Di Alam Semesta setiap tubuh hidup pada waktunya sendiri dan juga partikel-partikel elementer dasar. Masa hidup sebagian besar partikel elementer agak pendek.
Beberapa peluruhan segera setelah mereka lahir, itulah sebabnya kami menyebutnya partikel tidak stabil.
Setelah waktu yang singkat, mereka meluruh menjadi yang stabil: proton, elektron, neutrino, foton, graviton, dan antipartikelnya.
Objek mikro terpenting di ruang dekat kita - proton dan elektron. Beberapa bagian alam semesta yang jauh mungkin terdiri dari antimateri, partikel yang paling penting akan ada antiproton dan antielektron (positron).
Secara total, beberapa ratus partikel elementer telah ditemukan: proton (p), neutron (n), elektron (e -), serta foton (g), pi-meson (p), muon (m), neutrino tiga jenis (elektronik v e, muon v m , dengan lepton v t), dll. jelas mereka akan membawa lebih banyak mikropartikel baru.
Penampilan partikel:
proton dan elektron
Munculnya proton dan elektron berasal dari sekitar sepuluh miliar tahun.
Jenis objek mikro lain yang memainkan peran penting dalam struktur ruang dekat adalah neutron, yang memiliki nama umum dengan proton: nukleon. Neutron sendiri tidak stabil, mereka meluruh sekitar sepuluh menit setelah dihasilkan. Mereka hanya bisa stabil dalam inti atom. Sejumlah besar neutron terus-menerus muncul di kedalaman bintang, di mana inti atom lahir dari proton.
neutrino
Di Semesta, kelahiran neutrino juga terus terjadi, yang mirip dengan elektron, tetapi tanpa muatan dan dengan massa kecil. Pada tahun 1936, berbagai neutrino ditemukan: neutrino muon, yang muncul selama transformasi proton menjadi neutron, di kedalaman bintang supermasif dan selama peluruhan banyak objek mikro yang tidak stabil. Mereka lahir ketika sinar kosmik bertabrakan di ruang antarbintang.
Ledakan besar mengakibatkan munculnya sejumlah besar neutrino dan muon neutrino. Jumlah mereka di ruang angkasa terus meningkat, karena mereka tidak diserap oleh hampir semua materi.
foton
Seperti foton, neutrino dan muon neutrino mengisi seluruh ruang. Fenomena ini disebut "laut neutrino".
Sejak Big Bang, ada banyak sekali foton yang tersisa, yang kita sebut relik atau fosil. Mereka dipenuhi dengan semua ruang luar, dan frekuensinya, dan karenanya energinya terus berkurang, seiring dengan berkembangnya alam semesta.
Saat ini, semua benda kosmik, terutama bintang dan nebula, terlibat dalam pembentukan bagian foton Semesta. Foton lahir di permukaan bintang dari energi elektron.
Koneksi partikel
Pada tahap awal pembentukan Semesta, semua partikel dasar dasar bebas. Kemudian tidak ada inti atom, tidak ada planet, tidak ada bintang.
Atom, dan dari mereka planet, bintang dan semua zat, terbentuk kemudian, ketika 300.000 tahun telah berlalu dan materi pijar mendingin cukup selama ekspansi. 
Hanya neutrino, muon neutrino, dan foton yang tidak masuk ke dalam sistem apa pun: daya tarik timbal balik mereka terlalu lemah. Mereka tetap menjadi partikel bebas.
Bahkan pada tahap awal pembentukan Semesta (300.000 tahun setelah kelahirannya), proton dan elektron bebas bergabung menjadi atom hidrogen (satu proton dan satu elektron dihubungkan oleh gaya listrik).
Proton dianggap sebagai partikel elementer utama dengan muatan +1 dan massa 1,672 10 27 kg (sedikit kurang dari 2000 kali lebih berat dari elektron). Proton yang menemukan diri mereka dalam bintang masif secara bertahap berubah menjadi "besi" bangunan utama Semesta. Masing-masing dari mereka melepaskan satu persen dari massa istirahat mereka. Pada bintang supermasif, yang menyusut menjadi volume kecil sebagai akibat dari gravitasinya sendiri di akhir hidupnya, sebuah proton dapat kehilangan hampir seperlima dari energi diamnya (dan karenanya seperlima dari massa diamnya).Diketahui bahwa "blok mikro bangunan" Semesta adalah proton dan elektron.
Akhirnya, ketika proton dan antiproton bertemu, tidak ada sistem yang muncul, tetapi semua energi diamnya dilepaskan dalam bentuk foton (). 
Para ilmuwan mengklaim bahwa ada juga graviton partikel dasar hantu yang membawa interaksi gravitasi mirip dengan elektromagnetisme. Namun, keberadaan graviton hanya terbukti secara teoritis.
Dengan demikian, partikel dasar utama muncul dan sekarang mewakili Semesta kita, termasuk Bumi: proton, elektron, neutrino, foton, graviton, dan banyak lagi objek mikro yang ditemukan dan belum ditemukan.
Ketiga partikel ini (serta partikel lainnya yang dijelaskan di bawah) saling tarik menarik dan tolak menolak sesuai dengan biaya, yang hanya empat jenis menurut jumlah kekuatan dasar alam. Muatan dapat diatur dalam urutan penurunan gaya yang sesuai sebagai berikut: muatan warna (gaya interaksi antara quark); muatan listrik (gaya listrik dan magnet); muatan lemah (kekuatan dalam beberapa proses radioaktif); akhirnya, massa (gaya gravitasi, atau interaksi gravitasi). Kata "warna" di sini tidak ada hubungannya dengan warna cahaya tampak; itu hanyalah karakteristik dari muatan terkuat dan kekuatan terbesar.
biaya bertahan, yaitu Muatan yang masuk ke sistem sama dengan muatan yang keluar. Jika muatan listrik total sejumlah partikel sebelum interaksi mereka, katakanlah, 342 unit, maka setelah interaksi, terlepas dari hasilnya, itu akan sama dengan 342 unit. Ini juga berlaku untuk muatan lain: warna (muatan interaksi kuat), lemah dan massa (massa). Partikel berbeda dalam muatannya: pada dasarnya, mereka "adalah" muatan ini. Tuduhan seolah-olah merupakan "sertifikat" hak untuk menanggapi kekuatan yang sesuai. Jadi, hanya partikel berwarna yang dipengaruhi oleh gaya warna, hanya partikel bermuatan listrik yang terpengaruh oleh gaya listrik, dan seterusnya. Sifat-sifat partikel ditentukan oleh gaya terbesar yang bekerja padanya. Hanya quark yang merupakan pembawa semua muatan dan, oleh karena itu, tunduk pada aksi semua gaya, di antaranya warna dominan. Elektron memiliki semua muatan kecuali warna, dan gaya dominannya adalah gaya elektromagnetik.
Yang paling stabil di alam adalah, sebagai suatu peraturan, kombinasi partikel netral di mana muatan partikel dari satu tanda dikompensasikan dengan muatan total partikel dari tanda lain. Ini sesuai dengan energi minimum seluruh sistem. (Demikian pula, dua magnet batang berada dalam satu garis, dengan kutub utara yang satu menghadap kutub selatan yang lain, yang sesuai dengan energi medan magnet minimum.) Gravitasi merupakan pengecualian untuk aturan ini: massa negatif tidak ada. Tidak ada tubuh yang akan jatuh.
JENIS MATERI
Materi biasa terbentuk dari elektron dan quark, dikelompokkan menjadi benda-benda yang berwarna netral, kemudian bermuatan listrik. Gaya warna dinetralkan, yang akan dibahas lebih rinci di bawah, ketika partikel digabungkan menjadi triplet. (Oleh karena itu istilah "warna" itu sendiri, diambil dari optik: tiga warna primer, bila dicampur, menghasilkan warna putih.) Jadi, quark, yang daya warnanya adalah yang utama, membentuk kembar tiga. Tapi quark, dan mereka dibagi lagi menjadi kamu-quark (dari bahasa Inggris ke atas - atas) dan d-quark (dari bahasa Inggris ke bawah - lebih rendah), mereka juga memiliki muatan listrik yang sama dengan kamu-quark dan untuk d-kuark. Dua kamu-quark dan satu d-quark memberikan muatan listrik +1 dan membentuk proton, dan satu kamu-quark dan dua d-quark memberikan muatan listrik nol dan membentuk neutron.
Proton dan neutron yang stabil, tertarik satu sama lain oleh gaya warna sisa interaksi antara quark penyusunnya, membentuk inti atom berwarna netral. Tapi inti membawa muatan listrik positif dan, dengan menarik elektron negatif yang berputar di sekitar inti seperti planet yang berputar mengelilingi Matahari, cenderung membentuk atom netral. Elektron dalam orbitnya dikeluarkan dari nukleus pada jarak puluhan ribu kali lebih besar dari jari-jari nukleus - bukti bahwa gaya listrik yang menahannya jauh lebih lemah daripada gaya nuklir. Karena kekuatan interaksi warna, 99,945% massa atom terbungkus dalam nukleusnya. Bobot kamu- dan d-quark kira-kira 600 kali massa elektron. Oleh karena itu, elektron jauh lebih ringan dan lebih mobile daripada inti. Pergerakan mereka dalam materi menyebabkan fenomena listrik.
Ada beberapa ratus jenis atom alami (termasuk isotop) yang berbeda dalam jumlah neutron dan proton dalam nukleus dan, karenanya, dalam jumlah elektron dalam orbitnya. Yang paling sederhana adalah atom hidrogen, terdiri dari nukleus berupa proton dan satu elektron yang mengelilinginya. Semua materi "terlihat" di alam terdiri dari atom dan sebagian atom "terurai", yang disebut ion. Ion adalah atom yang, setelah kehilangan (atau memperoleh) beberapa elektron, telah menjadi partikel bermuatan. Materi, yang terdiri hampir dari satu ion, disebut plasma. Bintang yang terbakar karena reaksi termonuklir yang terjadi di pusat sebagian besar terdiri dari plasma, dan karena bintang adalah bentuk materi yang paling umum di Semesta, dapat dikatakan bahwa seluruh Semesta sebagian besar terdiri dari plasma. Lebih tepatnya, bintang didominasi gas hidrogen yang terionisasi penuh, mis. campuran proton dan elektron individu, dan karena itu hampir seluruh alam semesta yang terlihat terdiri darinya.
Ini adalah hal yang terlihat. Tetapi masih ada materi yang tidak terlihat di alam semesta. Dan ada partikel yang bertindak sebagai pembawa gaya. Ada antipartikel dan keadaan tereksitasi dari beberapa partikel. Semua ini mengarah pada kelimpahan partikel "dasar" yang berlebihan. Dalam kelimpahan ini, seseorang dapat menemukan indikasi sifat sejati partikel elementer dan gaya yang bekerja di antara mereka. Menurut teori terbaru, partikel pada dasarnya dapat diperpanjang objek geometris - "string" dalam ruang sepuluh dimensi.
Dunia yang tak terlihat.
Tidak hanya materi terlihat di alam semesta (tetapi juga lubang hitam dan "materi gelap", seperti planet dingin, yang menjadi terlihat saat diterangi). Ada juga materi yang benar-benar tak terlihat yang menembus kita semua dan seluruh Semesta setiap detik. Ini adalah gas yang bergerak cepat dari satu jenis partikel - neutrino elektron.
Neutrino elektron adalah pasangan elektron, tetapi tidak memiliki muatan listrik. Neutrino hanya membawa apa yang disebut muatan lemah. Massa istirahat mereka, kemungkinan besar, nol. Tetapi mereka berinteraksi dengan medan gravitasi, karena mereka memiliki energi kinetik E, yang sesuai dengan massa efektif m, menurut rumus Einstein E = mc 2 , dimana c adalah kecepatan cahaya.
Peran kunci neutrino adalah berkontribusi pada transformasi dan-quark di d quark, menghasilkan transformasi proton menjadi neutron. Neutrino memainkan peran "jarum karburator" untuk reaksi termonuklir bintang, di mana empat proton (inti hidrogen) bergabung untuk membentuk inti helium. Tetapi karena inti helium tidak terdiri dari empat proton, tetapi dua proton dan dua neutron, untuk fusi nuklir semacam itu diperlukan dua dan-quark berubah menjadi dua d-kuark. Intensitas transformasi menentukan seberapa cepat bintang-bintang akan terbakar. Dan proses transformasi ditentukan oleh muatan lemah dan gaya interaksi lemah antar partikel. Di mana dan-quark (muatan listrik +2/3, muatan lemah +1/2), berinteraksi dengan elektron (muatan listrik - 1, muatan lemah -1/2), membentuk d-quark (muatan listrik -1/3, muatan lemah -1/2) dan elektron neutrino (muatan listrik 0, muatan lemah +1/2). Muatan warna (atau hanya warna) dari dua quark dibatalkan dalam proses ini tanpa neutrino. Peran neutrino adalah untuk membawa muatan lemah yang tidak terkompensasi. Oleh karena itu, laju transformasi tergantung pada seberapa lemah gaya-gaya lemah tersebut. Jika mereka lebih lemah dari mereka, maka bintang-bintang tidak akan terbakar sama sekali. Jika mereka lebih kuat, maka bintang-bintang akan terbakar sejak lama.
Tapi bagaimana dengan neutrino? Karena partikel-partikel ini berinteraksi sangat lemah dengan materi lain, mereka hampir segera meninggalkan bintang-bintang tempat mereka dilahirkan. Semua bintang bersinar, memancarkan neutrino, dan neutrino bersinar melalui tubuh kita dan seluruh bumi siang dan malam. Jadi mereka mengembara melalui Semesta, sampai mereka masuk, mungkin, ke dalam interaksi baru BINTANG) .
Pembawa interaksi.
Apa yang menyebabkan gaya-gaya yang bekerja antar partikel pada jarak tertentu? Fisika modern menjawab: karena pertukaran partikel lain. Bayangkan dua skater melempar bola. Memberikan momentum bola saat melempar dan menerima momentum dengan bola yang diterima, keduanya mendapat dorongan searah. Hal ini dapat menjelaskan munculnya gaya tolak menolak. Tetapi dalam mekanika kuantum, yang mempertimbangkan fenomena di dunia mikro, peregangan dan delokalisasi peristiwa yang tidak biasa diperbolehkan, yang tampaknya mengarah pada hal yang mustahil: salah satu skater melempar bola ke arah dari yang lain, tapi tetap satu mungkin menangkap bola ini. Tidak sulit untuk membayangkan bahwa jika ini mungkin (dan di dunia partikel elementer itu mungkin), akan ada daya tarik di antara para skater.
Partikel, karena pertukaran gaya interaksi yang muncul antara empat "partikel materi" yang dibahas di atas, disebut partikel pengukur. Masing-masing dari empat interaksi - kuat, elektromagnetik, lemah, dan gravitasi - memiliki kumpulan partikel pengukurnya sendiri. Partikel pembawa interaksi kuat adalah gluon (hanya ada delapan). Foton adalah pembawa interaksi elektromagnetik (itu adalah satu, dan kami menganggap foton sebagai cahaya). Pembawa partikel dari interaksi lemah adalah boson vektor menengah (ditemukan pada tahun 1983 dan 1984 W + -, W- -boson dan netral Z-boson). Pembawa partikel dari interaksi gravitasi masih merupakan graviton hipotetis (harus satu). Semua partikel ini, kecuali foton dan graviton, yang dapat menempuh jarak jauh tak terhingga, hanya ada dalam proses pertukaran antar partikel material. Foton mengisi Semesta dengan cahaya, dan graviton - dengan gelombang gravitasi (belum terdeteksi dengan pasti).
Sebuah partikel yang mampu memancarkan partikel pengukur dikatakan dikelilingi oleh medan gaya yang sesuai. Dengan demikian, elektron yang mampu memancarkan foton dikelilingi oleh medan listrik dan magnet, serta medan lemah dan gravitasi. Quark juga dikelilingi oleh semua bidang ini, tetapi juga oleh bidang interaksi yang kuat. Partikel dengan muatan warna dalam medan gaya warna dipengaruhi oleh gaya warna. Hal yang sama berlaku untuk kekuatan alam lainnya. Oleh karena itu, kita dapat mengatakan bahwa dunia terdiri dari materi (partikel material) dan medan (partikel pengukur). Lebih lanjut tentang ini di bawah ini.
Antimateri.
Setiap partikel sesuai dengan antipartikel, yang dengannya partikel dapat saling memusnahkan, mis. "musnahkan", sebagai akibatnya energi dilepaskan. Namun, energi "murni" dengan sendirinya tidak ada; sebagai akibat dari pemusnahan, partikel baru (misalnya, foton) muncul, membawa energi ini.
Antipartikel dalam banyak kasus memiliki sifat yang berlawanan sehubungan dengan partikel yang sesuai: jika sebuah partikel bergerak ke kiri di bawah aksi medan kuat, lemah atau elektromagnetik, maka antipartikelnya akan bergerak ke kanan. Singkatnya, antipartikel memiliki tanda berlawanan dari semua muatan (kecuali muatan massa). Jika sebuah partikel adalah komposit, seperti, misalnya, neutron, maka antipartikelnya terdiri dari komponen dengan tanda muatan yang berlawanan. Jadi, antielektron memiliki muatan listrik +1, muatan lemah +1/2 dan disebut positron. Antineutron terdiri dari dan-antiquark dengan muatan listrik –2/3 dan d-antiquark dengan muatan listrik +1/3. Partikel yang benar-benar netral adalah antipartikelnya sendiri: antipartikel foton adalah foton.
Menurut konsep teoretis modern, setiap partikel yang ada di alam pasti memiliki antipartikelnya sendiri. Dan banyak antipartikel, termasuk positron dan antineutron, memang diperoleh di laboratorium. Konsekuensi dari ini sangat penting dan mendasari seluruh fisika eksperimental partikel elementer. Menurut teori relativitas, massa dan energi adalah setara, dan dalam kondisi tertentu, energi dapat diubah menjadi massa. Karena muatan kekal dan muatan ruang hampa (ruang kosong) adalah nol, setiap pasangan partikel dan antipartikel (dengan muatan bersih nol) dapat muncul dari ruang hampa, seperti kelinci dari topi pesulap, selama energinya cukup untuk menciptakannya. massa.
Generasi partikel.
Eksperimen akselerator telah menunjukkan bahwa empat kali lipat (kuartet) partikel material diulang setidaknya dua kali pada nilai massa yang lebih tinggi. Pada generasi kedua, tempat elektron ditempati oleh muon (dengan massa sekitar 200 kali lebih besar dari massa elektron, tetapi dengan nilai yang sama dari semua muatan lainnya), tempat elektron neutrino adalah muon (yang menyertai muon dalam interaksi lemah dengan cara yang sama seperti elektron menyertai elektron neutrino), tempatkan dan-quark menempati dengan-kuark ( terpesona), sebuah d-kuark - s-kuark ( aneh). Pada generasi ketiga, kuartet terdiri dari tau lepton, tau neutrino, t-kuark dan b-kuark.
Bobot t-quark sekitar 500 kali massa yang paling ringan - d-kuark. Secara eksperimental telah ditetapkan bahwa hanya ada tiga jenis neutrino ringan. Jadi, partikel generasi keempat tidak ada sama sekali, atau neutrino yang sesuai sangat berat. Ini konsisten dengan data kosmologis, yang menurutnya tidak boleh ada lebih dari empat jenis neutrino ringan.
Dalam percobaan dengan partikel berenergi tinggi, elektron, muon, tau-lepton dan neutrino yang sesuai bertindak sebagai partikel yang terpisah. Mereka tidak membawa muatan warna dan hanya masuk ke dalam interaksi lemah dan elektromagnetik. Secara kolektif mereka disebut lepton.
| Tabel 2. GENERASI PARTIKEL DASAR | ||||
| Partikel | Massa istirahat, MeV/ dengan 2 | Muatan listrik | biaya warna | Muatan lemah |
| GENERASI KEDUA | ||||
| dengan-kuark | 1500 | +2/3 | Merah, hijau atau biru | +1/2 |
| s-kuark | 500 | –1/3 | Sama | –1/2 |
| Muon neutrino | 0 | 0 | +1/2 | |
| muon | 106 | 0 | 0 | –1/2 |
| GENERASI KETIGA | ||||
| t-kuark | 30000–174000 | +2/3 | Merah, hijau atau biru | +1/2 |
| b-kuark | 4700 | –1/3 | Sama | –1/2 |
| Tau neutrino | 0 | 0 | +1/2 | |
| tau | 1777 | –1 | 0 | –1/2 |
Quark, di sisi lain, di bawah pengaruh kekuatan warna, bergabung menjadi partikel yang berinteraksi kuat yang mendominasi sebagian besar eksperimen dalam fisika energi tinggi. Partikel seperti ini disebut hadron. Mereka termasuk dua subclass: baryon(misalnya proton dan neutron), yang terdiri dari tiga quark, dan meson terdiri dari quark dan antiquark. Pada tahun 1947, meson pertama, yang disebut pion (atau pi-meson), ditemukan dalam sinar kosmik, dan untuk beberapa waktu diyakini bahwa pertukaran partikel-partikel ini adalah penyebab utama gaya nuklir. Omega-minus hadron, ditemukan pada tahun 1964 di Brookhaven National Laboratory (AS), dan partikel j-psy ( J/kamu-meson), ditemukan secara bersamaan di Brookhaven dan di Stanford Center for Linear Accelerators (juga di AS) pada tahun 1974. Keberadaan partikel omega-minus diprediksi oleh M. Gell-Mann dalam apa yang disebut " SU 3-teori" (nama lain adalah "cara delapan kali lipat"), di mana kemungkinan keberadaan quark pertama kali diusulkan (dan nama ini diberikan kepada mereka). Satu dekade kemudian, penemuan partikel J/kamu mengkonfirmasi keberadaan dengan-quark dan akhirnya membuat semua orang percaya pada model quark dan teori yang menggabungkan gaya elektromagnetik dan gaya lemah ( Lihat di bawah).
Partikel generasi kedua dan ketiga tidak kalah nyata dari yang pertama. Benar, setelah muncul, mereka meluruh dalam sepersejuta atau sepersejuta detik menjadi partikel biasa dari generasi pertama: elektron, elektron neutrino, dan juga dan- dan d-quark. Pertanyaan mengapa ada beberapa generasi partikel di alam masih menjadi misteri.
Generasi quark dan lepton yang berbeda sering disebut (yang tentu saja agak eksentrik) sebagai "rasa" partikel yang berbeda. Kebutuhan untuk menjelaskannya disebut masalah "rasa".
BOSON DAN FERMIONS, LAPANGAN DAN ZAT
Salah satu perbedaan mendasar antara partikel adalah perbedaan antara boson dan fermion. Semua partikel dibagi menjadi dua kelas utama ini. Seperti boson bisa tumpang tindih atau tumpang tindih, tapi seperti fermion tidak bisa. Superposisi terjadi (atau tidak terjadi) dalam keadaan energi diskrit di mana mekanika kuantum membagi alam. Keadaan-keadaan ini seolah-olah merupakan sel-sel yang terpisah di mana partikel-partikel dapat ditempatkan. Jadi, dalam satu sel Anda dapat menempatkan sejumlah boson yang identik, tetapi hanya satu fermion.
Sebagai contoh, perhatikan sel-sel tersebut, atau "keadaan", untuk elektron yang berputar di sekitar inti atom. Tidak seperti planet-planet di tata surya, menurut hukum mekanika kuantum, elektron tidak dapat bersirkulasi dalam orbit elips mana pun, karena hanya ada sejumlah "keadaan gerak" yang diizinkan. Himpunan keadaan seperti itu, dikelompokkan menurut jarak dari elektron ke inti, disebut orbital. Di orbital pertama, ada dua keadaan dengan momentum sudut yang berbeda dan, oleh karena itu, dua sel yang diizinkan, dan di orbital yang lebih tinggi, delapan sel atau lebih.
Karena elektron adalah fermion, setiap sel hanya dapat berisi satu elektron. Dari sini mengikuti konsekuensi yang sangat penting - seluruh kimia, karena sifat kimia zat ditentukan oleh interaksi antara atom yang sesuai. Jika Anda melalui sistem periodik unsur dari satu atom ke atom lain dalam urutan peningkatan satuan jumlah proton dalam inti (jumlah elektron juga akan meningkat sesuai), maka dua elektron pertama akan menempati orbital pertama, delapan berikutnya akan ditempatkan di yang kedua, dll. Perubahan berturut-turut dalam struktur elektronik atom dari unsur ke unsur menentukan keteraturan dalam sifat kimianya.
Jika elektron adalah boson, maka semua elektron suatu atom dapat menempati orbital yang sama sesuai dengan energi minimum. Dalam hal ini, sifat-sifat semua materi di Semesta akan sangat berbeda, dan dalam bentuk yang kita ketahui, Semesta tidak mungkin.
Semua lepton - elektron, muon, tau-lepton dan neutrino yang sesuai - adalah fermion. Hal yang sama dapat dikatakan tentang quark. Jadi, semua partikel yang membentuk "materi", pengisi utama Semesta, serta neutrino yang tidak terlihat, adalah fermion. Ini sangat signifikan: fermion tidak dapat bergabung, jadi hal yang sama berlaku untuk objek di dunia material.
Pada saat yang sama, semua "partikel pengukur" dipertukarkan antara partikel material yang berinteraksi dan yang menciptakan medan gaya ( Lihat di atas), adalah boson, yang juga sangat penting. Jadi, misalnya, banyak foton dapat berada dalam keadaan yang sama, membentuk medan magnet di sekitar magnet atau medan listrik di sekitar muatan listrik. Berkat ini, laser juga dimungkinkan.
Putaran.
Perbedaan antara boson dan fermion terkait dengan karakteristik lain dari partikel elementer - kembali. Kelihatannya mengejutkan, tetapi semua partikel fundamental memiliki momentum sudutnya sendiri atau, lebih sederhananya, berputar di sekitar porosnya sendiri. Momentum sudut adalah karakteristik dari gerak rotasi, sama seperti momentum total dari gerak translasi. Dalam interaksi apapun, momentum sudut dan momentum kekal.
Dalam mikrokosmos, momentum sudut terkuantisasi, yaitu mengambil nilai diskrit. Dalam satuan yang sesuai, lepton dan quark memiliki putaran 1/2, dan partikel pengukur memiliki putaran 1 (kecuali untuk graviton, yang belum diamati secara eksperimental, tetapi secara teoritis seharusnya memiliki putaran 2). Karena lepton dan quark adalah fermion, dan partikel pengukur adalah boson, dapat diasumsikan bahwa "fermionisitas" dikaitkan dengan putaran 1/2, dan "bosonisitas" dikaitkan dengan putaran 1 (atau 2). Memang, baik eksperimen maupun teori mengkonfirmasi bahwa jika sebuah partikel memiliki putaran setengah bilangan bulat, maka itu adalah fermion, dan jika itu bilangan bulat, maka itu adalah boson.
TEORI PENGUKURAN DAN GEOMETRI
Dalam semua kasus, gaya muncul karena pertukaran boson antara fermion. Dengan demikian, gaya warna interaksi antara dua quark (quark - fermion) muncul karena pertukaran gluon. Pertukaran seperti itu terus-menerus terjadi di proton, neutron, dan inti atom. Demikian pula, pertukaran foton antara elektron dan quark menciptakan gaya tarik-menarik listrik yang menahan elektron dalam atom, dan boson vektor perantara yang dipertukarkan antara lepton dan quark menciptakan gaya interaksi lemah yang bertanggung jawab atas konversi proton menjadi neutron dalam reaksi termonuklir di bintang.
Teori pertukaran semacam itu elegan, sederhana, dan mungkin benar. Itu disebut teori pengukur. Tetapi saat ini hanya ada teori pengukur independen tentang interaksi kuat, lemah dan elektromagnetik dan teori gravitasi yang serupa dengan mereka, meskipun dalam beberapa hal berbeda. Salah satu masalah fisik yang paling penting adalah reduksi teori-teori yang terpisah ini menjadi satu dan pada saat yang sama teori sederhana, di mana semuanya akan menjadi aspek yang berbeda dari satu realitas - seperti segi kristal.
| Tabel 3. BEBERAPA HADRONS | ||||
| Partikel | Simbol | komposisi kuark * | massa istirahat, saya/ dengan 2 | Muatan listrik |
| BARYONS | ||||
| Proton | p | uud | 938 | +1 |
| neutron | n | udd | 940 | 0 |
| Omega minus | W- | sss | 1672 | –1 |
| MESON | ||||
| Pi ditambah | p + | kamu | 140 | +1 |
| Pi-minus | p – | dua | 140 | –1 |
| fi | f | s | 1020 | 0 |
| JPS | J/y | cў | 3100 | 0 |
| Upsilon | Ў | b | 9460 | 0 |
| * Komposisi kuark: kamu- atas; d- lebih rendah; s- aneh; c- terpesona b- Cantik. Garis di atas huruf menunjukkan barang antik. | ||||
Teori pengukur yang paling sederhana dan tertua adalah teori pengukur interaksi elektromagnetik. Di dalamnya, muatan elektron dibandingkan (dikalibrasi) dengan muatan elektron lain yang jauh darinya. Bagaimana biaya dapat dibandingkan? Anda dapat, misalnya, mendekatkan elektron kedua ke elektron pertama dan membandingkan gaya interaksinya. Tapi bukankah muatan elektron berubah ketika berpindah ke titik lain di luar angkasa? Satu-satunya cara untuk memeriksa adalah mengirim sinyal dari elektron dekat ke elektron jauh dan melihat bagaimana reaksinya. Sinyal adalah partikel pengukur - foton. Untuk dapat memeriksa muatan pada partikel yang jauh, diperlukan foton.
Secara matematis, teori ini dibedakan oleh presisi dan keindahan yang ekstrem. Dari "prinsip pengukur" yang dijelaskan di atas, semua elektrodinamika kuantum (teori kuantum elektromagnetisme) mengikuti, serta teori medan elektromagnetik Maxwell, salah satu pencapaian ilmiah terbesar abad ke-19.
Mengapa prinsip sederhana seperti itu sangat bermanfaat? Rupanya, ini mengungkapkan korelasi tertentu dari berbagai bagian Semesta, yang memungkinkan pengukuran di Semesta. Dalam istilah matematika, medan ditafsirkan secara geometris sebagai kelengkungan beberapa ruang "internal" yang mungkin. Pengukuran muatan adalah pengukuran total "kelengkungan internal" di sekitar partikel. Teori pengukur interaksi kuat dan lemah berbeda dari teori pengukur elektromagnetik hanya dalam "struktur" geometrik internal dari muatan yang sesuai. Pertanyaan tentang di mana tepatnya ruang dalam ini berada sedang dijawab oleh teori medan terpadu multidimensi, yang tidak dibahas di sini.
| Tabel 4. INTERAKSI DASAR | |||||
| Interaksi | Intensitas relatif pada jarak 10–13 cm | Radius aksi | Pembawa interaksi | Massa istirahat pembawa, MeV/ dengan 2 | Putaran pembawa |
| kuat | 1 | gluon | 0 | 1 | |
| elektro- magnetis |
0,01 | Ґ | foton | 0 | 1 |
| Lemah | 10 –13 | W + | 80400 | 1 | |
| W – | 80400 | 1 | |||
| Z 0 | 91190 | 1 | |||
| Gravitasi- rasional |
10 –38 | Ґ | gravitasi | 0 | 2 |
Fisika partikel elementer belum selesai. Masih jauh dari jelas apakah data yang tersedia cukup untuk memahami sepenuhnya sifat partikel dan gaya, serta sifat dan dimensi ruang dan waktu yang sebenarnya. Apakah kita memerlukan eksperimen dengan energi 10 15 GeV untuk ini, atau akankah upaya berpikir cukup? Belum ada jawaban. Tetapi kita dapat mengatakan dengan yakin bahwa gambar akhirnya akan sederhana, elegan dan indah. Ada kemungkinan bahwa tidak akan ada begitu banyak ide mendasar: prinsip pengukur, ruang dengan dimensi lebih tinggi, keruntuhan dan pemuaian, dan, di atas segalanya, geometri.
Penetrasi lebih lanjut ke kedalaman dunia mikro dikaitkan dengan transisi dari tingkat atom ke tingkat partikel dasar. Sebagai partikel dasar pertama pada akhir abad XIX. elektron ditemukan, dan kemudian pada dekade pertama abad ke-20. foton, proton, positron, dan neutron.
Setelah Perang Dunia Kedua, berkat penggunaan teknologi eksperimental modern, dan di atas segalanya, akselerator yang kuat, di mana kondisi energi tinggi dan kecepatan luar biasa diciptakan, keberadaan sejumlah besar partikel elementer ditetapkan - lebih dari 300. Di antara mereka, keduanya ditemukan secara eksperimental dan dihitung secara teoritis, termasuk resonansi, quark, dan partikel virtual.
Ketentuan partikel dasar awalnya berarti partikel yang paling sederhana dan tidak dapat diuraikan lebih lanjut yang mendasari setiap formasi material. Belakangan, fisikawan menyadari keseluruhan konvensionalitas istilah "dasar" dalam kaitannya dengan objek mikro. Sekarang tidak ada keraguan bahwa partikel memiliki satu struktur atau lainnya, tetapi, bagaimanapun, nama yang ditetapkan secara historis terus ada.
Karakteristik utama partikel elementer adalah massa, muatan, umur rata-rata, spin, dan bilangan kuantum.
istirahat massa partikel elementer ditentukan dalam kaitannya dengan massa diam elektron Ada partikel elementer yang tidak memiliki massa diam, - foton. Sisa partikel atas dasar ini dibagi menjadi: lepton– partikel cahaya (elektron dan neutrino); meson– partikel sedang dengan massa mulai dari satu hingga seribu massa elektron; baryon- partikel berat yang massanya melebihi seribu massa elektron dan termasuk proton, neutron, hiperon, dan banyak resonansi.
Muatan listrik adalah karakteristik penting lain dari partikel elementer. Semua partikel yang diketahui memiliki muatan positif, negatif atau nol. Setiap partikel, kecuali satu foton dan dua meson, bersesuaian dengan antipartikel dengan muatan yang berlawanan. Sekitar tahun 1963-1964. dihipotesiskan ada quark- partikel dengan muatan listrik fraksional. Hipotesis ini belum dikonfirmasi secara eksperimental.
Dengan waktu hidup partikel dibagi menjadi stabil dan tidak stabil . Ada lima partikel stabil: foton, dua jenis neutrino, elektron, dan proton. Ini adalah partikel stabil yang memainkan peran paling penting dalam struktur tubuh makro. Semua partikel lain tidak stabil, mereka ada selama sekitar 10 -10 -10 -24 s, setelah itu mereka meluruh. Partikel dasar dengan masa hidup rata-rata 10–23–10–22 detik disebut resonansi. Karena masa hidupnya yang singkat, mereka meluruh bahkan sebelum mereka meninggalkan atom atau inti atom. Keadaan resonansi telah dihitung secara teoritis; tidak mungkin untuk memperbaikinya dalam eksperimen nyata.
Selain muatan, massa, dan masa hidup, partikel elementer juga dijelaskan oleh konsep yang tidak memiliki analog dalam fisika klasik: konsep kembali . Spin adalah momentum sudut intrinsik sebuah partikel, tidak terkait dengan perpindahannya. Spin dicirikan spin bilangan kuantum s, yang dapat mengambil nilai bilangan bulat (±1) atau setengah bilangan bulat (±1/2). Partikel dengan putaran bilangan bulat boson, dengan setengah bilangan bulat - fermion. Elektron termasuk dalam fermion. Menurut prinsip Pauli, sebuah atom tidak dapat memiliki lebih dari satu elektron dengan himpunan bilangan kuantum yang sama. n,m,aku,s. Elektron, yang sesuai dengan fungsi gelombang dengan nomor yang sama n, memiliki energi yang sangat dekat dan membentuk kulit elektron dalam atom. Perbedaan nomor l menentukan "subkulit", nomor kuantum yang tersisa menentukan pengisiannya, seperti yang disebutkan di atas.
Dalam karakterisasi partikel elementer, ada ide penting lainnya interaksi. Seperti disebutkan sebelumnya, empat jenis interaksi antara partikel elementer diketahui: gravitasi,lemah,elektromagnetik dan kuat(nuklir).
Semua partikel yang memiliki massa diam ( m 0), berpartisipasi dalam interaksi gravitasi, bermuatan - dan dalam elektromagnetik. Lepton juga berpartisipasi dalam interaksi yang lemah. Hadron berpartisipasi dalam keempat interaksi mendasar.
Menurut teori medan kuantum, semua interaksi dilakukan melalui pertukaran partikel maya , yaitu partikel yang keberadaannya hanya dapat dinilai secara tidak langsung, dengan beberapa manifestasinya melalui beberapa efek sekunder ( partikel nyata dapat langsung diperbaiki dengan instrumen).
Ternyata keempat jenis interaksi yang diketahui - gravitasi, elektromagnetik, kuat dan lemah - memiliki sifat pengukur dan dijelaskan oleh simetri pengukur. Artinya, semua interaksi, seolah-olah, dibuat "dari satu kosong". Ini mengilhami harapan bahwa akan mungkin untuk menemukan "satu-satunya kunci untuk semua kunci yang diketahui" dan menggambarkan evolusi Semesta dari keadaan yang diwakili oleh medan super supersimetris tunggal, dari keadaan di mana perbedaan antara jenis interaksi, antara semua jenis partikel materi dan kuanta medan belum terwujud.
Ada banyak cara untuk mengklasifikasikan partikel elementer. Jadi, misalnya, partikel dibagi menjadi fermion (partikel Fermi) - partikel materi dan boson (partikel Bose) - kuanta medan.
Menurut pendekatan lain, partikel dibagi menjadi 4 kelas: foton, lepton, meson, baryon.
foton (kuanta medan elektromagnetik) berpartisipasi dalam interaksi elektromagnetik, tetapi tidak memiliki interaksi gravitasi yang kuat, lemah.
Lepton mendapatkan namanya dari kata Yunani akueptos- mudah. Ini termasuk partikel yang tidak memiliki interaksi kuat muon (μ - , +), elektron (e - , e +), elektron neutrino (ve - , ve +) dan neutrino muon (v - m , v + m). Semua lepton memiliki spin dan karena itu merupakan fermion. Semua lepton memiliki interaksi yang lemah. Mereka yang memiliki muatan listrik (yaitu, muon dan elektron) juga memiliki interaksi elektromagnetik.
meson adalah partikel tidak stabil yang berinteraksi kuat yang tidak membawa muatan baryon. Diantaranya milik R-meson, atau pion (π +, -, 0), Ke-meson, atau kaon (K + , K - , K 0), dan ini-meson (η) . Bobot Ke-mesons adalah ~970me (494 MeV untuk pengisian daya dan 498 MeV untuk netral Ke-meson). Seumur hidup Ke-meson memiliki magnitudo sekitar 10-8 s. Mereka putus untuk membentuk Saya-meson dan lepton atau hanya lepton. Bobot ini-mesons sama dengan 549 MeV (1074me), masa pakainya sekitar 10–19 detik. Ini-meson meluruh dengan pembentukan -meson dan -foton. Tidak seperti lepton, meson tidak hanya memiliki yang lemah (dan, jika bermuatan, elektromagnetik), tetapi juga interaksi yang kuat, yang memanifestasikan dirinya dalam interaksi mereka satu sama lain, serta dalam interaksi antara meson dan baryon. Putaran semua meson adalah nol, jadi mereka adalah boson.
Kelas baryon menggabungkan nukleon (p, n) dan partikel tidak stabil dengan massa lebih besar dari massa nukleon, yang disebut hiperon. Semua baryon memiliki interaksi yang kuat dan, oleh karena itu, secara aktif berinteraksi dengan inti atom. Putaran semua baryon adalah , jadi baryon adalah fermion. Dengan pengecualian proton, semua baryon tidak stabil. Dalam peluruhan baryon, bersama dengan partikel lain, baryon harus terbentuk. Pola ini adalah salah satu manifestasinya hukum kekekalan muatan baryon.
Selain partikel yang disebutkan di atas, sejumlah besar partikel berumur pendek yang berinteraksi kuat telah ditemukan, yang disebut resonansi . Partikel-partikel ini adalah keadaan resonansi yang dibentuk oleh dua atau lebih partikel elementer. Masa pakai resonansi hanya ~ 10–23–10–22 detik.
Partikel dasar, serta mikropartikel kompleks, dapat diamati karena jejak yang mereka tinggalkan ketika melewati materi. Sifat jejak memungkinkan untuk menilai tanda muatan partikel, energinya, momentum, dll. Partikel bermuatan menyebabkan ionisasi molekul dalam perjalanannya. Partikel netral tidak meninggalkan jejak, tetapi mereka dapat menampakkan diri pada saat peluruhan menjadi partikel bermuatan atau pada saat tumbukan dengan nukleus apa pun. Oleh karena itu, akhirnya partikel netral juga terdeteksi oleh ionisasi yang disebabkan oleh partikel bermuatan yang dihasilkannya.
Partikel dan antipartikel. Pada tahun 1928, fisikawan Inggris P. Dirac berhasil menemukan persamaan mekanika kuantum relativistik untuk elektron, yang diikuti oleh sejumlah konsekuensi luar biasa. Pertama-tama, dari persamaan ini, secara alami, tanpa asumsi tambahan, putaran dan nilai numerik momen magnetik intrinsik elektron diperoleh. Dengan demikian, ternyata spin merupakan besaran baik kuantum maupun relativistik. Tapi ini tidak menghilangkan signifikansi persamaan Dirac. Itu juga memungkinkan untuk memprediksi keberadaan antipartikel elektron - positron. Dari persamaan Dirac, tidak hanya nilai positif tetapi juga negatif yang diperoleh untuk energi total elektron bebas. Studi persamaan menunjukkan bahwa untuk momentum partikel tertentu, ada solusi untuk persamaan yang sesuai dengan energi: .
Di antara energi negatif terbesar (- m e dengan 2) dan energi positif terkecil (+ m e c 2) ada interval nilai energi yang tidak dapat direalisasikan. Lebar interval ini adalah 2 m e dengan 2. Akibatnya, dua wilayah nilai eigen energi diperoleh: satu dimulai dengan + m e dengan 2 dan meluas ke +∞, yang lain dimulai dari - m e dengan 2 dan meluas ke –∞.
Sebuah partikel dengan energi negatif pasti memiliki sifat yang sangat aneh. Melewati keadaan dengan energi yang lebih rendah (yaitu, dengan energi negatif yang meningkat dalam nilai absolut), ia dapat melepaskan energi, katakanlah, dalam bentuk radiasi, apalagi, karena | E| tidak dibatasi oleh apa pun, partikel dengan energi negatif dapat memancarkan energi dalam jumlah tak terhingga. Kesimpulan serupa dapat dicapai dengan cara berikut: dari relasi E=m e dengan 2 maka massa partikel dengan energi negatif juga akan negatif. Di bawah aksi gaya perlambatan, partikel dengan massa negatif seharusnya tidak melambat, tetapi berakselerasi, melakukan pekerjaan yang sangat besar pada sumber gaya perlambatan. Mengingat kesulitan-kesulitan ini, tampaknya seseorang harus mengakui bahwa keadaan dengan energi negatif harus dikeluarkan dari pertimbangan karena mengarah pada hasil yang tidak masuk akal. Namun, ini akan bertentangan dengan beberapa prinsip umum mekanika kuantum. Jadi Dirac memilih jalan yang berbeda. Dia mengusulkan bahwa transisi elektron ke keadaan dengan energi negatif biasanya tidak diamati karena semua tingkat yang tersedia dengan energi negatif sudah ditempati oleh elektron. 
Menurut Dirac, vakum adalah keadaan di mana semua tingkat energi negatif diisi oleh elektron, dan tingkat dengan energi positif bebas. Karena semua tingkat di bawah pita terlarang tanpa kecuali terisi, elektron pada tingkat ini tidak menampakkan diri dengan cara apa pun. Jika salah satu elektron yang terletak pada tingkat negatif diberi energi E≥ 2m e dengan 2 , maka elektron ini akan masuk ke keadaan dengan energi positif dan akan berperilaku seperti biasa, seperti partikel dengan massa positif dan muatan negatif. Partikel pertama yang diprediksi secara teoritis ini disebut positron. Ketika positron bertemu elektron, mereka memusnahkan (menghilang) - elektron berpindah dari level positif ke level negatif kosong. Energi yang sesuai dengan perbedaan antara tingkat ini dilepaskan dalam bentuk radiasi. pada gambar. 4, panah 1 menggambarkan proses penciptaan pasangan elektron-positron, dan panah 2 - pemusnahannya Istilah "pemusnahan" tidak boleh diartikan secara harfiah. Intinya, yang terjadi bukanlah penghilangan, melainkan transformasi beberapa partikel (elektron dan positron) menjadi partikel lain (γ-foton).
Ada partikel yang identik dengan antipartikelnya (yaitu tidak memiliki antipartikel). Partikel seperti itu disebut benar-benar netral. Ini termasuk foton, 0 -meson dan -meson. Partikel yang identik dengan antipartikelnya tidak dapat dimusnahkan. Namun, ini tidak berarti bahwa mereka tidak dapat berubah menjadi partikel lain sama sekali.
Jika baryon (yaitu, nukleon dan hiperon) diberi muatan baryon (atau nomor baryon) PADA= +1, antibaryon – muatan baryon PADA= -1, dan untuk semua partikel lain – muatan baryon PADA= 0, maka untuk semua proses yang terjadi dengan partisipasi baryon dan antibaryon, kekekalan muatan baryon akan menjadi karakteristik, sama seperti kekekalan muatan listrik adalah karakteristik proses. Hukum kekekalan muatan baryon menentukan stabilitas baryon terlembut, proton. Transformasi semua kuantitas yang menggambarkan sistem fisik, di mana semua partikel digantikan oleh antipartikel (misalnya, elektron oleh proton, dan proton oleh elektron, dll.), disebut muatan konjugasi.
Partikel aneh.Ke-meson dan hyperon ditemukan dalam komposisi sinar kosmik pada awal 1950-an. Sejak 1953, mereka telah diproduksi dengan akselerator. Perilaku partikel-partikel ini ternyata sangat tidak biasa sehingga disebut aneh. Perilaku yang tidak biasa dari partikel aneh adalah bahwa mereka jelas lahir karena interaksi yang kuat dengan waktu karakteristik dari urutan 10-23 detik, dan masa hidup mereka berubah menjadi urutan 10-8-10-10 detik. Keadaan terakhir menunjukkan bahwa partikel meluruh sebagai akibat dari interaksi yang lemah. Itu benar-benar tidak bisa dimengerti mengapa partikel aneh hidup begitu lama. Karena partikel yang sama ( meson dan proton) terlibat dalam pembentukan dan peluruhan -hiperon, tampaknya mengejutkan bahwa laju (yaitu, probabilitas) dari kedua proses sangat berbeda. Penelitian lebih lanjut menunjukkan bahwa partikel aneh diproduksi berpasangan. Ini mengarah pada gagasan bahwa interaksi yang kuat tidak dapat berperan dalam peluruhan partikel karena fakta bahwa kehadiran dua partikel aneh diperlukan untuk manifestasinya. Untuk alasan yang sama, produksi tunggal partikel aneh tidak mungkin.
Untuk menjelaskan larangan produksi tunggal partikel aneh, M. Gell-Mann dan K. Nishijima memperkenalkan bilangan kuantum baru, yang nilai totalnya, menurut asumsi mereka, harus dipertahankan di bawah interaksi kuat. Itu bilangan kuantum S telah dinamai keanehan partikel. Dalam interaksi yang lemah, keanehan mungkin tidak dipertahankan. Oleh karena itu, ini hanya dikaitkan dengan partikel yang berinteraksi kuat - meson dan baryon.
Neutrino. Neutrino adalah satu-satunya partikel yang tidak berpartisipasi baik dalam interaksi kuat maupun elektromagnetik. Tidak termasuk interaksi gravitasi, di mana semua partikel berpartisipasi, neutrino hanya dapat mengambil bagian dalam interaksi lemah.
Untuk waktu yang lama masih belum jelas bagaimana neutrino berbeda dari antineutrino. Penemuan hukum kekekalan paritas gabungan memungkinkan untuk menjawab pertanyaan ini: mereka berbeda dalam heliksitas. Di bawah heliks hubungan tertentu antara arah momentum dipahami R dan kembali S partikel. Heliksitas dianggap positif jika putaran dan momentum berada dalam arah yang sama. Dalam hal ini, arah gerak partikel ( R) dan arah "putaran" yang sesuai dengan putaran membentuk sekrup kanan. Dengan putaran dan momentum yang berlawanan arah, heliksitas akan menjadi negatif (gerakan translasi dan "rotasi" membentuk ulir kiri). Menurut teori neutrino longitudinal yang dikembangkan oleh Yang, Lee, Landau dan Salam, semua neutrino yang ada di alam, terlepas dari cara kemunculannya, selalu terpolarisasi longitudinal sepenuhnya (yaitu, putarannya diarahkan paralel atau antiparalel terhadap momentum. R). Neutrino memiliki negatif(kiri) heliks (sesuai dengan rasio arah S dan R ditunjukkan pada gambar. 5 (b), antineutrino - heliksitas positif (kanan) (a). Dengan demikian, heliksitas inilah yang membedakan neutrino dengan antineutrino.
Beras. 5. Skema heliksitas partikel elementer
Sistematika partikel elementer. Pola yang diamati di dunia partikel elementer dapat dirumuskan sebagai hukum kekekalan. Sudah ada beberapa undang-undang seperti itu. Beberapa di antaranya tidak tepat, tetapi hanya perkiraan. Setiap hukum kekekalan mengungkapkan simetri tertentu dari sistem. Hukum kekekalan momentum R, momentum sudut L dan energi E mencerminkan sifat simetri ruang dan waktu: konservasi E adalah konsekuensi dari homogenitas waktu, konservasi R karena homogenitas ruang, dan konservasi L- isotropinya. Hukum kekekalan paritas berkaitan dengan simetri antara kanan dan kiri ( R-invarians). Konjugasi simetri di bawah muatan (simetri partikel dan antipartikel) mengarah pada konservasi paritas muatan ( Dengan-invarians). Hukum kekekalan muatan listrik, baryon dan lepton menyatakan simetri khusus Dengan-fungsi. Akhirnya, hukum kekekalan spin isotop mencerminkan isotropi ruang isotop. Tidak mematuhi salah satu hukum konservasi berarti pelanggaran dalam interaksi jenis simetri yang sesuai ini.
Di dunia partikel elementer, aturan berikut berlaku: segala sesuatu diperbolehkan yang tidak dilarang oleh hukum konservasi. Yang terakhir memainkan peran aturan larangan yang mengatur interkonversi partikel. Pertama-tama, kita perhatikan hukum kekekalan energi, momentum, dan muatan listrik. Ketiga hukum ini menjelaskan stabilitas elektron. Dari kekekalan energi dan momentum dapat disimpulkan bahwa massa diam total produk peluruhan harus lebih kecil dari massa diam partikel yang meluruh. Ini berarti bahwa elektron hanya dapat meluruh menjadi neutrino dan foton. Tetapi partikel-partikel ini secara elektrik netral. Jadi ternyata elektron tidak memiliki siapa pun untuk mentransfer muatan listriknya, sehingga stabil.
Quark. Ada begitu banyak partikel yang disebut elementer sehingga ada keraguan serius tentang sifat dasar mereka. Masing-masing partikel yang berinteraksi kuat dicirikan oleh tiga bilangan kuantum aditif independen: muatan Q, biaya tinggi Pada dan muatan baryon PADA. Dalam hal ini, sebuah hipotesis muncul bahwa semua partikel dibangun dari tiga partikel dasar - pembawa muatan ini. Pada tahun 1964, Gell-Mann dan, terlepas dari dia, fisikawan Swiss Zweig mengajukan hipotesis yang menyatakan bahwa semua partikel elementer dibangun dari tiga partikel yang disebut quark. Partikel-partikel ini diberi bilangan kuantum pecahan, khususnya, muatan listrik yang sama dengan +⅔; –⅓; +⅓ masing-masing untuk masing-masing dari tiga quark. Quark ini biasanya dilambangkan dengan huruf kamu,D,S. Selain quark, antiquark juga dipertimbangkan ( kamu,d,s). Sampai saat ini, 12 quark diketahui - 6 quark dan 6 antiquark. Meson terbentuk dari pasangan quark-antiquark, dan baryon terbentuk dari tiga quark. Jadi, misalnya, proton dan neutron terdiri dari tiga quark, yang membuat proton atau neutron tidak berwarna. Dengan demikian, tiga muatan interaksi kuat dibedakan - merah ( R), kuning ( kamu) dan hijau ( G).
Setiap quark diberi momen magnet yang sama (µV), yang nilainya tidak ditentukan dari teori. Perhitungan yang dibuat berdasarkan asumsi ini memberikan proton nilai momen magnet p = q, dan untuk neutron n = – persegi
Jadi, untuk rasio momen magnetik, nilai p / n = –⅔, sangat sesuai dengan nilai eksperimen.
Pada dasarnya, warna quark (seperti tanda muatan listrik) mulai menunjukkan perbedaan sifat yang menentukan gaya tarik-menarik dan tolak-menolak quark. Dengan analogi dengan kuanta bidang berbagai interaksi (foton dalam interaksi elektromagnetik, R-meson dalam interaksi kuat, dll.), partikel-pembawa interaksi antara quark diperkenalkan. Partikel ini diberi nama gluon. Mereka mentransfer warna dari satu quark ke yang lain, menghasilkan quark yang disatukan. Dalam fisika kuark, hipotesis kurungan telah dirumuskan (dari bahasa Inggris. kurungan- penangkaran) dari quark, yang menurutnya tidak mungkin untuk mengurangi quark dari keseluruhan. Itu hanya bisa ada sebagai elemen dari keseluruhan. Keberadaan quark sebagai partikel nyata dalam fisika dapat dibuktikan dengan andal.
Ide quark ternyata sangat bermanfaat. Itu memungkinkan tidak hanya untuk mensistematisasikan partikel yang sudah diketahui, tetapi juga untuk memprediksi sejumlah partikel baru. Situasi yang berkembang dalam fisika partikel elementer mengingatkan pada situasi yang diciptakan dalam fisika atom setelah penemuan hukum periodik pada tahun 1869 oleh D. I. Mendelev. Meskipun esensi hukum ini diklarifikasi hanya sekitar 60 tahun setelah penciptaan mekanika kuantum, itu memungkinkan untuk mensistematisasikan unsur-unsur kimia yang dikenal pada waktu itu dan, di samping itu, mengarah pada prediksi keberadaan unsur-unsur baru dan sifat-sifatnya. . Dengan cara yang persis sama, fisikawan telah belajar mensistematisasikan partikel elementer, dan sistematika yang dikembangkan dalam beberapa kasus memungkinkan untuk memprediksi keberadaan partikel baru dan mengantisipasi sifat-sifatnya.
Jadi, pada saat ini, quark dan lepton dapat dianggap benar-benar elementer; ada 12 di antaranya, atau bersama-sama dengan antipartikel - 24. Selain itu, ada partikel yang memberikan empat interaksi mendasar (interaksi kuanta). Ada 13 partikel ini: graviton, foton, W± - dan Z-partikel dan 8 gluon.
Teori partikel elementer yang ada tidak dapat menunjukkan awal dari deret: atom, inti, hadron, quark. Dalam deret ini, setiap struktur material yang lebih kompleks mencakup yang lebih sederhana sebagai bagian integral. Rupanya, ini tidak bisa berlanjut tanpa batas. Diasumsikan bahwa rantai struktur material yang dijelaskan didasarkan pada objek yang secara fundamental berbeda. Ditunjukkan bahwa objek-objek tersebut tidak dapat berupa titik, tetapi dapat diperpanjang, meskipun dalam bentukan yang sangat kecil (~10 -33 cm), yang disebut superstring. Ide yang dijelaskan tidak dapat direalisasikan dalam ruang empat dimensi kita. Bidang fisika ini umumnya sangat abstrak, dan sangat sulit untuk menemukan model visual yang membantu persepsi yang disederhanakan dari ide-ide yang tertanam dalam teori partikel elementer. Namun demikian, teori-teori ini memungkinkan fisikawan untuk mengekspresikan interkonversi dan saling ketergantungan dari objek mikro "paling dasar", hubungannya dengan sifat-sifat ruang-waktu empat dimensi. Yang paling menjanjikan adalah yang disebut M-teori (Saya dari Misteri- teka-teki, misteri). Dia beroperasi ruang dua belas dimensi . Pada akhirnya, selama transisi ke dunia empat dimensi yang kita rasakan secara langsung, semua dimensi "ekstra" "runtuh". Teori-M sejauh ini merupakan satu-satunya teori yang memungkinkan untuk mereduksi empat interaksi fundamental menjadi satu - yang disebut Adikuasa. Penting juga bahwa teori-M memungkinkan keberadaan dunia yang berbeda dan menetapkan kondisi yang memastikan munculnya dunia kita. Teori-M belum cukup berkembang. Diyakini bahwa final "teori segalanya" atas dasar teori-M akan dibangun pada abad XXI.
Dengan kata-kata "listrik", "muatan listrik", "arus listrik" sudah berkali-kali Anda temui dan berhasil membiasakannya. Tetapi cobalah untuk menjawab pertanyaan: “Apa itu muatan listrik?” - dan Anda akan melihat bahwa itu tidak mudah. Faktanya adalah bahwa konsep muatan adalah konsep dasar dan utama yang tidak dapat direduksi pada tingkat perkembangan pengetahuan kita saat ini menjadi konsep dasar yang lebih sederhana.
Mari kita coba mencari tahu apa yang dimaksud dengan pernyataan: benda atau partikel tertentu memiliki muatan listrik.
Anda tahu bahwa semua benda dibangun dari partikel yang terkecil, tidak dapat dibagi lagi menjadi partikel yang lebih sederhana (sejauh yang diketahui ilmu pengetahuan), yang oleh karena itu disebut elementer. Semua partikel elementer memiliki massa dan karena ini tertarik satu sama lain sesuai dengan hukum gravitasi universal dengan gaya yang berkurang relatif lambat ketika jarak di antara mereka meningkat, berbanding terbalik dengan kuadrat jarak. Sebagian besar partikel elementer, meskipun tidak semua, juga memiliki kemampuan untuk berinteraksi satu sama lain dengan gaya yang juga berkurang secara terbalik dengan kuadrat jarak, tetapi gaya ini beberapa kali lebih besar daripada gaya gravitasi. Jadi. pada atom hidrogen, ditunjukkan secara skematis pada Gambar 91, elektron ditarik ke inti (proton) dengan gaya 101" kali lebih besar dari gaya tarik gravitasi.
Jika partikel-partikel berinteraksi satu sama lain dengan gaya yang perlahan-lahan berkurang dengan jarak dan berkali-kali lebih besar daripada gaya gravitasi universal, maka partikel-partikel ini dikatakan memiliki muatan listrik. Partikel itu sendiri disebut bermuatan. Ada partikel tanpa muatan listrik, tetapi tidak ada muatan listrik tanpa partikel.
Interaksi antar partikel bermuatan disebut elektromagnetik. Muatan listrik adalah besaran fisika yang menentukan intensitas interaksi elektromagnetik, seperti halnya massa menentukan intensitas interaksi gravitasi.
Muatan listrik partikel elementer bukanlah "mekanisme" khusus dalam partikel, yang dapat dihilangkan darinya, didekomposisi menjadi bagian-bagian komponennya, dan dipasang kembali. Kehadiran muatan listrik pada elektron dan partikel lain hanya berarti keberadaan
interaksi kekuatan tertentu di antara mereka. Tapi kita, pada dasarnya, tidak tahu apa-apa tentang muatan, jika kita tidak tahu hukum interaksi ini. Pengetahuan tentang hukum interaksi harus disertakan dalam pemahaman kita tentang muatan. Hukum-hukum ini tidak sederhana, tidak mungkin untuk menyatakannya dalam beberapa kata. Inilah sebabnya mengapa tidak mungkin untuk memberikan definisi singkat yang cukup memuaskan tentang apa itu muatan listrik.
Dua tanda muatan listrik. Semua benda memiliki massa dan karena itu saling tarik menarik. Benda bermuatan dapat saling tarik menarik dan tolak menolak. Fakta terpenting ini, yang Anda kenal dari pelajaran fisika kelas 7, berarti bahwa di alam ada partikel dengan muatan listrik yang berlawanan tanda. Partikel dengan tanda muatan yang sama saling tolak menolak, dan dengan tanda yang berbeda mereka tarik menarik.
Muatan partikel elementer - proton, yang merupakan bagian dari semua inti atom, disebut positif, dan muatan elektron disebut negatif. Tidak ada perbedaan intrinsik antara muatan positif dan negatif. Jika tanda-tanda muatan partikel dibalik, maka sifat interaksi elektromagnetik tidak akan berubah sama sekali.
muatan unsur. Selain elektron dan proton, ada beberapa jenis partikel elementer bermuatan lainnya. Tetapi hanya elektron dan proton yang dapat eksis tanpa batas dalam keadaan bebas. Sisa partikel bermuatan hidup kurang dari sepersejuta detik. Mereka lahir selama tumbukan partikel elementer cepat dan, setelah ada untuk waktu yang dapat diabaikan, meluruh, berubah menjadi partikel lain. Anda akan berkenalan dengan partikel-partikel ini di kelas X.
Neutron adalah partikel yang tidak bermuatan listrik. Massanya hanya sedikit melebihi massa proton. Neutron, bersama dengan proton, adalah bagian dari inti atom.
Jika partikel elementer memiliki muatan, maka nilainya, seperti yang ditunjukkan oleh banyak eksperimen, ditentukan secara ketat (salah satu eksperimen ini - pengalaman Millikan dan Ioffe - dijelaskan dalam buku teks untuk kelas VII)
Ada muatan minimum, yang disebut elementer, yang dimiliki oleh semua partikel elementer yang bermuatan. Muatan partikel elementer hanya berbeda dalam tanda. Tidak mungkin untuk memisahkan bagian dari muatan, misalnya, dari elektron.
Halaman 1
Tidak mungkin memberikan definisi singkat tentang biaya yang memuaskan dalam segala hal. Kita terbiasa menemukan penjelasan yang dapat dimengerti untuk formasi dan proses yang sangat kompleks, seperti atom, kristal cair, distribusi molekul pada kecepatan, dan sebagainya. Tetapi konsep yang paling mendasar dan mendasar, tidak dapat dibagi menjadi yang lebih sederhana, tanpa, menurut sains saat ini, dari mekanisme internal apa pun, tidak dapat dijelaskan secara singkat dengan cara yang memuaskan. Apalagi jika objek tersebut tidak langsung dirasakan oleh indera kita. Muatan listrik termasuk dalam konsep dasar seperti itu.
Mari kita coba mencari tahu bukan apa itu muatan listrik, tetapi apa yang tersembunyi di balik pernyataan, benda atau partikel tertentu memiliki muatan listrik.
Anda tahu bahwa semua benda dibangun dari partikel yang terkecil, tidak dapat dibagi lagi menjadi partikel yang lebih sederhana (sejauh yang diketahui ilmu pengetahuan), yang oleh karena itu disebut elementer. Semua partikel elementer memiliki massa dan karena ini mereka tertarik satu sama lain. Menurut hukum gravitasi universal, gaya tarik-menarik berkurang secara relatif lambat seiring dengan bertambahnya jarak antara keduanya: berbanding terbalik dengan kuadrat jarak. Selain itu, sebagian besar partikel elementer, meskipun tidak semua, memiliki kemampuan untuk berinteraksi satu sama lain dengan gaya yang juga berkurang secara terbalik dengan kuadrat jarak, tetapi gaya ini adalah jumlah yang sangat besar, kali lebih besar daripada gaya gravitasi. Jadi, pada atom hidrogen, yang ditunjukkan secara skematis pada Gambar 1, elektron ditarik ke inti (proton) dengan gaya 1039 kali lebih besar dari gaya tarik gravitasi.
Jika partikel-partikel berinteraksi satu sama lain dengan gaya yang perlahan-lahan berkurang dengan jarak dan berkali-kali lebih besar daripada gaya gravitasi universal, maka partikel-partikel ini dikatakan memiliki muatan listrik. Partikel itu sendiri disebut bermuatan. Ada partikel tanpa muatan listrik, tetapi tidak ada muatan listrik tanpa partikel.
Interaksi antar partikel bermuatan disebut elektromagnetik. Ketika kita mengatakan bahwa elektron dan proton bermuatan listrik, ini berarti bahwa mereka mampu berinteraksi dari jenis tertentu (elektromagnetik), dan tidak lebih. Tidak adanya muatan pada partikel berarti tidak mendeteksi interaksi tersebut. Muatan listrik menentukan intensitas interaksi elektromagnetik, sama seperti massa menentukan intensitas interaksi gravitasi. Muatan listrik adalah karakteristik terpenting kedua dari partikel elementer (setelah massa), yang menentukan perilakunya di dunia sekitarnya.
Dengan demikian
Muatan listrik adalah besaran skalar fisik yang mencirikan sifat partikel atau benda untuk masuk ke dalam interaksi gaya elektromagnetik.
Muatan listrik dilambangkan dengan huruf q atau Q.
Sama seperti dalam mekanika konsep titik material sering digunakan, yang memungkinkan untuk menyederhanakan solusi banyak masalah secara signifikan, ketika mempelajari interaksi muatan, konsep muatan titik ternyata efektif. Muatan titik adalah benda bermuatan yang dimensinya jauh lebih kecil daripada jarak dari benda ini ke titik pengamatan dan benda bermuatan lainnya. Secara khusus, jika kita berbicara tentang interaksi dua muatan titik, maka kita mengasumsikan bahwa jarak antara dua benda bermuatan yang dipertimbangkan jauh lebih besar daripada dimensi liniernya.
Muatan listrik partikel elementer
Muatan listrik partikel elementer bukanlah “mekanisme” khusus dalam partikel yang dapat dikeluarkan darinya, didekomposisi menjadi bagian-bagian komponennya, dan dipasang kembali. Kehadiran muatan listrik dalam elektron dan partikel lain hanya berarti adanya interaksi tertentu di antara mereka.
Di alam, ada partikel dengan muatan yang berlawanan tanda. Muatan proton disebut positif, dan muatan elektron disebut negatif. Tanda positif dari muatan suatu partikel tentu saja tidak berarti bahwa partikel itu memiliki kelebihan khusus. Pengenalan muatan dari dua tanda hanya mengungkapkan fakta bahwa partikel bermuatan dapat menarik dan menolak. Partikel dengan tanda muatan yang sama saling tolak menolak, dan dengan tanda yang berbeda mereka tarik menarik.
Tidak ada penjelasan tentang alasan keberadaan dua jenis muatan listrik sekarang. Bagaimanapun, tidak ada perbedaan mendasar antara muatan positif dan negatif yang ditemukan. Jika tanda-tanda muatan listrik partikel dibalik, maka sifat interaksi elektromagnetik di alam tidak akan berubah.
Muatan positif dan negatif dikompensasikan dengan sangat baik di Semesta. Dan jika Semesta terbatas, maka muatan listrik totalnya, kemungkinan besar, sama dengan nol.
Hal yang paling luar biasa adalah bahwa muatan listrik semua partikel elementer benar-benar sama dalam nilai absolut. Ada muatan minimum, yang disebut elementer, yang dimiliki oleh semua partikel elementer yang bermuatan. Muatan bisa positif, seperti proton, atau negatif, seperti elektron, tetapi modulus muatannya sama dalam semua kasus.
Tidak mungkin untuk memisahkan bagian dari muatan, misalnya, dari elektron. Ini mungkin hal yang paling menakjubkan. Tidak ada teori modern yang dapat menjelaskan mengapa muatan semua partikel adalah sama, dan tidak dapat menghitung nilai muatan listrik minimum. Itu ditentukan secara eksperimental dengan bantuan berbagai eksperimen.
Pada tahun 1960-an, setelah jumlah partikel elementer yang baru ditemukan mulai bertambah mengancam, sebuah hipotesis diajukan bahwa semua partikel yang berinteraksi kuat adalah komposit. Partikel yang lebih fundamental disebut quark. Ternyata mengejutkan bahwa quark harus memiliki muatan listrik fraksional: 1/3 dan 2/3 dari muatan dasar. Untuk membangun proton dan neutron, dua jenis quark sudah cukup. Dan jumlah maksimum mereka, tampaknya, tidak melebihi enam.
Satuan muatan listrik
