau-Lepton ein noch schwereres „Elektron“ ist und das b-Quark eine schwere Version des d-Quarks ist. Für eine vollständige Analogie noch ein (tau-leptonisches) Neutrino und ein sechster Quark-Flavour, der bereits den Namen True erhalten hat (Wahrheit, t). Als dieses Buch geschrieben wurde, war der experimentelle Beweis für die Existenz von t-Quarks noch nicht überzeugend genug, und einige Physiker bezweifelten, dass t-Quarks überhaupt existierten.

Tisch 3

Leptonen und Quarks paaren sich auf natürliche Weise. wie in der Tabelle gezeigt. Die Welt um uns herum besteht aus den ersten vier Teilchen. Aber die nächsten Gruppen wiederholen offenbar die obere und bestehen in der Neutrinokrone aus extrem instabilen Teilchen.

Kann es eine vierte, fünfte usw. Dämpfe, die noch schwerere Partikel enthalten? Wenn ja, dann wird die nächste Generation von Beschleunigern den Physikern wahrscheinlich die Möglichkeit geben, solche Teilchen nachzuweisen. Es wird jedoch eine merkwürdige Überlegung geäußert, aus der folgt, dass andere Paare außer den drei genannten nicht existieren. Diese Überlegung basiert auf der Anzahl der Neutrinotypen. Wir werden bald erfahren, dass im Moment des Urknalls, der die Entstehung des Universums markierte, eine intensive Geburt von Neutrinos stattfand. Eine Art Demokratie garantiert jeder Art von Teilchen den gleichen Energieanteil wie den anderen; Je mehr verschiedene Arten von Neutrinos daher vorhanden sind, desto mehr Energie ist in dem Meer von Neutrinos enthalten, das den Weltraum füllt. Berechnungen zeigen, dass bei mehr als drei Arten von Neutrinos die von allen erzeugte Gravitation einen starken störenden Effekt auf die nuklearen Prozesse haben würde, die in den ersten Minuten des Lebens des Universums stattfanden. Daher folgt aus diesen indirekten Überlegungen eine sehr plausible Schlussfolgerung, dass die drei in Tabelle gezeigten Paare. 3 sind alle in der Natur vorkommenden Quarks und Leptonen erschöpft.

Es ist interessant festzustellen, dass alle gewöhnliche Materie im Universum nur aus zwei leichtesten Leptonen (einem Elektron und einem Elektron-Neutrino) und zwei leichtesten Quarks ( und und d). Wenn alle anderen Leptonen und Quarks plötzlich aufhören würden zu existieren, würde sich in der Welt um uns herum anscheinend sehr wenig ändern.

Möglicherweise spielen die schwereren Quarks und Leptonen eine Art Stellvertreter für die leichtesten Quarks und Leptonen. Alle von ihnen sind instabil und zerfallen schnell in Partikel, die sich in der oberen Zelle befinden. Zum Beispiel zerfallen das Tau-Lepton und das Myon in Elektronen, während die seltsamen, verzauberten und schönen Teilchen ziemlich schnell entweder in Neutronen oder Protonen (im Fall von Baryonen) oder in Leptonen (im Fall von Mesonen) zerfallen. Es stellt sich die Frage: wofür Existieren all diese Teilchen der zweiten und dritten Generation? Warum brauchte die Natur sie?

Partikel - Träger von Wechselwirkungen

Sechs Paare aus Leptonen und Quarks, die das Baumaterial der Materie bilden, erschöpfen die Liste der bekannten Teilchen keineswegs. Einige von ihnen, wie das Photon, sind nicht im Quark-Schema enthalten. Die „über Bord gelassenen“ Teilchen sind nicht die „Bausteine ​​des Universums“, sondern bilden eine Art „Klebstoff“, der die Welt nicht auseinanderfallen lässt, d.h. sie sind mit vier grundlegenden Wechselwirkungen verbunden.

Ich erinnere mich, dass mir als Kind gesagt wurde, dass der Mond die Ozeane während der täglichen Gezeiten steigen und fallen lässt. Es war mir schon immer ein Rätsel, wie der Ozean weiß, wo der Mond steht, und seine Bewegung am Himmel verfolgt. Als ich bereits in der Schule etwas über die Schwerkraft lernte, verstärkte sich meine Verwirrung nur noch. Wie schafft es der Mond, nachdem er eine Viertelmillion Kilometer leeren Raums überwunden hat, den Ozean zu „erstrecken“? Die Standardantwort - der Mond erzeugt in diesem leeren Raum ein Gravitationsfeld, dessen Wirkung den Ozean erreicht und ihn in Bewegung versetzt - machte sicherlich einen Sinn, befriedigte mich jedoch noch nicht vollständig. Schließlich können wir das Gravitationsfeld des Mondes nicht sehen. Vielleicht steht das nur so? Erklärt das wirklich etwas? Ich hatte immer den Eindruck, dass der Mond dem Ozean irgendwie sagen muss, wo er ist. Zwischen dem Mond und dem Ozean muss eine Art Signalaustausch stattfinden, damit das Wasser weiß, wohin es gehen soll.

Im Laufe der Zeit stellte sich heraus, dass die Idee einer Kraft, die in Form eines Signals durch den Raum übertragen wird, nicht so weit von der modernen Herangehensweise an dieses Problem entfernt ist. Um zu verstehen, wie eine solche Darstellung entsteht, ist es notwendig, die Natur des Kraftfeldes genauer zu betrachten. Nehmen wir als Beispiel nicht Meeresgezeiten, sondern ein einfacheres Phänomen: Zwei Elektronen nähern sich einander und fliegen dann unter dem Einfluss elektrostatischer Abstoßung in verschiedene Richtungen auseinander. Physiker nennen diesen Vorgang das Streuproblem. Natürlich stoßen sich Elektronen nicht buchstäblich gegenseitig. Sie interagieren aus der Ferne durch das elektromagnetische Feld, das von jedem Elektron erzeugt wird.

Abb.11. Streuung zweier geladener Teilchen. Die Flugbahnen der Teilchen sind gekrümmt, wenn sie sich aufgrund der Wirkung der elektrischen Abstoßungskraft annähern.

Es ist nicht schwer, sich ein Bild von der Streuung eines Elektrons an einem Elektron vorzustellen. Anfangs sind die Elektronen weit voneinander entfernt und beeinflussen sich gegenseitig schwach. Jedes Elektron bewegt sich nahezu geradlinig (Abb. 11). Wenn dann die Abstoßungskräfte ins Spiel kommen, beginnen sich die Bahnen der Elektronen zu krümmen, bis die Teilchen so nah wie möglich sind; danach divergieren die Flugbahnen und die Elektronen streuen, wobei sie wieder beginnen, sich entlang geradliniger, aber bereits divergierender Flugbahnen zu bewegen. Ein solches Modell lässt sich leicht im Labor mit elektrisch geladenen Kugeln anstelle von Elektronen demonstrieren. Und wieder stellt sich die Frage: woher "weiß" das Teilchen, wo das andere Teilchen ist, und ändert dementsprechend seine Bewegung.

Das Bild gekrümmter Elektronenbahnen ist zwar recht anschaulich, aber in mancher Hinsicht völlig ungeeignet. Tatsache ist, dass Elektronen Quantenteilchen sind und ihr Verhalten den spezifischen Gesetzen der Quantenphysik gehorcht. Zunächst einmal bewegen sich Elektronen im Raum nicht auf wohldefinierten Bahnen. Wir können immer noch auf die eine oder andere Weise die Anfangs- und Endpunkte des Pfades bestimmen – vor und nach der Streuung, aber der Pfad selbst in dem Intervall zwischen Beginn und Ende der Bewegung bleibt unbekannt und unbestimmt. Darüber hinaus widerspricht die intuitive Vorstellung eines kontinuierlichen Energie- und Impulsaustauschs zwischen dem Elektron und dem Feld, als ob das Elektron beschleunigt würde, der Existenz von Photonen. Energie und Impuls können übertragen werden Feld nur in Portionen oder Quanten. Ein genaueres Bild der durch das Feld in die Bewegung eines Elektrons eingebrachten Störung erhält man, wenn man annimmt, dass das Elektron, das ein Photon des Feldes absorbiert, sozusagen einen plötzlichen Stoß erfährt. Daher kann auf der Quantenebene der Vorgang der Streuung eines Elektrons an einem Elektron wie in Abb. 12. Die Wellenlinie, die die Bahnen zweier Elektronen verbindet, entspricht einem Photon, das von einem Elektron emittiert und von einem anderen absorbiert wird. Nun erscheint der Streuvorgang als plötzliche Änderung der Bewegungsrichtung jedes Elektrons

Abb.12. Quantenbeschreibung der Streuung geladener Teilchen. Die Wechselwirkung von Teilchen beruht auf dem Austausch des Wechselwirkungsträgers oder virtuellen Photons (Wellenlinie).

Diagramme dieser Art wurden erstmals von Richard Feynman verwendet, um die verschiedenen Terme einer Gleichung visuell darzustellen, und hatten zunächst eine rein symbolische Bedeutung. Aber dann begann man Feynman-Diagramme zu verwenden, um die Wechselwirkungen von Teilchen schematisch darzustellen. Solche Bilder ergänzen sozusagen die Intuition des Physikers, sind aber mit einer gewissen Vorsicht zu interpretieren. Beispielsweise gibt es in der Bahn eines Elektrons niemals einen scharfen Bruch. Da wir nur die Anfangs- und Endpositionen der Elektronen kennen, wissen wir nicht genau, wann das Photon ausgetauscht wird und welches der Teilchen das Photon aussendet und welches absorbiert. All diese Details werden von einem Schleier der Quantenunsicherheit verdeckt.

Trotz dieser Einschränkung haben sich Feynman-Diagramme als effektives Mittel zur Beschreibung von Quantenwechselwirkungen erwiesen. Ein Photon, das zwischen Elektronen ausgetauscht wird, kann als eine Art Bote von einem der Elektronen angesehen werden, das dem anderen sagt: "Ich bin hier, also beweg dich!". Natürlich sind alle Quantenprozesse probabilistischer Natur, so dass ein solcher Austausch nur mit einer bestimmten Wahrscheinlichkeit stattfindet. Es kann vorkommen, dass Elektronen zwei oder mehr Photonen austauschen (Abb. 13), obwohl dies weniger wahrscheinlich ist.

Es ist wichtig, sich darüber im Klaren zu sein, dass wir Photonen nicht wirklich von einem Elektron zum anderen huschen sehen. Wechselwirkungsträger sind eine „innere Angelegenheit“ zweier Elektronen. Sie existieren nur, um Elektronen zu sagen, wie sie sich bewegen sollen, und obwohl sie Energie und Impuls transportieren, gelten die entsprechenden Erhaltungssätze der klassischen Physik nicht für sie. Photonen können in diesem Fall mit einem Ball verglichen werden, den Tennisspieler auf dem Platz tauschen. So wie ein Tennisball das Verhalten von Tennisspielern auf einem Spielplatz bestimmt, beeinflusst ein Photon das Verhalten von Elektronen.

Die erfolgreiche Beschreibung der Wechselwirkung mit Hilfe eines Trägerteilchens ging einher mit einer Erweiterung des Photonenbegriffs: Ein Photon entpuppt sich nicht nur als ein Lichtteilchen, das wir sehen, sondern auch als ein gespenstisches Teilchen, das „ gesehen" nur von geladenen Teilchen, die gestreut werden. Manchmal werden die von uns beobachteten Photonen genannt echt, und die Photonen, die die Wechselwirkung tragen, sind virtuell, was an ihre flüchtige, fast gespenstische Existenz erinnert. Die Unterscheidung zwischen realen und virtuellen Photonen ist etwas willkürlich, dennoch sind diese Konzepte weit verbreitet.

Die Beschreibung der elektromagnetischen Wechselwirkung unter Verwendung des Begriffs der virtuellen Photonen – ihrer Träger – geht in ihrer Bedeutung über bloße Illustrationen einer Quantennatur hinaus. Tatsächlich sprechen wir von einer Theorie, die bis ins kleinste Detail durchdacht und mit einem perfekten mathematischen Apparat ausgestattet ist, der als bekannt ist Quantenelektrodynamik, abgekürzt QED. Als die QED zum ersten Mal formuliert wurde (das geschah kurz nach dem Zweiten Weltkrieg), hatten die Physiker eine Theorie zur Verfügung, die die Grundprinzipien sowohl der Quantentheorie als auch der Relativitätstheorie erfüllte. Dies ist eine großartige Gelegenheit, die gemeinsamen Manifestationen von zwei wichtigen Aspekten der neuen Physik zu sehen. teste sie experimentell.

Theoretisch war die Schaffung von QED eine herausragende Leistung. Frühere Studien zur Wechselwirkung von Photonen und Elektronen hatten aufgrund mathematischer Schwierigkeiten nur sehr begrenzten Erfolg. Aber sobald die Theoretiker lernten, richtig zu rechnen, ergab sich alles andere. QED schlug ein Verfahren vor, um die Ergebnisse beliebig komplexer Prozesse zu erhalten, an denen Photonen und Elektronen beteiligt sind.

Abb.13. Die Streuung von Elektronen beruht auf dem Austausch zweier virtueller Photonen. Solche Prozesse stellen eine kleine Korrektur des in Abb. elf

Um zu testen, wie gut die Theorie mit der Realität übereinstimmt, konzentrierten sich die Physiker auf zwei Effekte von besonderem Interesse. Die erste betraf die Energieniveaus des Wasserstoffatoms, des einfachsten Atoms. QED sagte voraus, dass die Niveaus leicht von der Position verschoben sein sollten, die sie einnehmen würden, wenn es keine virtuellen Photonen gäbe. Die Theorie war sehr genau bei der Vorhersage des Ausmaßes dieser Verschiebung. Willis Lamb von der University of PC führte ein Experiment zur Erkennung und Messung von Verschiebungen mit extremer Genauigkeit durch. Arizona. Zur Freude aller stimmten die Ergebnisse der Berechnungen perfekt mit den experimentellen Daten überein.

Der zweite entscheidende Test der QED betraf eine extrem kleine Korrektur des eigenen magnetischen Moments des Elektrons. Und wieder stimmten die Ergebnisse der theoretischen Berechnungen und des Experiments vollständig überein. Theoretiker begannen, die Berechnungen zu verfeinern, die Experimentatoren - um die Instrumente zu verbessern. Aber obwohl die Genauigkeit sowohl der theoretischen Vorhersagen als auch der experimentellen Ergebnisse kontinuierlich verbessert wurde, blieb die Übereinstimmung zwischen QED und Experiment tadellos. Derzeit stimmen die theoretischen und experimentellen Ergebnisse noch innerhalb der erreichten Genauigkeit überein, was eine Übereinstimmung von mehr als neun Nachkommastellen bedeutet. Eine solch auffällige Übereinstimmung gibt das Recht, die QED als die vollkommenste der existierenden naturwissenschaftlichen Theorien zu betrachten.

Unnötig zu sagen, dass QED nach einem ähnlichen Triumph als Modell für die Quantenbeschreibung der anderen drei grundlegenden Wechselwirkungen angenommen wurde. Natürlich müssen die mit anderen Wechselwirkungen verbundenen Felder anderen Trägerteilchen entsprechen. Zur Beschreibung der Schwerkraft wurde eingeführt Graviton, die gleiche Rolle spielen wie ein Photon. Während der gravitativen Wechselwirkung zweier Teilchen findet zwischen ihnen ein Austausch von Gravitonen statt. Diese Interaktion kann anhand von Diagrammen ähnlich denen in Abb. 12 und 13. Es sind die Gravitonen, die Signale vom Mond zu den Ozeanen übertragen, woraufhin sie bei Flut aufsteigen und bei Ebbe absinken. Zwischen Erde und Sonne huschende Gravitonen halten unseren Planeten in der Umlaufbahn. Gravitonen binden uns fest an die Erde.

Wie Photonen bewegen sich Gravitonen mit Lichtgeschwindigkeit, daher sind Gravitonen Teilchen mit "Null-Ruhemasse". Aber hier enden die Ähnlichkeiten zwischen Gravitonen und Photonen. Während ein Photon einen Spin von 1 hat, hat ein Graviton einen Spin von 2.

Tabelle 4

Partikel-Träger von vier grundlegenden Wechselwirkungen. Die Masse wird in Einheiten der Protonenmasse ausgedrückt.

Dies ist eine wichtige Unterscheidung, da sie die Richtung der Kraft bestimmt: Bei der elektromagnetischen Wechselwirkung stoßen sich gleich geladene Teilchen wie Elektronen ab, und bei der Gravitationswechselwirkung werden alle Teilchen voneinander angezogen.

Gravitonen können real und virtuell sein. Ein echtes Graviton ist nichts anderes als ein Quant einer Gravitationswelle, genauso wie ein echtes Photon ein Quant einer elektromagnetischen Welle ist. Prinzipiell können echte Gravitonen „beobachtet“ werden. Da die gravitative Wechselwirkung jedoch unglaublich schwach ist, können Gravitonen nicht direkt nachgewiesen werden. Die Wechselwirkung von Gravitonen mit anderen Quantenteilchen ist so schwach, dass die Wahrscheinlichkeit der Streuung oder Absorption eines Gravitons beispielsweise durch ein Proton verschwindend gering ist.

Die Grundidee des Austauschs von Trägerteilchen erstreckt sich auf andere Wechselwirkungen (Tabelle 4) – schwache und starke. Im Detail gibt es jedoch wichtige Unterschiede. Erinnern Sie sich, dass die starke Wechselwirkung die Bindung zwischen Quarks gewährleistet. Eine solche Verbindung kann durch ein Kraftfeld hergestellt werden, das dem elektromagnetischen ähnelt, aber komplexer ist. Elektrische Kräfte führen zur Bildung eines gebundenen Zustands zweier Teilchen mit Ladungen unterschiedlichen Vorzeichens. Bei Quarks entstehen gebundene Zustände von drei Teilchen, was auf eine komplexere Natur des Kraftfeldes hinweist, die drei Arten von „Ladungen“ entspricht. Teilchen - Träger der Wechselwirkung zwischen Quarks, die sie zu Paaren oder Tripletts verbinden, werden genannt Gluonen.

Bei schwacher Wechselwirkung ist die Situation etwas anders. Der Radius dieser Interaktion ist extrem klein. Daher müssen die Träger der schwachen Wechselwirkung Teilchen mit großen Ruhemassen sein. Die in einer solchen Masse enthaltene Energie muss gemäß der Heisenbergschen Unschärferelation „geliehen“ werden, die bereits auf S. 50. Da aber die „geliehene“ Masse (und damit die Energie) so groß ist, erfordert das Unsicherheitsprinzip, dass die Laufzeit eines solchen Darlehens extrem kurz sein muss – nur etwa 10^-28 s. Solche kurzlebigen Teilchen haben keine Zeit, sich sehr weit zu bewegen, und der von ihnen getragene Wechselwirkungsradius ist sehr klein.

Es gibt tatsächlich zwei Arten von schwachen Wechselwirkungsträgern. Einer von ihnen ist wie ein Photon in allem außer der Ruhemasse. Diese Partikel werden Z-Partikel genannt. Im Wesentlichen sind Z-Teilchen eine neue Art von Licht. Eine andere Art von schwachen Wechselwirkungsträgern, W-Partikel, unterscheiden sich von Z-Partikeln durch das Vorhandensein einer elektrischen Ladung. In Kap. 7 gehen wir näher auf die Eigenschaften der erst 1983 entdeckten Z- und W-Teilchen ein.

Die Einteilung der Teilchen in Quarks, Leptonen und Kraftträger vervollständigt die Liste der bekannten subatomaren Teilchen. Jedes dieser Teilchen spielt seine eigene, aber entscheidende Rolle bei der Entstehung des Universums. Wenn es keine Trägerteilchen gäbe, gäbe es keine Wechselwirkungen, und jedes Teilchen würde seine Partner nicht kennen. Komplexe Systeme könnten nicht entstehen, jegliche Aktivität wäre unmöglich. Ohne Quarks gäbe es weder Atomkerne noch Sonnenlicht. Ohne Leptonen könnten Atome nicht existieren, chemische Strukturen und Leben selbst wären nicht entstanden.

Was sind die Aufgaben der Elementarteilchenphysik?

Die einflussreiche britische Zeitung The Guardian veröffentlichte einmal einen Leitartikel, der die Weisheit der Entwicklung der Teilchenphysik in Frage stellte, ein kostspieliges Unterfangen, das nicht nur einen erheblichen Teil des nationalen Wissenschaftsbudgets verschlingt, sondern auch den Löwenanteil der besten Köpfe. „Wissen die Physiker, was sie tun?", fragte der Guardian. „Wenn sie es wissen, was nützt es dann? Wer außer den Physikern braucht all diese Teilchen?"

Einige Monate nach dieser Veröffentlichung hatte ich die Gelegenheit, in Baltimore einen Vortrag von George Keworth, Wissenschaftsberater des US-Präsidenten, zu besuchen. Keyworth wandte sich auch der Teilchenphysik zu, aber sein Vortrag wurde in einem ganz anderen Ton gehalten. Amerikanische Physiker waren beeindruckt von der jüngsten Ankündigung des CERN, dem führenden europäischen Labor für Elementarteilchenphysik, über die Entdeckung fundamentaler W- und Z-Teilchen, die schließlich am großen Proton-Antiproton-Kollisionsstrahlbeschleuniger (Collider) gewonnen wurden. Die Amerikaner sind daran gewöhnt, dass alle sensationellen Entdeckungen in ihren Labors der Hochenergiephysik gemacht werden. Ist die Tatsache, dass sie der Palme wichen, nicht ein Zeichen des wissenschaftlichen und sogar nationalen Niedergangs?

Keworth hatte keinen Zweifel daran, dass es für den Wohlstand der Vereinigten Staaten im Allgemeinen und der amerikanischen Wirtschaft im Besonderen notwendig ist, dass das Land in der wissenschaftlichen Forschung an der Spitze steht. Wichtige Grundlagenforschungsprojekte, sagte Keyworth, stehen an der Spitze des Fortschritts. Die Vereinigten Staaten müssen ihre Dominanz in der Teilchenphysik zurückgewinnen,

In derselben Woche kursierten Informationskanäle über das amerikanische Projekt eines riesigen Beschleunigers, der eine neue Generation von Experimenten in der Elementarteilchenphysik durchführen sollte. Die Hauptkosten beliefen sich auf 2 Milliarden US-Dollar, was diesen Beschleuniger zur teuersten Maschine machte, die jemals von Menschen gebaut wurde. Dieser Riese von Uncle Sam, im Vergleich zu dem sogar der neue CERN-Powerline-Beschleuniger wie ein Zwerg wirken wird, ist so groß, dass der ganze Staat Luxemburg in seinen Ring passen würde! Riesige supraleitende Magnete sollen intensive Magnetfelder erzeugen, die den Partikelstrahl entlang der ringförmigen Kammer wickeln; Es ist eine so riesige Struktur, dass der neue Beschleuniger in der Wüste platziert werden soll. Ich würde gerne wissen, was der Herausgeber von The Guardian darüber denkt.

Bekannt als Supraleitender Supercollider (SSC), aber häufiger als "Dezertron" (aus dem Englischen) bezeichnet. Wüste- Wüste. - Hrsg.), Diese monströse Maschine wird in der Lage sein, Protonen auf Energien zu beschleunigen, die ungefähr 20.000 Mal größer sind als die Ruheenergie (Masse). Diese Zahlen können auf unterschiedliche Weise interpretiert werden. Bei maximaler Beschleunigung bewegen sich die Teilchen mit einer Geschwindigkeit von nur 1 km / h weniger als die Lichtgeschwindigkeit - die Grenzgeschwindigkeit im Universum. Die relativistischen Effekte sind so stark, dass die Masse jedes Teilchens 20.000 Mal größer ist als in Ruhe. In dem mit einem solchen Teilchen verbundenen Rahmen wird die Zeit so stark gestreckt, dass 1 s in unserem Bezugssystem 5,5 Stunden entspricht. Jeder Kilometer der Kammer, durch die das Teilchen hindurchgeht, wird auf nur 5,0 cm "scheinen" zusammengedrückt.

Was ist die dringende Notwendigkeit, die Staaten dazu treibt, so riesige Ressourcen für eine immer zerstörerischere Spaltung des Atoms aufzuwenden? Gibt es einen praktischen Nutzen in einer solchen Forschung?

Der Geist des Kampfes um nationale Priorität ist natürlich keiner großen Wissenschaft fremd. Hier, wie in der Kunst oder im Sport, ist es angenehm, Preise und weltweite Anerkennung zu gewinnen. Die Teilchenphysik ist zu einer Art Symbol staatlicher Macht geworden. Entwickelt sie sich erfolgreich und bringt greifbare Ergebnisse, dann zeigt dies, dass Wissenschaft, Technologie sowie die Wirtschaft des Landes insgesamt auf dem richtigen Niveau sind. Dadurch bleibt das Vertrauen in die hohe Qualität von Produkten aus anderen, allgemeineren Technologiebranchen erhalten. Einen Beschleuniger und alle dazugehörigen Geräte zu bauen, erfordert ein sehr hohes Maß an Professionalität. Die wertvollen Erfahrungen, die bei der Entwicklung neuer Technologien gewonnen werden, können unerwartete und positive Auswirkungen auf andere Bereiche der wissenschaftlichen Forschung haben. Beispielsweise wird in den USA seit zwanzig Jahren an den für den Desertron benötigten supraleitenden Magneten geforscht und entwickelt. Sie bieten jedoch keinen direkten Nutzen und sind daher schwer zu bewerten. Gibt es konkretere Ergebnisse?

Ein weiteres Argument wird manchmal zur Unterstützung der Grundlagenforschung vorgebracht. Die Physik ist der Technik in der Regel um etwa fünfzig Jahre voraus. Die praktische Anwendung dieser oder jener wissenschaftlichen Entdeckung ist zunächst keineswegs offensichtlich, aber nur wenige der bedeutenden Errungenschaften der Grundlagenphysik haben im Laufe der Zeit keine praktische Anwendung gefunden. Erinnern Sie sich an Maxwells Theorie des Elektromagnetismus: Hätte sein Schöpfer die Entstehung und den Erfolg moderner Telekommunikation und Elektronik vorhersehen können? Und was ist mit Rutherfords Worten, dass Kernenergie wahrscheinlich nie eine praktische Anwendung finden wird? Ist es möglich vorherzusagen, wohin die Entwicklung der Elementarteilchenphysik führen kann, welche neuen Kräfte und neuen Prinzipien entdeckt werden, die unser Verständnis der Welt um uns herum erweitern und uns Macht über ein breiteres Spektrum physikalischer Phänomene geben werden? Und dies kann zur Entwicklung von Technologien führen, die ihrer Natur nach nicht weniger revolutionär sind als Radio- oder Kernenergie.

Die meisten Wissenschaftszweige fanden schließlich eine militärische Anwendung. In dieser Hinsicht ist die Elementarteilchenphysik (anders als die Kernphysik) bisher unangetastet geblieben. Zufälligerweise fiel Keyworths Vortrag mit dem Hype um das umstrittene Anti-Raketen-Projekt von Präsident Reagan zusammen, die sogenannten Beam-Waffen (dieses Projekt ist Teil eines Programms namens Strategic Defense Initiative, SDI). Die Essenz dieses Projekts besteht darin, hochenergetische Partikelstrahlen gegen feindliche Raketen einzusetzen. Diese Anwendung der Teilchenphysik ist wirklich unheimlich.

Die vorherrschende Meinung ist, dass die Herstellung solcher Geräte nicht machbar ist. Die Mehrheit der auf dem Gebiet der Elementarteilchenphysik tätigen Wissenschaftler hält diese Ideen für absurd und unnatürlich und lehnt den Vorschlag des Präsidenten entschieden ab. Nachdem er die Wissenschaftler verurteilt hatte, forderte Keyworth sie auf, „darüber nachzudenken, welche Rolle sie im Strahlwaffenprojekt spielen können“. Dieser Appell von Keyworth an die Physiker (natürlich rein zufällig) folgte seinen Worten zur Finanzierung der Hochenergiephysik.

Ich bin der festen Überzeugung, dass Hochenergiephysiker den Bedarf an Grundlagenforschung nicht mit Hinweisen auf (insbesondere militärische) Anwendungen, historischen Analogien oder vagen Versprechungen möglicher technischer Wunder begründen müssen. Physiker betreiben diese Studien vor allem im Namen ihres unzerstörbaren Wunsches, herauszufinden, wie unsere Welt funktioniert, der Wunsch, die Natur genauer zu verstehen. Die Teilchenphysik ist unter anderen menschlichen Aktivitäten beispiellos. Zweieinhalb Jahrtausende lang hat die Menschheit versucht, die ursprünglichen "Bausteine" des Universums zu finden, und jetzt sind wir dem endgültigen Ziel nahe. Riesige Installationen werden uns helfen, in das Herz der Materie vorzudringen und der Natur ihre innersten Geheimnisse zu entreißen. Die Menschheit kann unerwartete Anwendungen neuer Entdeckungen und bisher unbekannter Technologien erwarten, aber es kann sich herausstellen, dass die Hochenergiephysik nichts für die Praxis geben wird. Aber schließlich hat eine majestätische Kathedrale oder ein Konzertsaal wenig praktischen Nutzen. In diesem Zusammenhang kann man nicht umhin, sich an die Worte von Faraday zu erinnern, der einmal bemerkte: "Was nützt ein Neugeborenes?" Die praxisfernen Arten menschlicher Aktivität, zu denen auch die Elementarteilchenphysik gehört, dienen als Beweis für die Manifestation des menschlichen Geistes, ohne den wir in unserer allzu materiellen und pragmatischen Welt dem Untergang geweiht wären.

Subatomare Elektronen, Teilchenprotonen und Neutronen

Die erste moderne atomistische Theorie wurde von John Dalton aufgestellt. Er schlug vor, dass jedes chemische Element aus Atomen besteht, die in Größe und Masse gleich sind. Diese Teilchen wurden als unteilbar und im Verlauf einer chemischen Reaktion unverändert angenommen. Dalton ordnete den Atomen von Elementen wie Wasserstoff, Sauerstoff, Stickstoff und Schwefel bestimmte relative Gewichte (genauer: Massen) zu und gab jedem Element auch ein bestimmtes Symbol.

Ende des 19. Jahrhunderts wurden jedoch eine Reihe von Entdeckungen gemacht, die zeigten, dass das Atom überhaupt kein unteilbares Teilchen ist, sondern aus subatomaren Teilchen besteht. Die erste dieser Entdeckungen basierte auf der Untersuchung von Strahlen, die von einer negativ geladenen Elektrode emittiert wurden. Die Existenz dieser Kathodenstrahlen wurde in den 1870er Jahren in einer Reihe von Experimenten nachgewiesen, die von Crookes und Goldstein durchgeführt wurden. In Crookes Experiment mit einer Turbine zum Beispiel drehten Kathodenstrahlen ein winziges Laufrad an einer Glasaufhängung. 1895 entdeckte Wilhelm Röntgen die Röntgenstrahlen, später Röntgenstrahlen genannt. Im folgenden Jahr zeigte Antoine Henri Becquerel, dass ein Uransalz spontan unsichtbare Strahlung ähnlich wie Röntgenstrahlen aussendet; das Phänomen wurde Radioaktivität genannt. Röntgen und Becquerel wurden für ihre Forschungen mit dem Nobelpreis ausgezeichnet.

Elektron.

Das Elektron war das erste subatomare Teilchen, das entdeckt wurde. 1874 schlug J. J. Stoney vor, dass der elektrische Strom ein Strom negativ geladener Teilchen ist, die er 1891 Elektronen nannte. Die Priorität der Entdeckung des Elektrons wird jedoch fast überall J. J. Thomson eingeräumt, der die spezifische Ladung und relative Masse des Elektrons bestimmt hat.

Joseph John Thomson, Entdecker des Elektrons im Jahr 1897. Nobelpreisträger für Physik im Jahr 1906. Sein Sohn, George Paget Thomson, bestätigte durch seine Studien der Beugung von Elektronen, die durch Goldfolie gehen, die Theorie von Louis de Broglie, der zufolge freie Elektronen verhalten sich sowohl als Wellen als auch als Teilchen. J. Paget Thomson erhielt 1937 zusammen mit K. Davisson den Nobelpreis für Physik für die Entdeckung der Elektronenbeugung an Kristallen.

Reis. 1.1. Thomson-Gerät, 1 - Kathode (-); 2 - Anode (+) mit einem Loch; 3 - Sekundärelektroden zum Ablenken von Kathodenstrahlen; 4 - abgelehnte Stelle; 5 - nicht zurückgewiesener Fleck; 6 - Leuchtschirm.

R. E. Milliken.

R. S. Mulliken.

Manchmal wird Millikan aufgrund der Ähnlichkeit der Nachnamen mit Mulliken verwechselt. Beide sind Nobelpreisträger.

Robert Andrus Milliken ist ein amerikanischer Physiker, der in Experimenten mit Öltröpfchen die Ladung eines Elektrons bestimmt hat. In diesem Experiment erzeugte er elektrische Ladungen auf kleinsten Öltröpfchen, indem er sie Röntgenstrahlen aussetzte. Die Tröpfchen setzten sich langsam im Raum zwischen den beiden horizontalen Platten des Kondensators ab. Die Masse eines einzelnen Tropfens konnte durch Messung seiner Fallgeschwindigkeit bestimmt werden. Dann wurden die Kondensatorplatten aufgeladen, was zu einer Änderung der Fallgeschwindigkeit der geladenen Tröpfchen führte. Durch die Messung der Geschwindigkeit der Tröpfchen konnte Millikan die Ladungen auf ihnen berechnen. Obwohl die Ladungen auf den Tröpfchen nicht gleich waren, wurde festgestellt, dass sie alle Vielfache eines bestimmten Wertes waren, nämlich der Ladung des Elektrons. Millikan erhielt 1923 den Nobelpreis für Physik.

Robert Sanderson Mulliken - US-amerikanischer Chemiker und Physiker, erhielt 1966 den Nobelpreis für Chemie für theoretische Studien zur Natur der chemischen Bindung und Molekülstruktur. In den 1920er Jahren wandte er die Quantenmechanik auf die theoretische Beschreibung der chemischen Bindung und die Interpretation von Molekülspektren an. Insbesondere führte er die Idee der Molekülorbitale ein und zeigte, dass Elektronen an Bindungen delokalisiert werden können, die durch Molekülorbitale beschrieben werden (siehe Kap. 2).

Thomson entdeckte das Elektron durch Forschung mit Kathodenstrahlen. Eine schematische Darstellung der Entladungsröhre, die er zur Erzeugung von Kathodenstrahlen verwendete, ist in Abb. 1 gezeigt. 1.1. Nachdem Thomson in der Entladungsröhre einen niedrigen Druck und eine hohe Spannung (1500 V und mehr) erzeugt hatte, erhielt er Kathodenstrahlen, die einen deutlich sichtbaren Fleck auf dem Leuchtschirm bildeten. Dieser Fleck könnte durch ein von den Sekundärelektroden erzeugtes elektrisches Feld zur Seite abgelenkt werden. Unter Einwirkung eines senkrecht zum elektrischen Feld gerichteten Magnetfeldes wurde der Fleck auch zur Seite abgelenkt (in der Figur nicht dargestellt). Diese Beobachtungen führten Thomson zu dem Schluss, dass Kathodenstrahlen ein Strom negativ geladener Teilchen sind, die Elektronen genannt werden. Durch Messung der Stärke der magnetischen und elektrischen Felder und der entsprechenden

Reis. 1.2. Von Goldstein entdeckte Kanalrochen. 1 - Anode (+); 2 - Kathode (-) mit Löchern; 3 - Sekundärelektrode zum Ablenken der Kanalstrahlen.

Abweichungen vor Ort. Thomson war in der Lage, das Verhältnis von Ladung zu Masse für diese Teilchen zu berechnen. Er stellte fest, dass der Wert gleich blieb, egal welches Gas zum Füllen der Entladungsröhre verwendet wurde. Auf dieser Grundlage schloss Thomson, dass die Atome aller Elemente Elektronen enthalten.

1909 R.E. Millikan, der seine berühmten Experimente mit Öltröpfchen durchführte, bestimmte die Ladung des Elektrons. In Kombination mit dem von Thomson gefundenen Wert des Verhältnisses war es möglich, die Masse des Elektrons zu berechnen. Die derzeit akzeptierten Werte dieser Größen sind

Proton.

Das zweite, um subatomare Teilchen zu entdecken, war das Proton. 1886 beobachtete Goldstein positiv geladene Strahlen, die von einer perforierten Kathode emittiert wurden. Er nannte sie Kanalrochen (Abb. 1.2).

1899 entdeckte Rutherford Radioaktivität und Strahlung. Etwa zur gleichen Zeit schlug Thomson ein eigenes Modell der Struktur des Atoms vor, das es ermöglicht, das Vorhandensein von negativ und positiv geladenen Teilen im Atom zu erklären (das „Plum Pudding“-Modell, siehe unten).

Ernst Rutherford.

Ernest Rutherford wurde am 30. August 1871 in Neuseeland geboren. Im Alter von 27 Jahren wurde er Professor für Physik an der McGill University in Montreal, Kanada, und wurde bald zu einem der führenden Experten auf dem sich schnell entwickelnden Gebiet der Radioaktivitätsforschung. Er entdeckte mehrere radioaktive Elemente und stellte das Vorhandensein von zwei Arten radioaktiver Strahlung fest: und -Strahlung. Zusammen mit Frederick Soddy entdeckte er, dass Radioaktivität eine gewisse Halbwertszeit hat. 1907 zog Rutherford nach England, wo er 1909 an der Universität Manchester zusammen mit Hans Geiger erneut bewies, dass -Teilchen zweifach geladene Heliumionen sind. 1908 erhielt Rutherford den Nobelpreis für Forschungen zur Radioaktivität. 1910 entdeckte er zusammen mit Geiger und Marsden, dass -Teilchen, die eine dünne Metallfolie passieren, von ihrer ursprünglichen Bewegungsrichtung abweichen. Diese Entdeckung führte Rutherford 1911 zur Schaffung eines neuen, planetarischen Modells der Struktur des Atoms. 1914 schlug er die Existenz des Protons vor und 1920 sagte er die Existenz des Neutrons voraus. Für wissenschaftliche Verdienste wurde Rutherford 1914 nach englischem Brauch in den Ritterstand erhoben und 1921 mit dem Order of Merit ausgezeichnet. Von 1915 bis 1930 war er Präsident der Royal Society of London und erhielt 1931 den Adelstitel. Oi starb am 19. Oktober 1937. Rutherford ist zweifellos einer der herausragendsten Wissenschaftler des 20. Jahrhunderts.

Reis. 1.3. Geiger- und Marsden-Experiment. a - Streuung von a-Teilchen nach Passieren einer dünnen Goldfolie. Die meisten Partikel passieren die Folie ohne Ablenkung, aber einige Partikel prallen zurück zur Quelle; b - Nach der Annahme von Rutherford erfahren abprallende Teilchen eine Kollision mit dem Kern eines Atoms durch seinen Kern. Diese Beobachtung veranlasste Rutherford, ein neues Modell der Struktur des Atoms vorzustellen.

1909 zeigte Rutherford, dass die von ihm früher entdeckte Strahlung auf positiv geladene Heliumatome zurückzuführen war. Die Feststellung der wahren Natur dieser positiven Teilchen erfolgte jedoch erst 1914 nach dem berühmten Experiment von Geiger und Marsden.

Hans Geiger und Ernest Marsden waren Rutherfords Schüler. 1910 führten sie Experimente durch, bei denen sie dünne Goldfolien mit einem Strahl aus a-Teilchen beschossen (Abb. 1.3). Einige a-Teilchen passierten die Folie ohne Ablenkung (Linie A), während andere von ihrer ursprünglichen Richtung abwichen (Linie B). Zur allgemeinen Überraschung wurde ungefähr 1 von 20.000 Partikeln nach hinten abgelenkt (Linie C). „Es war fast so unglaublich“, sagte Rutherford später, „als ob Sie ein 15-Zoll-Projektil auf ein Stück Seidenpapier abgefeuert hätten und das Projektil zurückprallte und Sie traf.“ Aus diesem Experiment folgte, dass sich im Zentrum des Atoms ein sehr kleiner positiv geladener Kern befindet, der von relativ weit entfernten, leicht negativ geladenen Elektronen umgeben ist.

Rutherford sagte dann die Existenz des Protons voraus und zeigte, dass seine Masse mehr als das 1800-fache der Masse des Elektrons betragen muss.

Neutron.

Die Existenz des Neutrons wurde 1920 von Rutherford vorhergesagt, um den Unterschied zwischen Atommasse und Ordnungszahl zu erklären (siehe unten). Das Neutron wurde 1932 von J. Chadwick experimentell entdeckt, als er die Ergebnisse untersuchte

Beschuss von Beryllium durch a-Teilchen. Gleichzeitig emittierte Beryllium Teilchen mit hoher Durchschlagskraft, die in elektrischen und magnetischen Feldern nicht abwichen. Da diese Teilchen neutral waren, wurden sie Neutronen genannt.

Paradoxien der subatomaren Welt

Lassen Sie uns einige Ergebnisse zusammenfassen und alle uns bekannten Paradoxien der subatomaren Welt klar umreißen.

1. Auf der Ebene eines Atoms, eines Kerns und eines Elementarteilchens hat die Materie einen doppelten Aspekt, der sich in einer Situation als Teilchen und in einer anderen als Wellen manifestiert. Außerdem hat das Teilchen einen mehr oder weniger bestimmten Ort, und die Welle breitet sich in alle Richtungen im Raum aus.

2. Die Doppelnatur der Materie bestimmt den „Quanteneffekt“, der darin besteht, dass sich ein Teilchen, das sich in einem begrenzten Raumvolumen befindet, intensiv zu bewegen beginnt, und je stärker die Einschränkung ist, desto höher ist die Geschwindigkeit. Das Ergebnis eines typischen „Quanteneffekts“ ist die Härte der Materie, die Identität der Atome eines chemischen Elements und ihre hohe mechanische Stabilität.

Da die Beschränkungen des Volumens eines Atoms und noch mehr des Atomkerns sehr groß sind, sind die Geschwindigkeiten der Teilchenbewegung extrem hoch. Um die subatomare Welt zu studieren, muss man sich der relativistischen Physik bedienen.

3. Ein Atom ist überhaupt nicht wie ein kleines Planetensystem. Es sind nicht Teilchen – Elektronen – die um den Kern kreisen, sondern Wahrscheinlichkeitswellen, und ein Elektron kann sich von Umlaufbahn zu Umlaufbahn bewegen und Energie in Form eines Photons absorbieren oder emittieren.

4. Auf der subatomaren Ebene gibt es keine festen materiellen Objekte der klassischen Physik, sondern Wellenwahrscheinlichkeitsmodelle, die die Wahrscheinlichkeit des Bestehens von Beziehungen widerspiegeln.

5. Elementarteilchen sind überhaupt nicht elementar, sondern äußerst komplex.

6. Alle bekannten Elementarteilchen haben ihre eigenen Antiteilchen. Bei genügend Energie bilden sich Paare aus Teilchen und Antiteilchen, die durch den umgekehrten Vernichtungsprozess in reine Energie umgewandelt werden.

7. Bei Kollisionen können Teilchen ineinander übergehen: Beispielsweise wird bei einer Kollision eines Protons und eines Neutrons ein Pi-Meson geboren usw.

8. Kein Experiment kann gleichzeitig zu einer genauen Messung dynamischer Variablen führen: zum Beispiel stellt sich heraus, dass die Unsicherheit der Position eines Ereignisses in der Zeit mit der Unsicherheit der Energiemenge in der gleichen Weise zusammenhängt wie die Unsicherheit der Energiemenge Die räumliche Position eines Teilchens hängt mit der Unsicherheit seines Impulses zusammen.

9. Masse ist eine Form von Energie; Da Energie eine mit einem Prozess verbundene dynamische Größe ist, wird das Teilchen als dynamischer Prozess wahrgenommen, der Energie verwendet, die sich als Masse des Teilchens manifestiert.

10. Subatomare Teilchen sind sowohl teilbar als auch unteilbar. Beim Zusammenstoß wird die Energie zweier Teilchen umverteilt und es entstehen dieselben Teilchen. Und wenn die Energie hoch genug ist, können neben den gleichen wie den ursprünglichen zusätzlich neue Teilchen entstehen.

11. Die Kräfte der gegenseitigen Anziehung und Abstoßung zwischen Teilchen können sich in dieselben Teilchen umwandeln.

12. Die Teilchenwelt lässt sich nicht in kleinste, voneinander unabhängige Bestandteile zerlegen; Partikel kann nicht isoliert werden.

13. Innerhalb des Atoms existiert an bestimmten Stellen keine Materie, sondern "kann existieren"; atomare Phänomene passieren nicht sicher an bestimmten Orten und auf eine bestimmte Weise, sondern "können passieren".

14. Das Ergebnis des Experiments wird durch das Vorbereitungs- und Messsystem beeinflusst, dessen letztes Glied der Beobachter ist. Die Eigenschaften eines Objekts spielen nur im Kontext der Interaktion des Objekts mit dem Beobachter eine Rolle, weil der Beobachter entscheidet, wie er Messungen durchführt, und abhängig von seiner Entscheidung eine Eigenschaft der Eigenschaft des beobachteten Objekts erhält.

15. In der subatomaren Welt gibt es nichtlokale Verbindungen.

Es scheint, dass es genug Komplexität und Verwirrung in der subatomaren Welt gibt, die dem Makrokosmos zugrunde liegt. Aber nein! Das ist nicht alles.

Die Realität, die als Ergebnis des Studiums der subatomaren Welt entdeckt wurde, offenbarte die Einheit von Konzepten, die bisher gegensätzlich und sogar unvereinbar schienen. Teilchen sind nicht nur gleichzeitig teilbar und unteilbar, Materie ist sowohl diskontinuierlich als auch kontinuierlich, Energie verwandelt sich in Teilchen und umgekehrt usw. Die relativistische Physik vereinheitlichte sogar die Konzepte von Raum und Zeit. Es ist diese grundlegende Einheit, die in einer höheren Dimension (vierdimensionale Raumzeit) existiert, die die Grundlage für die Vereinigung aller gegensätzlichen Konzepte ist.

Die Einführung des Konzepts der Wahrscheinlichkeitswellen, das das „Teilchenwellen“-Paradoxon bis zu einem gewissen Grad löste und in einen völlig neuen Kontext stellte, führte zur Entstehung eines neuen Paars von viel globaleren Gegensätzen: Existenz und Nichtexistenz(ein). Die atomare Realität liegt auch jenseits dieser Opposition.

Vielleicht ist dieser Gegensatz für die Wahrnehmung aus unserem Bewusstsein am schwierigsten. In der Physik lassen sich konkrete Modelle bauen, die den Übergang vom Teilchenzustand in den Wellenzustand und umgekehrt zeigen. Aber kein Modell kann den Übergang von der Existenz zur Nichtexistenz erklären. Kein physikalischer Prozess kann verwendet werden, um den Übergang von einem Zustand, der als virtuelles Teilchen bezeichnet wird, in einen Ruhezustand in einem Vakuum zu erklären, in dem diese Objekte verschwinden.

Wir können nicht sagen, dass ein Atomteilchen an der einen oder anderen Stelle existiert, und wir können nicht sagen, dass es nicht da ist. Da es sich um ein Wahrscheinlichkeitsschema handelt, kann ein Teilchen (gleichzeitig!) an verschiedenen Punkten existieren und eine seltsame Art von physikalischer Realität darstellen, etwas zwischen Existenz und Nichtexistenz. Daher können wir den Zustand eines Teilchens nicht mit fest gegensätzlichen Begriffen (schwarz-weiß, plus-minus, kalt-warm etc.) beschreiben. Das Teilchen befindet sich nicht an einem bestimmten Punkt und ist dort nicht abwesend. Sie bewegt sich nicht und ruht sich nicht aus. Nur das wahrscheinliche Muster ändert sich, dh die Tendenz des Teilchens, sich an bestimmten Punkten aufzuhalten.

Robert Oppenheimer hat dieses Paradox am treffendsten ausgedrückt, als er sagte: „Wenn wir zum Beispiel fragen, ob der Ort eines Elektrons konstant ist, müssen wir nein sagen; wenn wir fragen, ob sich der Ort eines Elektrons mit der Zeit ändert, müssen wir nein sagen , wenn wir fragen, ist das Elektron bewegungslos, müssen wir nein sagen, wenn wir fragen, ob es sich bewegt, müssen wir nein sagen. Das sagst du besser nicht!

Es ist kein Zufall, dass W. Heisenberg zugab: „Ich erinnere mich an zahlreiche Auseinandersetzungen mit Gott bis spät in die Nacht, die in der Erkenntnis unserer Hilflosigkeit gipfelten; Als ich nach einem Streit in einem benachbarten Park spazieren ging, stellte ich mir immer wieder dieselbe Frage: „Kann es in der Natur so viel Absurdität geben, wie wir in den Ergebnissen von Atomexperimenten sehen?“

Gegensätzliche Begriffspaare wie Kraft und Materie, Teilchen und Welle, Bewegung und Ruhe, Existenz und Nichtexistenz, zu einer simultanen Einheit vereint, stellen heute die am schwierigsten zu verstehende Position der Quantentheorie dar. Es ist schwer vorherzusagen, mit welchen anderen Paradoxien die Wissenschaft konfrontiert sein wird, die all unsere Ideen auf den Kopf stellen.

rasende Welt . Aber das ist nicht alles. Die Fähigkeit von Partikeln, auf Kompression mit zunehmender Bewegungsgeschwindigkeit zu reagieren, spricht für die grundlegende Beweglichkeit der Materie, die beim Eintauchen in die subatomare Welt deutlich wird. In dieser Welt sind die meisten Teilchen an molekulare, atomare und nukleare Strukturen gekettet, und alle befinden sich nicht in Ruhe, sondern in einem Zustand chaotischer Bewegung; Sie sind von Natur aus mobil. Die Quantentheorie zeigt, dass sich Materie ständig bewegt und niemals einen Moment in Ruhe bleibt.

Wenn wir zum Beispiel ein Stück Eisen in die Hand nehmen, hören oder fühlen wir diese Bewegung nicht; es, Eisen, erscheint uns bewegungslos und passiv. Aber wenn wir dieses "tote" Stück Eisen unter einem sehr starken Mikroskop betrachten, das es uns ermöglicht, alles zu sehen, was im Atom vor sich geht, sehen wir etwas völlig anderes. Erinnern wir uns an das Modell eines Eisenatoms, in dem 26 Elektronen um einen Kern kreisen, der aus 26 Protonen und 30 Neutronen besteht. Der schnelle Wirbelsturm von sechsundzwanzig Elektronen um den Kern herum ist wie ein chaotischer und sich ständig verändernder Insektenschwarm. Es ist erstaunlich, dass diese wild umherwirbelnden Elektronen nicht miteinander kollidieren. Es scheint, dass jeder einen eingebauten Mechanismus im Inneren hat, der wachsam sicherstellt, dass sie nicht kollidieren.

Und wenn wir in den Kern blicken, sehen wir Protonen und Neutronen, die in einem hektischen Lambada-Rhythmus tanzen, mit wechselnden Tänzern und wechselnden Paaren. Mit einem Wort, im "toten" Metall herrscht im wörtlichen und übertragenen Sinne eine so vielfältige Bewegung von Protonen, Neutronen und Elektronen, die einfach nicht vorstellbar ist.

Diese vielschichtige, tobende Welt besteht aus Atomen und subatomaren Teilchen, die sich mit wilder Geschwindigkeit in verschiedenen Umlaufbahnen bewegen und den wunderbaren Tanz des Lebens zu einer Musik „tanzen“, die jemand komponiert hat. Aber schließlich bestehen alle materiellen Objekte, die wir um uns herum sehen, aus Atomen, die durch intramolekulare Bindungen verschiedener Art miteinander verbunden sind und so Moleküle bilden. Nur Elektronen in einem Molekül bewegen sich nicht um jeden Atomkern, sondern um eine Gruppe von Atomen. Und auch diese Moleküle befinden sich in ständiger chaotischer Schwingungsbewegung, deren Natur von den thermischen Bedingungen um die Atome herum abhängt.

Mit einem Wort, in der subatomaren und atomaren Welt herrschen Rhythmus, Bewegung und unaufhörliche Veränderung. Aber alle Änderungen sind nicht zufällig und nicht willkürlich. Sie folgen sehr klaren und deutlichen Mustern: Alle Teilchen der einen oder anderen Art sind absolut identisch in Masse, elektrischer Ladung und anderen charakteristischen Indikatoren; alle geladenen Teilchen haben eine elektrische Ladung, die entweder gleich der Ladung des Elektrons oder im Vorzeichen entgegengesetzt oder doppelt so groß ist; und andere Eigenschaften von Partikeln können nicht beliebige Werte annehmen, sondern nur eine begrenzte Anzahl davon, was es Wissenschaftlern ermöglicht, Partikel in mehrere Gruppen einzuteilen, die auch als "Familien" bezeichnet werden können (24).

Unwillkürlich tauchen Fragen auf: Wer hat die Musik für den erstaunlichen Tanz der subatomaren Teilchen komponiert, wer hat das Informationsprogramm zusammengestellt und Paare das Tanzen beigebracht, wann hat dieser Tanz begonnen? Mit anderen Worten: Wie ist Materie entstanden, wer hat sie erschaffen, wann ist sie entstanden? Das sind die Fragen, auf die die Wissenschaft Antworten sucht.

Leider ist unser Weltbild begrenzt und ungefähr. Unser begrenztes Naturverständnis führt zur Entwicklung begrenzter „Naturgesetze“, die es uns ermöglichen, eine Vielzahl von Phänomenen zu beschreiben, aber die wichtigsten Gesetze des Universums, die das menschliche Weltbild beeinflussen, sind uns noch weitgehend unbekannt.

„Die Haltung der meisten Physiker erinnert an das Weltbild eines Schizophrenen“, sagt der Quantenphysiker Fritz Rohrlich von der Syracuse University. Einerseits akzeptieren sie die Standardinterpretation der Quantentheorie. Andererseits beharren sie auf der Realität von Quantensystemen, auch wenn sie grundsätzlich nicht beobachtbar sind.“

Eine wirklich seltsame Position, die sich so ausdrücken lässt: "Ich werde nicht darüber nachdenken, auch wenn ich weiß, dass es stimmt." Diese Position hält viele Physiker davon ab, die logischen Konsequenzen der erstaunlichsten Entdeckungen der Quantenphysik zu berücksichtigen. Wie David Mermin von der Cornell University betont, fallen Physiker in drei Kategorien: erstens die kleine Minderheit, die von den offensichtlichen logischen Konsequenzen heimgesucht wird; die zweite ist eine Gruppe, die das Problem mit Hilfe vieler Überlegungen und Argumente vermeidet, die größtenteils unhaltbar sind; und schließlich die dritte Kategorie – diejenigen, die keine Überlegungen anstellen, denen es aber egal ist. „Diese Position ist natürlich am bequemsten“, bemerkt Mermin (1).

Dennoch sind sich die Wissenschaftler bewusst, dass alle ihre Theorien, die Naturphänomene beschreiben, einschließlich der Beschreibung von "Gesetzen", ein Produkt des menschlichen Bewusstseins, Folgen der konzeptionellen Struktur unseres Weltbildes und keine Eigenschaften der Realität selbst sind. Alle wissenschaftlichen Modelle und Theorien sind nur Annäherungen an den wahren Sachverhalt. Keine von ihnen kann behaupten, die letzte Wahrheit zu sein. Die Unschlüssigkeit von Theorien zeigt sich vor allem in der Verwendung der sogenannten „Fundamentalkonstanten“, also Größen, deren Werte nicht aus den entsprechenden Theorien abgeleitet, sondern empirisch ermittelt werden. Die Quantentheorie kann nicht erklären, warum ein Elektron eine solche Masse und eine solche elektrische Ladung hat, und die Relativitätstheorie kann einen solchen Wert der Lichtgeschwindigkeit nicht erklären.

Natürlich wird die Wissenschaft niemals eine ideale Theorie schaffen können, die alles erklärt, aber sie muss ständig danach streben, auch wenn es ein unerreichbarer Meilenstein ist. Denn je höher die Messlatte gelegt wird, über die der Springer springen muss, desto größer wird die Höhe, die er überwindet, auch wenn er keinen Rekord aufstellt. Und Wissenschaftler legen wie ein Springreiter im Training ständig die Messlatte höher und entwickeln konsequent separate Teil- und Näherungstheorien, von denen jede genauer ist als die vorherige.

Heute hat die Wissenschaft bereits eine Reihe von privaten Theorien und Modellen, die einige Aspekte der Wellenquantenrealität, die uns begeistert, ziemlich erfolgreich beschreiben. Nach Ansicht vieler Wissenschaftler sind die vielversprechendsten Theorien – Dreh- und Angelpunkt für die Weiterentwicklung der auf Bewusstsein basierenden theoretischen Physik – die „Bootstrap“-Hypothese von Jeffrey Chu, die Theorie von David Bohm und die Theorie der Torsionsfelder. Und die einzigartige experimentelle Arbeit russischer Wissenschaftler unter der Leitung von Akademiker V. P. Kaznacheev bestätigt weitgehend die Richtigkeit der Ansätze zur Erforschung des Universums und des Bewusstseins, die in diese Hypothesen und Theorien eingebettet sind.

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Subatomare Physik ist sehr beliebt. Für Forschungen in diese Richtung erhalten Wissenschaftler oft den Nobelpreis. Neutrinos sind unglaublich beliebt. Für dieses Teilchen wurden vier Auszeichnungen vergeben. 1988 markiert die Entdeckung des Myon-Neutrinos. 1995 erhielt Fred Reiners den Preis für die Registrierung von Neutrinos. Im Jahr 2002 haben Ray Davis und Masatoshi Koshiba gemessen, wie viele Neutrinos die Sonne zur Erde sendet. In diesem Jahr teilten sich Takaaki Kajita und Arthur McDonald den Preis für ihre Demonstration, wie Neutrinos von einer Form in eine andere wechseln können.

Auch Wolfgang Pauli, der das Neutrino vorhersagte, erhielt den Nobelpreis, allerdings für eine andere Entdeckung in der Teilchenphysik. Vielleicht hätte er für das Neutrino noch einen bekommen, aber er veröffentlichte seine Entdeckung in Form eines Briefes an eine Physikertagung, an der er nicht teilnahm.

Das beliebteste subatomare Teilchen ist jedoch nicht die einzige Überraschung des Mikrokosmos. Es gibt ein Dutzend verschiedener Entdeckungen, die als atemberaubend bezeichnet werden können.

10. Die Existenz subatomarer Teilchen

Während des gesamten 19. Jahrhunderts war die Existenz von Atomen in Frage gestellt, dank des Erfolgs der Atomtheorie in der Chemie, die vom englischen Schullehrer John Dalton geäußert wurde. Vor ihm waren Atome ein abstraktes philosophisches Konzept, das in Diskussionen über die Endlichkeit der Materie verwendet wurde, aber außerhalb der experimentellen Forschung betrachtet wurde. Viele Physiker betrachteten Atome im Allgemeinen als eine Fiktion, die zur Erklärung dieser Experimente geeignet, aber unrealistisch war.

Daten häuften sich an, und es musste erkannt werden, dass, wenn Atome nicht existieren, es eine Art unteilbare Struktur geben muss, die ihnen ähnlich ist. Der Stein, der die Existenz von Atomen bestätigt, war die Wiederholung der Eigenschaften von Elementen in Mendelejews Periodensystem. 1897 verkündete Thomson die Entdeckung des ersten Elementarteilchens, des Elektrons, das die Unteilbarkeit der Atome vollständig widerlegte.

9. Atomkern

Bevor die Physiker Zeit hatten, die Idee zu akzeptieren, dass Atome existieren, mussten sie sich damit abfinden, dass sie aus Einzelteilen bestehen. Thompson schlug vor, dass negative Elektronen wie Kirschen in einem positiv geladenen Pudding schwimmen. Aber als es Ernest Rutherford und seinen Assistenten gelang, Alpha-Partikel auf eine dünne Goldfolie zu schießen, prallten einige der „Patronen“ zurück. Dies überraschte Rutherford, er sagte, es sei vergleichbar mit dem Beschuss von Seidenpapier, bei dem Artilleriegeschosse zurückflogen. Der Wissenschaftler schlug vor, dass sich im Inneren des Atoms eine winzige Kugel befindet, die wir heute Kerne nennen.

8. Neutronen

In den 1930er Jahren wussten Physiker um die Existenz zweier subatomarer Teilchen, des Protons und des Elektrons, und sie schienen bis auf einen alles zu erklären, warum positiv geladene Protonen nicht auseinanderfliegen. 1920 schlug Rutherford vor, dass sie von einem anderen Teilchen im Kern, dem Neutron, zusammengehalten würden. 1932 entdeckte James Chadwick das neutrale Teilchen. Die Zahl der Elementarteilchen wuchs ständig.

Die Entdeckung des Neutrons war für Physiker eine große Überraschung. Als Rutherford die Idee der Existenz eines Neutrons vorbrachte, glaubten ihm nur wenige Menschen, vielleicht nur Chadwick.

7 Subatomare Teilchen sind eigentlich Wellen

Diese Überraschung ist mit einer ziemlich komischen Geschichte verbunden. 1906 erhielt Thomson den Nobelpreis für den experimentellen Nachweis der Existenz eines subatomaren Teilchens, des Elektrons. 1973 erhielt auch sein Sohn George diese Auszeichnung, weil er nachweisen konnte, dass ein Elektron zumindest manchmal eine Welle ist. Dieser Welle-Teilchen-Dualismus steht im Zentrum der Quantenphysik.

6. Neutrino-Erkennung

1934 bewiesen Bethe und Rudolf Peierls, dass das Neutrino schwach mit Materie wechselwirkt, und es wäre töricht, auch nur eines nachzuweisen. Sie benötigen ein Feststoffreservoir mit einem Durchmesser von 1000 Lichtjahren. Aber der atomare Zerfall wurde sofort entdeckt und Kernreaktoren wurden erfunden. Physiker haben eine ergiebige Quelle für Neutrinos erhalten.

5. Elementarteilchen erwiesen sich als nicht so elementar

Bereits 1950 wurden viele subatomare Teilchen entdeckt, das unteilbare Atom stellte sich nicht nur als teilbar heraus, sondern die Anzahl seiner Teilchen überstieg fünfzig. Einer der Nobelpreisträger, Leon Laderman, scherzte sogar, dass er Botaniker werden würde, wenn er die Namen aller subatomaren Teilchen lernen müsste. Physiker begannen zu vermuten, dass Elementarteilchen ihre eigenen Details haben.

4. Quarks

1950 lernten Physiker subatomare Teilchen kennen, die nicht Teil von Atomen sind. 1960 tauchte die Idee auf, dass Elementarteilchen aus kleinen Bausteinen bestehen, die eine gebrochene Ladung haben. Murray Gell-Mann nannte diese Teilchen Quarks, die Idee war innovativ, da man vorher glaubte, gebrochene Ladungen seien Unsinn. Ein paar Jahre später eine weitere Überraschung von Experimentatoren - es gelang ihnen, die Existenz von Quarks zu bestätigen.

3. Symmetriebruch

Lange vor der Explosion der Entdeckungen subatomarer Teilchen wies der angesehene Mathematiker Hermann Weyl darauf hin, dass die Natur nichts über Parität weiß. Es besteht kein Zweifel, dass alle Naturgesetze bei Rechts- und Linksumlagerung unveränderlich sind. Aber 1956 schlugen Chen Ning Yang und Zong-Dao Li die Idee vor, dass die Regel der Links-Rechts-Symmetrie in einigen Fällen nicht funktionierte, wenn es um subatomare Teilchen ging. Es war eine Sensation, besonders als Bestätigungen von Experimentatoren auftauchten.

2. Stabilität von Protonen

Außerhalb des Atomkerns sind Neutronen äußerst instabil und zerfallen innerhalb weniger Minuten in ein Proton, ein Elektron und ein Antineutrino. Aber es scheint, dass das Proton ungewöhnlich stabil ist und für immer unteilbar bleiben kann. Obwohl Theoretiker in den 1970er Jahren zu glauben begannen, dass Protonen in mindestens Billionen von Billionen Jahren zerfallen müssen, konnten Wissenschaftler trotz aller Bemühungen, ein solches Ereignis zu identifizieren, dies nicht beheben. Dies sorgte für große Überraschung. Alles zerfällt, aber Protonen nicht.

1. Antimaterie

1932 wurde nicht nur das Neutron, sondern auch das Positron entdeckt. Es wurde von Karl Anderson berechnet, indem er Spuren kosmischer Strahlung in einer Nebelkammer analysierte. Unter den Abdrücken fand der Physiker einen, der wie ein Elektron aussah, aber in die falsche Richtung gebogen war. Es stellte sich heraus, dass es das Positron war, das Antiteilchen des Elektrons, Anderson nannte es das positive Elektron. Die Entdeckung der Antimaterie-Teilchen war eine große Überraschung, entsprach aber voll und ganz den theoretischen Berechnungen von Paul Dirac. Es ist erstaunlich, dass jemand die Existenz von etwas so Seltsamem ableiten konnte, indem er einfach mit den Gleichungen herumspielte.