No Universo cada corpo vive em seu próprio tempo e as principais partículas elementares também. O tempo de vida da maioria das partículas elementares é bastante curto.
Algumas se decompõem imediatamente após o nascimento, razão pela qual as chamamos de partículas instáveis.
Após um curto período de tempo, eles decaem em estáveis: prótons, elétrons, neutrinos, fótons, grávitons e suas antipartículas.
Os micro-objetos mais importantes em nosso espaço próximo - prótons e elétrons. Algumas das partes distantes do Universo podem consistir em antimatéria, as partículas mais importantes serão um antipróton e um antielétron (pósitron).
No total, várias centenas de partículas elementares foram descobertas: próton (p), nêutron (n), elétron (e -), bem como fóton (g), pi-mésons (p), múons (m), neutrinos de três tipos (eletrônico v e, muon v m , com lépton v t), etc. obviamente eles trarão mais micropartículas novas.
Aparência de partículas:
prótons e elétrons
O aparecimento de prótons e elétrons remonta a cerca de dez bilhões de anos.
Outro tipo de micro-objetos que desempenham um papel significativo na estrutura do espaço próximo são os nêutrons, que têm um nome comum com um próton: nucleons. Os próprios nêutrons são instáveis, eles decaem cerca de dez minutos depois de serem gerados. Eles só podem ser estáveis no núcleo de um átomo. Um grande número de nêutrons surge constantemente nas profundezas das estrelas, onde os núcleos dos átomos nascem dos prótons.
Neutrino
No Universo, também ocorre constantemente o nascimento de neutrinos, que são semelhantes a um elétron, mas sem carga e com pouca massa. Em 1936, uma variedade de neutrinos foi descoberta: os neutrinos do múon, que surgem durante a transformação de prótons em nêutrons, nas profundezas de estrelas supermassivas e durante o decaimento de muitos micro-objetos instáveis. Eles nascem quando os raios cósmicos colidem no espaço interestelar.
O big bang resultou no aparecimento de um grande número de neutrinos e neutrinos do múon. Seu número no espaço está aumentando constantemente, porque eles não são absorvidos por quase nenhuma matéria.
Fótons
Assim como os fótons, os neutrinos e os neutrinos do múon preenchem todo o espaço. Este fenômeno é chamado de "mar de neutrinos".
Desde o Big Bang, restaram muitos fótons, que chamamos de relíquia ou fóssil. Todo o espaço está cheio deles, e sua frequência e, portanto, a energia, está constantemente diminuindo, à medida que o Universo está se expandindo.
Atualmente, todos os corpos cósmicos, principalmente estrelas e nebulosas, estão envolvidos na formação da parte fóton do Universo. Os fótons nascem na superfície das estrelas a partir da energia dos elétrons.
Conexão de partículas
No estágio inicial da formação do Universo, todas as partículas elementares básicas eram livres. Então não havia núcleos de átomos, nem planetas, nem estrelas.
Os átomos, e deles planetas, estrelas e todas as substâncias, foram formados mais tarde, quando 300.000 anos se passaram e a matéria incandescente esfriou o suficiente durante a expansão. 
Apenas o neutrino, o neutrino do múon e o fóton não entraram em nenhum sistema: sua atração mútua é muito fraca. Permaneceram partículas livres.
Mesmo no estágio inicial da formação do Universo (300.000 anos após seu nascimento), prótons e elétrons livres se combinaram em átomos de hidrogênio (um próton e um elétron ligados por uma força elétrica).
O próton é considerado a principal partícula elementar com uma carga de +1 e uma massa de 1,672 10 −27 kg (ligeiramente menos de 2000 vezes mais pesado que um elétron). Os prótons que se encontravam em uma estrela massiva gradualmente se transformaram no edifício principal "ferro" do Universo. Cada um deles liberou um por cento de sua massa de repouso. Em estrelas supermassivas, que encolhem em pequenos volumes como resultado de sua própria gravidade no final de suas vidas, um próton pode perder quase um quinto de sua energia de repouso (e, portanto, um quinto de sua massa de repouso).Sabe-se que os "microblocos construtores" do Universo são os prótons e os elétrons.
Finalmente, quando um próton e um antipróton se encontram, nenhum sistema surge, mas toda a sua energia de repouso é liberada na forma de fótons (). 
Os cientistas afirmam que também parece haver um gráviton de partículas elementares fantasmagóricas que carrega uma interação gravitacional semelhante ao eletromagnetismo. No entanto, a existência de um gráviton foi provada apenas teoricamente.
Assim, as principais partículas elementares surgiram e agora representam o nosso Universo, incluindo a Terra: prótons, elétrons, neutrinos, fótons, grávitons e muitos outros micro-objetos descobertos e não descobertos.
Essas três partículas (assim como outras descritas abaixo) se atraem e se repelem mutuamente de acordo com suas cobranças, que são apenas quatro tipos de acordo com o número de forças fundamentais da natureza. As cargas podem ser organizadas em ordem decrescente de forças correspondentes da seguinte forma: carga de cor (forças de interação entre quarks); carga elétrica (forças elétricas e magnéticas); carga fraca (força em alguns processos radioativos); finalmente, a massa (força gravitacional ou interação gravitacional). A palavra "cor" aqui não tem nada a ver com a cor da luz visível; é simplesmente uma característica da carga mais forte e das maiores forças.
Cobranças persistir, ou seja A carga que entra no sistema é igual à carga que sai dele. Se a carga elétrica total de um certo número de partículas antes de sua interação for, digamos, 342 unidades, após a interação, independentemente de seu resultado, será igual a 342 unidades. Isso também se aplica a outras cargas: cor (carga de interação forte), fraca e massa (massa). As partículas diferem em suas cargas: em essência, elas "são" essas cargas. As acusações são, por assim dizer, um “certificado” do direito de responder à força correspondente. Assim, apenas partículas coloridas são afetadas por forças de cor, apenas partículas eletricamente carregadas são afetadas por forças elétricas e assim por diante. As propriedades de uma partícula são determinadas pela maior força que atua sobre ela. Apenas os quarks são portadores de todas as cargas e, portanto, estão sujeitos à ação de todas as forças, dentre as quais a cor é dominante. Os elétrons têm todas as cargas, exceto a cor, e a força dominante para eles é a força eletromagnética.
As mais estáveis na natureza são, via de regra, combinações neutras de partículas nas quais a carga das partículas de um signo é compensada pela carga total das partículas de outro signo. Isso corresponde à energia mínima de todo o sistema. (Da mesma forma, dois ímãs de barra estão em linha, com o pólo norte de um voltado para o pólo sul do outro, o que corresponde a um mínimo de energia do campo magnético.) A gravidade é uma exceção a esta regra: a massa negativa não existe. Não há corpos que cairiam.
TIPOS DE MATÉRIA
A matéria comum é formada a partir de elétrons e quarks, agrupados em objetos de cor neutra e depois em carga elétrica. A força da cor é neutralizada, o que será discutido com mais detalhes abaixo, quando as partículas são combinadas em tripletos. (Daí o próprio termo "cor", tirado da ótica: as três cores primárias, quando misturadas, dão branco.) Assim, os quarks, para os quais o poder da cor é o principal, formam trigêmeos. Mas os quarks, e eles são subdivididos em você-quarks (do inglês up - upper) e d-quarks (do inglês para baixo - inferior), eles também têm uma carga elétrica igual a você-quark e para d-quark. Dois você-quark e um d-quark dão uma carga elétrica +1 e formam um próton, e um você-quark e dois d-quarks dão carga elétrica zero e formam um nêutron.
Prótons e nêutrons estáveis, atraídos um pelo outro pelas forças de cor residuais da interação entre seus quarks constituintes, formam um núcleo atômico de cor neutra. Mas os núcleos carregam uma carga elétrica positiva e, ao atrair elétrons negativos que giram em torno do núcleo como os planetas que giram em torno do Sol, tendem a formar um átomo neutro. Os elétrons em suas órbitas são removidos do núcleo por distâncias dezenas de milhares de vezes maiores que o raio do núcleo - evidência de que as forças elétricas que os prendem são muito mais fracas que as nucleares. Devido ao poder da interação de cores, 99,945% da massa de um átomo está contida em seu núcleo. Peso você- e d-quarks são cerca de 600 vezes a massa de um elétron. Portanto, os elétrons são muito mais leves e móveis que os núcleos. Seu movimento na matéria causa fenômenos elétricos.
Existem várias centenas de variedades naturais de átomos (incluindo isótopos) que diferem no número de nêutrons e prótons no núcleo e, consequentemente, no número de elétrons nas órbitas. O mais simples é o átomo de hidrogênio, consistindo de um núcleo na forma de um próton e um único elétron girando em torno dele. Toda a matéria "visível" na natureza consiste em átomos e átomos parcialmente "desmontados", que são chamados de íons. Íons são átomos que, tendo perdido (ou ganho) alguns elétrons, tornaram-se partículas carregadas. A matéria, consistindo quase de um íon, é chamada de plasma. As estrelas que queimam devido a reações termonucleares que ocorrem nos centros são compostas principalmente de plasma e, como as estrelas são a forma mais comum de matéria no Universo, pode-se dizer que todo o Universo consiste principalmente de plasma. Mais precisamente, as estrelas são predominantemente hidrogênio gasoso totalmente ionizado, ou seja, uma mistura de prótons e elétrons individuais e, portanto, quase todo o universo visível consiste nele.
Esta é a matéria visível. Mas ainda há matéria invisível no Universo. E há partículas que agem como portadoras de forças. Existem antipartículas e estados excitados de algumas partículas. Tudo isso leva a uma abundância claramente excessiva de partículas "elementares". Nessa abundância, pode-se encontrar uma indicação da natureza real e verdadeira das partículas elementares e das forças que atuam entre elas. De acordo com as teorias mais recentes, as partículas podem basicamente ser objetos geométricos estendidos - "cordas" no espaço de dez dimensões.
Mundo invisível.
Não há apenas matéria visível no universo (mas também buracos negros e "matéria escura", como planetas frios que se tornam visíveis quando iluminados). Há também uma matéria verdadeiramente invisível que permeia todos nós e todo o Universo a cada segundo. É um gás em movimento rápido de um tipo de partículas - neutrinos de elétrons.
O neutrino do elétron é o parceiro do elétron, mas não tem carga elétrica. Os neutrinos carregam apenas a chamada carga fraca. Sua massa de repouso é, com toda a probabilidade, zero. Mas eles interagem com o campo gravitacional, pois possuem energia cinética E, que corresponde à massa efetiva m, pela fórmula de Einstein E = mc 2, onde cé a velocidade da luz.
O papel fundamental do neutrino é contribuir para a transformação e-quarks em d quarks, resultando na transformação de um próton em um nêutron. O neutrino desempenha o papel de "agulha do carburador" para reações termonucleares estelares, nas quais quatro prótons (núcleos de hidrogênio) se combinam para formar um núcleo de hélio. Mas como o núcleo de hélio consiste não em quatro prótons, mas em dois prótons e dois nêutrons, para tal fusão nuclear é necessário que dois e-quarks se transformaram em dois d-quark. A intensidade da transformação determina a rapidez com que as estrelas queimarão. E o processo de transformação é determinado por cargas fracas e forças de interação fraca entre as partículas. Em que e-quark (carga elétrica +2/3, carga fraca +1/2), interagindo com um elétron (carga elétrica - 1, carga fraca -1/2), forma d-quark (carga elétrica -1/3, carga fraca -1/2) e neutrino do elétron (carga elétrica 0, carga fraca +1/2). As cargas de cor (ou simplesmente cores) dos dois quarks se cancelam nesse processo sem o neutrino. O papel do neutrino é transportar a carga fraca não compensada. Portanto, a taxa de transformação depende de quão fracas são as forças fracas. Se eles fossem mais fracos do que são, então as estrelas não queimariam. Se fossem mais fortes, as estrelas já teriam se queimado há muito tempo.
Mas e os neutrinos? Como essas partículas interagem de maneira extremamente fraca com outras matérias, elas quase imediatamente deixam as estrelas em que nasceram. Todas as estrelas brilham, emitindo neutrinos, e neutrinos brilham através de nossos corpos e de toda a Terra dia e noite. Então eles vagam pelo Universo, até entrarem, talvez, em uma nova interação da ESTRELA).
Portadores de interação.
O que causa forças que atuam entre partículas à distância? A física moderna responde: devido à troca de outras partículas. Imagine dois skatistas jogando uma bola. Dando impulso à bola ao lançar e recebendo impulso com a bola recebida, ambos recebem um empurrão na direção um do outro. Isso pode explicar o surgimento de forças repulsivas. Mas na mecânica quântica, que considera fenômenos no micromundo, são permitidos alongamentos e deslocalizações incomuns de eventos, o que leva, ao que parece, ao impossível: um dos skatistas joga a bola na direção a partir de o outro, mas o mesmo pode ser pegar esta bola. Não é difícil imaginar que se isso fosse possível (e no mundo das partículas elementares é possível), haveria atração entre os patinadores.
Partículas, devido à troca das quais forças de interação surgem entre as quatro “partículas de matéria” discutidas acima, são chamadas de partículas de calibre. Cada uma das quatro interações - forte, eletromagnética, fraca e gravitacional - tem seu próprio conjunto de partículas de calibre. As partículas transportadoras de interação forte são os glúons (existem apenas oito deles). Um fóton é um portador de interação eletromagnética (é um, e percebemos fótons como luz). As partículas-portadoras da interação fraca são bósons vetoriais intermediários (em 1983 e 1984 foram descobertos C + -, C- -bósons e neutros Z-bóson). A partícula-portadora da interação gravitacional ainda é um gráviton hipotético (deve ser um). Todas essas partículas, exceto o fóton e o gráviton, que podem percorrer distâncias infinitamente longas, existem apenas no processo de troca entre partículas materiais. Os fótons enchem o Universo com luz e os grávitons - com ondas gravitacionais (ainda não detectadas com certeza).
Diz-se que uma partícula capaz de emitir partículas de calibre está cercada por um campo de força apropriado. Assim, elétrons capazes de emitir fótons são cercados por campos elétricos e magnéticos, além de campos fracos e gravitacionais. Os quarks também estão cercados por todos esses campos, mas também pelo campo de forte interação. Partículas com uma carga de cor no campo de forças de cor são afetadas pela força de cor. O mesmo se aplica a outras forças da natureza. Portanto, podemos dizer que o mundo consiste em matéria (partículas materiais) e campo (partículas de calibre). Mais sobre isso abaixo.
Antimatéria.
Cada partícula corresponde a uma antipartícula, com a qual a partícula pode se aniquilar mutuamente, ou seja, "aniquilar", como resultado do qual a energia é liberada. A energia "pura" por si só, entretanto, não existe; como resultado da aniquilação, novas partículas (por exemplo, fótons) aparecem, levando essa energia.
Uma antipartícula na maioria dos casos tem propriedades opostas em relação à partícula correspondente: se uma partícula se move para a esquerda sob a ação de campos fortes, fracos ou eletromagnéticos, então sua antipartícula se move para a direita. Em suma, a antipartícula tem sinais opostos de todas as cargas (exceto a carga de massa). Se uma partícula é composta, como, por exemplo, um nêutron, então sua antipartícula consiste em componentes com sinais de carga opostos. Assim, um antielétron tem uma carga elétrica de +1, uma carga fraca de +1/2 e é chamado de pósitron. O antinêutron é formado por e-antiquarks com carga elétrica -2/3 e d-antiquarks com carga elétrica +1/3. Partículas verdadeiramente neutras são suas próprias antipartículas: a antipartícula do fóton é o fóton.
De acordo com conceitos teóricos modernos, cada partícula que existe na natureza deve ter sua própria antipartícula. E muitas antipartículas, incluindo pósitrons e antinêutrons, foram de fato obtidas em laboratório. As consequências disso são excepcionalmente importantes e fundamentam toda a física experimental das partículas elementares. De acordo com a teoria da relatividade, massa e energia são equivalentes e, sob certas condições, a energia pode ser convertida em massa. Como a carga é conservada e a carga do vácuo (espaço vazio) é zero, qualquer par de partículas e antipartículas (com carga líquida zero) pode emergir do vácuo, como coelhos do chapéu de um mágico, desde que a energia seja suficiente para criar sua massa.
Gerações de partículas.
Experimentos com aceleradores mostraram que o quádruplo (quarteto) de partículas de material é repetido pelo menos duas vezes em valores de massa mais altos. Na segunda geração, o lugar do elétron é ocupado pelo múon (com uma massa cerca de 200 vezes maior que a massa do elétron, mas com os mesmos valores de todas as outras cargas), o lugar do neutrino do elétron é o múon (que acompanha o múon em interações fracas da mesma forma que o elétron acompanha o neutrino do elétron), coloque e-quark ocupa com-quark ( Encantado), uma d-quark- s-quark ( estranho). Na terceira geração, o quarteto consiste em um lépton tau, um neutrino tau, t-quark e b-quark.
Peso t-quark tem cerca de 500 vezes a massa do mais leve - d-quark. Foi estabelecido experimentalmente que existem apenas três tipos de neutrinos leves. Assim, a quarta geração de partículas não existe ou os neutrinos correspondentes são muito pesados. Isso é consistente com os dados cosmológicos, segundo os quais não pode haver mais de quatro tipos de neutrinos de luz.
Em experimentos com partículas de alta energia, o elétron, o múon, o tau-lépton e os neutrinos correspondentes atuam como partículas separadas. Eles não carregam uma carga de cor e apenas entram em interações fracas e eletromagnéticas. Coletivamente são chamados léptons.
| Tabela 2. GERAÇÕES DE PARTÍCULAS FUNDAMENTAIS | ||||
| Partícula | Massa de repouso, MeV/ com 2 | Carga elétrica | carga de cor | Carga fraca |
| SEGUNDA GERAÇÃO | ||||
| com-quark | 1500 | +2/3 | Vermelho, verde ou azul | +1/2 |
| s-quark | 500 | –1/3 | Mesmo | –1/2 |
| Neutrino de múon | 0 | 0 | +1/2 | |
| Múon | 106 | 0 | 0 | –1/2 |
| TERCEIRA GERAÇÃO | ||||
| t-quark | 30000–174000 | +2/3 | Vermelho, verde ou azul | +1/2 |
| b-quark | 4700 | –1/3 | Mesmo | –1/2 |
| Neutrino Tau | 0 | 0 | +1/2 | |
| Tau | 1777 | –1 | 0 | –1/2 |
Quarks, por outro lado, sob a influência de forças de cor, combinam-se em partículas de interação forte que dominam a maioria dos experimentos em física de alta energia. Tais partículas são chamadas hádrons. Eles incluem duas subclasses: bárions(por exemplo, próton e nêutron), que são compostos de três quarks, e mésons composto por um quark e um antiquark. Em 1947, o primeiro méson, chamado de píon (ou pi-méson), foi descoberto em raios cósmicos, e por algum tempo acreditou-se que a troca dessas partículas era a principal causa das forças nucleares. Os hádrons ômega-minus, descobertos em 1964 no Brookhaven National Laboratory (EUA), e a partícula j-psy ( J/y-meson), descoberto simultaneamente em Brookhaven e no Stanford Center for Linear Accelerators (também nos EUA) em 1974. A existência da partícula ômega-minus foi prevista por M. Gell-Mann em seu chamado " SU 3-teoria” (outro nome é o “caminho óctuplo”), em que a possibilidade da existência de quarks foi sugerida pela primeira vez (e esse nome foi dado a eles). Uma década depois, a descoberta da partícula J/y confirmou a existência com-quark e finalmente fez todos acreditarem tanto no modelo quark quanto na teoria que combinava forças eletromagnéticas e fracas ( ver abaixo).
As partículas da segunda e terceira gerações não são menos reais que as da primeira. É verdade que, tendo surgido, eles decaem em milionésimos ou bilionésimos de segundo em partículas comuns da primeira geração: um elétron, um neutrino do elétron e também e- e d-quarks. A questão de por que existem várias gerações de partículas na natureza ainda é um mistério.
Diferentes gerações de quarks e léptons são muitas vezes mencionadas (o que é, obviamente, um tanto excêntrico) como diferentes "sabores" de partículas. A necessidade de explicá-los é chamada de problema do "sabor".
BÓSONS E FERMIÕES, CAMPO E SUBSTÂNCIA
Uma das diferenças fundamentais entre partículas é a diferença entre bósons e férmions. Todas as partículas são divididas nessas duas classes principais. Como bósons podem se sobrepor ou sobrepor, mas como férmions não. A superposição ocorre (ou não ocorre) nos estados de energia discretos em que a mecânica quântica divide a natureza. Esses estados são, por assim dizer, células separadas nas quais as partículas podem ser colocadas. Assim, em uma célula você pode colocar qualquer número de bósons idênticos, mas apenas um férmion.
Como exemplo, considere tais células, ou "estados", para um elétron girando em torno do núcleo de um átomo. Ao contrário dos planetas do sistema solar, de acordo com as leis da mecânica quântica, um elétron não pode circular em nenhuma órbita elíptica, pois há apenas um número discreto de "estados de movimento" permitidos. Conjuntos de tais estados, agrupados de acordo com a distância do elétron ao núcleo, são chamados orbitais. No primeiro orbital, existem dois estados com momentos angulares diferentes e, portanto, duas células permitidas, e nos orbitais superiores, oito ou mais células.
Como um elétron é um férmion, cada célula pode conter apenas um elétron. Disto decorrem consequências muito importantes - toda a química, uma vez que as propriedades químicas das substâncias são determinadas pelas interações entre os átomos correspondentes. Se você percorrer o sistema periódico de elementos de um átomo para outro para aumentar por unidade o número de prótons no núcleo (o número de elétrons também aumentará de acordo), então os dois primeiros elétrons ocuparão o primeiro orbital, o próximos oito estarão localizados no segundo, etc. Essa mudança sucessiva na estrutura eletrônica dos átomos de elemento para elemento determina as regularidades em suas propriedades químicas.
Se os elétrons fossem bósons, então todos os elétrons de um átomo poderiam ocupar o mesmo orbital correspondente à energia mínima. Neste caso, as propriedades de toda a matéria do Universo seriam completamente diferentes, e na forma em que a conhecemos, o Universo seria impossível.
Todos os léptons - elétron, múon, tau-lépton e seu neutrino correspondente - são férmions. O mesmo pode ser dito sobre os quarks. Assim, todas as partículas que formam a “matéria”, principal enchimento do Universo, assim como os neutrinos invisíveis, são férmions. Isso é muito significativo: os férmions não podem se combinar, então o mesmo se aplica aos objetos do mundo material.
Ao mesmo tempo, todas as "partículas de calibre" trocadas entre partículas materiais que interagem e que criam um campo de forças ( Veja acima), são bósons, o que também é muito importante. Assim, por exemplo, muitos fótons podem estar no mesmo estado, formando um campo magnético em torno de um ímã ou um campo elétrico em torno de uma carga elétrica. Graças a isso, um laser também é possível.
Rodar.
A diferença entre bósons e férmions está ligada a outra característica das partículas elementares - costas. Por mais surpreendente que pareça, todas as partículas fundamentais têm seu próprio momento angular ou, em outras palavras, giram em torno de seu próprio eixo. O momento angular é uma característica do movimento de rotação, assim como o momento total é do movimento de translação. Em qualquer interação, o momento angular e o momento são conservados.
No microcosmo, o momento angular é quantizado, ou seja, assume valores discretos. Em unidades adequadas, léptons e quarks têm um spin de 1/2, e as partículas de calibre têm um spin de 1 (exceto o gráviton, que ainda não foi observado experimentalmente, mas teoricamente deveria ter um spin de 2). Como os léptons e os quarks são férmions, e as partículas de calibre são bósons, pode-se supor que a "fermionicidade" está associada ao spin 1/2 e a "bosonicidade" está associada ao spin 1 (ou 2). De fato, tanto o experimento quanto a teoria confirmam que se uma partícula tem um spin semi-inteiro, então é um férmion, e se é um inteiro, então é um bóson.
TEORIAS DE MEDIDA E GEOMETRIA
Em todos os casos, as forças surgem devido à troca de bósons entre férmions. Assim, a força de interação de cor entre dois quarks (quarks - férmions) surge devido à troca de glúons. Tal troca ocorre constantemente em prótons, nêutrons e núcleos atômicos. Da mesma forma, fótons trocados entre elétrons e quarks criam forças elétricas atrativas que mantêm elétrons em um átomo, e bósons vetoriais intermediários trocados entre léptons e quarks criam forças de interação fracas responsáveis pela conversão de prótons em nêutrons em reações de fusão em estrelas.
A teoria de tal troca é elegante, simples e provavelmente correta. É chamado teoria do calibre. Mas no momento existem apenas teorias de calibre independentes de interações fortes, fracas e eletromagnéticas e uma teoria de calibre da gravidade semelhante a elas, embora em alguns aspectos diferentes. Um dos problemas físicos mais importantes é a redução dessas teorias separadas em uma teoria única e ao mesmo tempo simples, na qual todas elas se tornariam diferentes aspectos de uma única realidade - como as facetas de um cristal.
| Tabela 3. ALGUNS HÁDRÕES | ||||
| Partícula | Símbolo | Composição de quarks * | massa de descanso, MeV/ com 2 | Carga elétrica |
| BÁRIÕES | ||||
| próton | p | uud | 938 | +1 |
| Nêutron | n | udd | 940 | 0 |
| Ômega menos | C- | sss | 1672 | –1 |
| MESÕES | ||||
| Pi mais | p + | você | 140 | +1 |
| Pi-menos | p – | du | 140 | –1 |
| fi | f | sє | 1020 | 0 |
| JPS | J/a | cў | 3100 | 0 |
| Upsilon | Ў | b | 9460 | 0 |
| * Composição do quark: você- superior; d- mais baixo; s- estranho; c- encantado b- bonito. A linha acima da letra denota antiquarks. | ||||
A mais simples e mais antiga das teorias de calibre é a teoria de calibre da interação eletromagnética. Nele, a carga de um elétron é comparada (calibrada) com a carga de outro elétron distante dele. Como as cobranças podem ser comparadas? Você pode, por exemplo, aproximar o segundo elétron do primeiro e comparar suas forças de interação. Mas a carga de um elétron não muda quando ele se move para outro ponto no espaço? A única maneira de verificar é enviar um sinal do elétron próximo para o distante e ver como ele reage. O sinal é uma partícula de calibre - um fóton. Para poder verificar a carga em partículas distantes, é necessário um fóton.
Matematicamente, essa teoria se distingue pela extrema precisão e beleza. Do "princípio do medidor" descrito acima, toda a eletrodinâmica quântica (a teoria quântica do eletromagnetismo) segue, assim como a teoria do campo eletromagnético de Maxwell, uma das maiores conquistas científicas do século XIX.
Por que um princípio tão simples é tão frutífero? Aparentemente, expressa uma certa correlação de diferentes partes do Universo, permitindo medições no Universo. Em termos matemáticos, o campo é interpretado geometricamente como a curvatura de algum espaço "interno" concebível. A medição da carga é a medição da "curvatura interna" total ao redor da partícula. As teorias de calibre de interações fortes e fracas diferem da teoria de calibre eletromagnético apenas na "estrutura" geométrica interna da carga correspondente. A questão de onde exatamente esse espaço interno está localizado está sendo respondida por teorias multidimensionais de campo unificado, que não são consideradas aqui.
| Tabela 4. INTERAÇÕES FUNDAMENTAIS | |||||
| Interação | Intensidade relativa a uma distância de 10-13 cm | Raio de ação | Operadora de interação | Massa de repouso do transportador, MeV/ com 2 | Rotação do transportador |
| Forte | 1 | Glúon | 0 | 1 | |
| Eletro- magnético |
0,01 | Ґ | Fóton | 0 | 1 |
| Fraco | 10 –13 | C + | 80400 | 1 | |
| C – | 80400 | 1 | |||
| Z 0 | 91190 | 1 | |||
| Gravidade- racional |
10 –38 | Ґ | gráviton | 0 | 2 |
A física das partículas elementares ainda não está completa. Ainda não está claro se os dados disponíveis são suficientes para entender completamente a natureza das partículas e forças, bem como a verdadeira natureza e dimensões do espaço e do tempo. Precisamos de experimentos com energias de 10 15 GeV para isso, ou o esforço do pensamento será suficiente? Ainda não há nenhuma resposta. Mas podemos dizer com confiança que a imagem final será simples, elegante e bonita. É possível que não haja tantas ideias fundamentais: o princípio de calibre, espaços de maiores dimensões, colapso e expansão e, sobretudo, geometria.
Uma maior penetração nas profundezas do micromundo está associada à transição do nível dos átomos para o nível das partículas elementares. Como a primeira partícula elementar no final do século XIX. o elétron foi descoberto, e então nas primeiras décadas do século 20. fóton, próton, pósitron e nêutron.
Após a Segunda Guerra Mundial, graças ao uso da moderna tecnologia experimental e, acima de tudo, poderosos aceleradores, nos quais são criadas condições de altas energias e enormes velocidades, foi estabelecida a existência de um grande número de partículas elementares - mais de 300. Entre eles estão descobertos experimentalmente e calculados teoricamente, incluindo ressonâncias, quarks e partículas virtuais.
Prazo partícula elementar originalmente significava as partículas mais simples e indecomponíveis que subjazem a qualquer formação material. Mais tarde, os físicos perceberam toda a convencionalidade do termo “elementar” em relação aos micro-objetos. Agora não há dúvida de que as partículas têm uma estrutura ou outra, mas, no entanto, o nome historicamente estabelecido continua a existir.
As principais características das partículas elementares são massa, carga, vida média, spin e números quânticos.
massa de repouso partículas elementares são determinadas em relação à massa de repouso de um elétron. Existem partículas elementares que não têm massa de repouso, - fótons. O resto das partículas nesta base são divididos em léptons– partículas de luz (elétron e neutrino); mésons– partículas médias com massa variando de um a mil massas de elétrons; bárions- partículas pesadas cuja massa excede mil massas de um elétron e que incluem prótons, nêutrons, hiperons e muitas ressonâncias.
Carga elétrica é outra característica importante das partículas elementares. Todas as partículas conhecidas têm carga positiva, negativa ou zero. Cada partícula, exceto um fóton e dois mésons, corresponde a antipartículas com carga oposta. Aproximadamente em 1963-1964. hipotetizou que existe quarks– partículas com carga elétrica fracionária. Essa hipótese ainda não foi confirmada experimentalmente.
Por tempo de vida partículas são divididas em estábulo e instável . Existem cinco partículas estáveis: um fóton, dois tipos de neutrinos, um elétron e um próton. São partículas estáveis que desempenham o papel mais importante na estrutura dos macrocorpos. Todas as outras partículas são instáveis, existem por cerca de 10 -10 -10 -24 s, após o que decaem. Partículas elementares com uma vida média de 10–23–10–22 s são chamadas de ressonâncias. Devido ao seu curto tempo de vida, eles decaem antes mesmo de deixar o átomo ou núcleo atômico. Os estados ressonantes foram calculados teoricamente; não é possível fixá-los em experimentos reais.
Além de carga, massa e tempo de vida, as partículas elementares também são descritas por conceitos que não têm análogos na física clássica: o conceito costas . Spin é o momento angular intrínseco de uma partícula, não relacionado ao seu deslocamento. O giro é caracterizado spin número quântico s, que pode assumir valores inteiros (±1) ou meio inteiro (±1/2). Partículas com spin inteiro bósons, com meio inteiro - férmions. O elétron pertence aos férmions. De acordo com o princípio de Pauli, um átomo não pode ter mais de um elétron com o mesmo conjunto de números quânticos. n,m,eu,s. Os elétrons, que correspondem a funções de onda com o mesmo número n, são muito próximos em energia e formam uma camada eletrônica no átomo. Diferenças no número l determinam o “subshell”, os números quânticos restantes determinam seu preenchimento, como mencionado acima.
Na caracterização de partículas elementares, há outra ideia importante interações. Como observado anteriormente, são conhecidos quatro tipos de interações entre partículas elementares: gravitacional,fraco,eletromagnético e Forte(nuclear).
Todas as partículas que têm uma massa de repouso ( m 0), participam da interação gravitacional, carregada - e eletromagnética. Os léptons também participam de interações fracas. Os hádrons participam de todas as quatro interações fundamentais.
De acordo com a teoria quântica de campos, todas as interações são realizadas através da troca partículas virtuais , ou seja, partículas cuja existência só pode ser julgada indiretamente, por algumas de suas manifestações através de alguns efeitos secundários ( partículas reais pode ser fixado diretamente com instrumentos).
Acontece que todos os quatro tipos conhecidos de interações - gravitacional, eletromagnética, forte e fraca - têm uma natureza de calibre e são descritos por simetrias de calibre. Ou seja, todas as interações são, por assim dizer, feitas “de um espaço em branco”. Isso inspira a esperança de que será possível encontrar “a única chave para todas as fechaduras conhecidas” e descrever a evolução do Universo de um estado representado por um único supercampo supersimétrico, de um estado em que as diferenças entre os tipos de interações, entre todos os tipos de partículas de matéria e quanta de campo ainda não se manifestaram.
Há um grande número de maneiras de classificar partículas elementares. Assim, por exemplo, as partículas são divididas em férmions (partículas de Fermi) - partículas de matéria e bósons (partículas de Bose) - quanta de campo.
De acordo com outra abordagem, as partículas são divididas em 4 classes: fótons, léptons, mésons, bárions.
Fótons (quanta do campo eletromagnético) participam de interações eletromagnéticas, mas não têm interações gravitacionais fortes, fracas.
Léptons tem o nome da palavra grega eueptos- fácil. Estes incluem partículas que não têm uma interação forte múons (μ - , μ +), elétrons (e - , e +), neutrinos de elétrons (ve - , ve +) e neutrinos de múons (v - m , v + m). Todos os léptons têm spin ½ e, portanto, são férmions. Todos os léptons têm uma interação fraca. Aqueles que têm uma carga elétrica (ou seja, múons e elétrons) também têm uma interação eletromagnética.
Mesons são partículas instáveis que interagem fortemente que não carregam a chamada carga bariônica. Entre eles pertence R-mésons ou píons (π +, π -, π 0), Para-mésons, ou kaons (K + , K - , K 0), e esta-mésons (η) . Peso Para-mésons é ~ 970me (494 MeV para carregado e 498 MeV para neutro Para-mésons). Vida Para-mésons tem uma magnitude de cerca de 10-8 s. Eles se separam para formar EU-mésons e léptons ou apenas léptons. Peso esta-mésons é igual a 549 MeV (1074me), o tempo de vida é de cerca de 10-19 s. Esse-mésons decaem com a formação de π-mésons e γ-fótons. Ao contrário dos léptons, os mésons têm não apenas uma interação fraca (e, se carregada, eletromagnética), mas também uma interação forte, que se manifesta na interação entre eles, bem como na interação entre mésons e bárions. O spin de todos os mésons é zero, então eles são bósons.
Aula bárions combina nucleons (p, n) e partículas instáveis com massa maior que a massa dos nucleons, chamados de hiperons. Todos os bárions têm uma forte interação e, portanto, interagem ativamente com os núcleos atômicos. O spin de todos os bárions é ½, então bárions são férmions. Com exceção do próton, todos os bárions são instáveis. No decaimento de bárions, juntamente com outras partículas, um bárion é necessariamente formado. Esse padrão é uma das manifestações lei de conservação da carga bariônica.
Além das partículas listadas acima, foi descoberto um grande número de partículas de vida curta que interagem fortemente, que são chamadas de ressonâncias . Essas partículas são estados ressonantes formados por duas ou mais partículas elementares. O tempo de vida das ressonâncias é de apenas ~ 10–23–10–22 s.
Partículas elementares, assim como micropartículas complexas, podem ser observadas pelos traços que deixam ao passar pela matéria. A natureza dos traços torna possível julgar o sinal da carga da partícula, sua energia, momento, etc. Partículas carregadas causam a ionização das moléculas em seu caminho. As partículas neutras não deixam vestígios, mas podem revelar-se no momento da decomposição em partículas carregadas ou no momento da colisão com qualquer núcleo. Portanto, eventualmente partículas neutras também são detectadas pela ionização causada pelas partículas carregadas geradas por elas.
Partículas e antipartículas. Em 1928, o físico inglês P. Dirac conseguiu encontrar uma equação relativística da mecânica quântica para o elétron, da qual decorrem várias consequências notáveis. Em primeiro lugar, desta equação, de forma natural, sem suposições adicionais, obtém-se o spin e o valor numérico do momento magnético intrínseco do elétron. Assim, descobriu-se que o spin é uma quantidade tanto quântica quanto relativística. Mas isso não esgota o significado da equação de Dirac. Também tornou possível prever a existência de uma antipartícula do elétron - pósitron. A partir da equação de Dirac, não apenas valores positivos, mas também negativos são obtidos para a energia total de um elétron livre. Estudos da equação mostram que para um dado momento de partícula, existem soluções para a equação correspondente às energias: .
Entre a maior energia negativa (- m e com 2) e a menor energia positiva (+ m e c 2) existe um intervalo de valores de energia que não pode ser realizado. A largura deste intervalo é 2 m e com 2. Consequentemente, duas regiões de autovalores de energia são obtidas: uma começa com + m e com 2 e se estende até +∞, o outro começa em - m e com 2 e se estende até –∞.
Uma partícula com energia negativa deve ter propriedades muito estranhas. Passando para estados com energia cada vez menor (isto é, com energia negativa aumentando em valor absoluto), poderia liberar energia, digamos, na forma de radiação, além disso, uma vez que | E| não é limitado por nada, uma partícula com energia negativa pode irradiar uma quantidade infinitamente grande de energia. Uma conclusão semelhante pode ser alcançada da seguinte maneira: a partir da relação E=m e com 2 segue que a massa de uma partícula com energia negativa também será negativa. Sob a ação de uma força de desaceleração, uma partícula com massa negativa não deve desacelerar, mas acelerar, realizando um trabalho infinitamente grande sobre a fonte da força de desaceleração. Em vista dessas dificuldades, parece que se deve admitir que o estado com energia negativa deve ser excluído da consideração como levando a resultados absurdos. Isso, no entanto, contradiz alguns princípios gerais da mecânica quântica. Então Dirac escolheu um caminho diferente. Ele propôs que as transições de elétrons para estados com energia negativa geralmente não são observadas pelo motivo de que todos os níveis disponíveis com energia negativa já estão ocupados por elétrons. 
Segundo Dirac, o vácuo é um estado em que todos os níveis de energia negativa são preenchidos por elétrons, e os níveis de energia positiva são livres. Como todos os níveis abaixo da banda proibida, sem exceção, estão ocupados, os elétrons nesses níveis não se revelam de forma alguma. Se um dos elétrons localizados em níveis negativos recebe energia E≥ 2m e com 2 , então esse elétron entrará em um estado com energia positiva e se comportará da maneira usual, como uma partícula com massa positiva e carga negativa. Essa primeira partícula teoricamente prevista foi chamada de pósitron. Quando um pósitron encontra um elétron, eles aniquilam (desaparecem) - o elétron passa de um nível positivo para um negativo vago. A energia correspondente à diferença entre esses níveis é liberada na forma de radiação. Na fig. 4, a seta 1 representa o processo de criação de um par elétron-pósitron e a seta 2 - sua aniquilação O termo "aniquilação" não deve ser entendido literalmente. Em essência, o que está acontecendo não é o desaparecimento, mas a transformação de algumas partículas (elétron e pósitron) em outras (γ-fótons).
Existem partículas que são idênticas às suas antipartículas (ou seja, não possuem antipartículas). Tais partículas são chamadas absolutamente neutras. Estes incluem o fóton, π 0 -méson e η-méson. Partículas que são idênticas às suas antipartículas não são capazes de aniquilação. Isso, no entanto, não significa que eles não possam se transformar em outras partículas.
Se bárions (ou seja, nucleons e hiperons) são atribuídos a uma carga de bárions (ou número de bárions) NO= +1, antibárions – carga bariônica NO= –1, e para todas as outras partículas – a carga do bárion NO= 0, então para todos os processos que ocorrem com a participação de bárions e antibárions, a conservação de bárions de carga será característica, assim como a conservação de carga elétrica é característica dos processos. A lei de conservação da carga do bárion determina a estabilidade do bárion mais macio, o próton. A transformação de todas as quantidades que descrevem um sistema físico, no qual todas as partículas são substituídas por antipartículas (por exemplo, elétrons por prótons e prótons por elétrons, etc.), é chamada de carga de conjugação.
Partículas estranhas.Para-mésons e hiperons foram descobertos na composição dos raios cósmicos no início da década de 1950. Desde 1953, eles são produzidos em aceleradores. O comportamento dessas partículas acabou sendo tão incomum que elas foram chamadas de estranhas. O comportamento incomum de partículas estranhas consistia no fato de que obviamente nasceram devido a fortes interações com um tempo característico da ordem de 10-23 s, e seus tempos de vida acabaram sendo da ordem de 10-8-10-10 s. A última circunstância indicou que as partículas decaem como resultado de interações fracas. Era completamente incompreensível por que partículas estranhas vivem tanto. Como as mesmas partículas (mésons e prótons π) estão envolvidas tanto na criação quanto no decaimento de um λ-hiperon, parecia surpreendente que a taxa (ou seja, a probabilidade) de ambos os processos fosse tão diferente. Outras pesquisas mostraram que partículas estranhas são produzidas em pares. Isso levou à ideia de que interações fortes não podem desempenhar um papel no decaimento de partículas devido ao fato de que a presença de duas partículas estranhas é necessária para sua manifestação. Pela mesma razão, a produção única de partículas estranhas é impossível.
Para explicar a proibição da produção única de partículas estranhas, M. Gell-Mann e K. Nishijima introduziram um novo número quântico, cujo valor total, segundo sua suposição, deveria ser preservado sob fortes interações. É um número quântico S foi chamado estranheza de partículas. Em interações fracas, a estranheza pode não ser conservada. Portanto, é atribuído apenas a partículas que interagem fortemente - mésons e bárions.
Neutrino. O neutrino é a única partícula que não participa de interações fortes ou eletromagnéticas. Excluindo a interação gravitacional, na qual todas as partículas participam, o neutrino pode participar apenas de interações fracas.
Por muito tempo não ficou claro como os neutrinos diferem dos antineutrinos. A descoberta da lei de conservação da paridade combinada permitiu responder a esta pergunta: diferem em helicidade. Debaixo helicidade uma certa relação entre as direções do momento é entendida R e volta S partículas. A helicidade é considerada positiva se o spin e o momento estão na mesma direção. Neste caso, a direção do movimento da partícula ( R) e a direção de “rotação” correspondente ao giro formam um parafuso direito. Com rotação e momento de direção oposta, a helicidade será negativa (movimento de translação e “rotação” formam um parafuso esquerdo). De acordo com a teoria dos neutrinos longitudinais desenvolvida por Yang, Lee, Landau e Salam, todos os neutrinos que existem na natureza, independentemente de como surgem, são sempre completamente polarizados longitudinalmente (ou seja, seu spin é direcionado paralelo ou antiparalelo ao momento R). Neutrino tem negativo(esquerda) helicidade (corresponde à razão de direções S e R mostrado na fig. 5 (b), antineutrino - helicidade positiva (direita) (a). Assim, a helicidade é o que distingue os neutrinos dos antineutrinos.
Arroz. 5. Esquema de helicidade de partículas elementares
Sistemática de partículas elementares. Os padrões observados no mundo das partículas elementares podem ser formulados como leis de conservação. Já existem algumas leis desse tipo. Alguns deles não são exatos, mas apenas aproximados. Cada lei de conservação expressa uma certa simetria do sistema. Leis da conservação da quantidade de movimento R, momento angular eu e energia E refletem as propriedades de simetria do espaço e do tempo: conservação Eé consequência da homogeneidade do tempo, da conservação R devido à homogeneidade do espaço, e à conservação eu- sua isotropia. A lei de conservação da paridade está relacionada com a simetria entre a direita e a esquerda ( R-invariância). Simetria sob conjugação de carga (simetria de partículas e antipartículas) leva à conservação da paridade de carga ( Com-invariância). As leis de conservação das cargas elétricas, bariônicas e léptonas expressam uma simetria especial Com-funções. Finalmente, a lei de conservação do spin isotópico reflete a isotropia do espaço isotópico. O não cumprimento de uma das leis de conservação significa uma violação nesta interação do tipo de simetria correspondente.
No mundo das partículas elementares, a seguinte regra se aplica: tudo é permitido que não é proibido pelas leis de conservação. Estes últimos desempenham o papel de regras de proibição que regulam as interconversões de partículas. Em primeiro lugar, observamos as leis de conservação de energia, momento e carga elétrica. Essas três leis explicam a estabilidade do elétron. Segue-se da conservação de energia e momento que a massa total de repouso dos produtos de decaimento deve ser menor que a massa de repouso da partícula em decaimento. Isso significa que o elétron só poderia decair em neutrinos e fótons. Mas essas partículas são eletricamente neutras. Então acontece que o elétron simplesmente não tem para quem transferir sua carga elétrica, então é estável.
Quarks. Existem tantas partículas chamadas elementares que há sérias dúvidas sobre sua natureza elementar. Cada uma das partículas que interagem fortemente é caracterizada por três números quânticos aditivos independentes: a carga Q, hipercarga No e carga bariônica NO. Nesse sentido, surgiu a hipótese de que todas as partículas são construídas a partir de três partículas fundamentais - portadoras dessas cargas. Em 1964, Gell-Mann e, independentemente dele, o físico suíço Zweig apresentaram uma hipótese segundo a qual todas as partículas elementares são construídas a partir de três partículas chamadas quarks. A essas partículas são atribuídos números quânticos fracionários, em particular, uma carga elétrica igual a +⅔; –⅓; +⅓ respectivamente para cada um dos três quarks. Esses quarks são geralmente denotados pelas letras você,D,S. Além dos quarks, os antiquarks são considerados ( você,d,s). Até o momento, são conhecidos 12 quarks - 6 quarks e 6 antiquarks. Os mésons são formados a partir de um par quark-antiquark, e os bárions são formados por três quarks. Assim, por exemplo, um próton e um nêutron são compostos de três quarks, o que torna o próton ou o nêutron incolor. Assim, três cargas de interações fortes são distinguidas - vermelho ( R), amarelo ( S) e verde ( G).
A cada quark é atribuído o mesmo momento magnético (µV), cujo valor não é determinado pela teoria. Cálculos feitos com base nesta suposição dão ao próton o valor do momento magnético μ p = μ q, e para o nêutron μ n = – ⅔μ quadrado
Assim, para a razão dos momentos magnéticos, o valor μ p / μn = –⅔, em excelente concordância com o valor experimental.
Basicamente, a cor do quark (como o sinal da carga elétrica) passou a expressar a diferença na propriedade que determina a atração e repulsão mútua dos quarks. Por analogia com os quanta dos campos de várias interações (fótons em interações eletromagnéticas, R-mésons em interações fortes, etc.), foram introduzidas partículas-portadoras de interação entre quarks. Essas partículas foram nomeadas glúons. Eles transferem cor de um quark para outro, resultando na manutenção dos quarks juntos. Na física dos quarks, a hipótese do confinamento foi formulada (do inglês. confinamentos- cativeiro) de quarks, segundo o qual é impossível subtrair um quark de um todo. Só pode existir como um elemento do todo. A existência de quarks como partículas reais na física é comprovada de forma confiável.
A ideia de quarks acabou sendo muito frutífera. Tornou possível não apenas sistematizar partículas já conhecidas, mas também prever várias novas. A situação que se desenvolveu na física de partículas elementares é uma reminiscência da situação que foi criada na física atômica após a descoberta em 1869 por D. I. Mendelev da lei periódica. Embora a essência dessa lei tenha sido esclarecida apenas cerca de 60 anos após a criação da mecânica quântica, ela possibilitou sistematizar os elementos químicos conhecidos na época e, além disso, levou à previsão da existência de novos elementos e suas propriedades . Exatamente da mesma forma, os físicos aprenderam a sistematizar partículas elementares, e a sistemática desenvolvida em alguns casos permitiu prever a existência de novas partículas e antecipar suas propriedades.
Assim, atualmente, quarks e léptons podem ser considerados verdadeiramente elementares; existem 12 deles, ou juntamente com antipartículas - 24. Além disso, existem partículas que fornecem quatro interações fundamentais (quanta de interação). Existem 13 dessas partículas: gráviton, fóton, C± - e Z-partículas e 8 glúons.
As teorias existentes de partículas elementares não podem indicar qual é o início da série: átomos, núcleos, hádrons, quarks Nesta série, cada estrutura material mais complexa inclui uma mais simples como parte integrante. Aparentemente, isso não pode continuar indefinidamente. Assumiu-se que a cadeia descrita de estruturas materiais é baseada em objetos de natureza fundamentalmente diferente. Mostra-se que tais objetos podem não ser pontuais, mas formações estendidas, embora extremamente pequenas (~10 -33 cm), chamadas supercordas. A ideia descrita não é realizável em nosso espaço quadridimensional. Essa área da física geralmente é extremamente abstrata, e é muito difícil encontrar modelos visuais que auxiliem uma percepção simplificada das ideias embutidas nas teorias das partículas elementares. No entanto, essas teorias permitem que os físicos expressem a interconversão e a interdependência dos micro-objetos “mais elementares”, sua conexão com as propriedades do espaço-tempo quadridimensional. O mais promissor é o chamado Teoria M (Eu sou de mistério- um enigma, um mistério). Ela opera espaço de doze dimensões . Em última análise, durante a transição para o mundo quadridimensional percebido diretamente por nós, todas as dimensões “extras” “colapsam”. A teoria M é até agora a única teoria que torna possível reduzir as quatro interações fundamentais a uma - as chamadas Superpotência. Também é importante que a teoria M permita a existência de mundos diferentes e estabeleça as condições que garantem o surgimento de nosso mundo. A teoria M ainda não está suficientemente desenvolvida. Acredita-se que o final "teoria de tudo" com base na teoria M será construída no século XXI.
Com as palavras "eletricidade", "carga elétrica", "corrente elétrica" você se encontrou muitas vezes e conseguiu se acostumar com elas. Mas tente responder à pergunta: “O que é uma carga elétrica?” - e você verá que não é tão fácil. O fato é que o conceito de carga é um conceito básico, primário, que não pode ser reduzido, no atual nível de desenvolvimento de nosso conhecimento, a quaisquer conceitos elementares mais simples.
Vamos primeiro tentar descobrir o que significa a afirmação: um determinado corpo ou partícula tem uma carga elétrica.
Você sabe que todos os corpos são construídos a partir das partículas menores, indivisíveis, até as partículas mais simples (até onde a ciência é conhecida), que são, portanto, chamadas de elementares. Todas as partículas elementares têm massa e por isso são atraídas umas pelas outras de acordo com a lei da gravitação universal com uma força que diminui relativamente lentamente à medida que a distância entre elas aumenta, inversamente proporcional ao quadrado da distância. A maioria das partículas elementares, embora não todas, também têm a capacidade de interagir umas com as outras com uma força que também diminui inversamente com o quadrado da distância, mas essa força é um número enorme de vezes maior que a força da gravidade. Então. no átomo de hidrogênio, mostrado esquematicamente na Figura 91, o elétron é atraído para o núcleo (próton) com uma força 101" vezes maior que a força de atração gravitacional.
Se as partículas interagem umas com as outras com forças que diminuem lentamente com a distância e são muitas vezes maiores que as forças da gravitação universal, diz-se que essas partículas têm carga elétrica. As próprias partículas são chamadas carregadas. Existem partículas sem carga elétrica, mas não há carga elétrica sem partícula.
As interações entre partículas carregadas são chamadas eletromagnéticas. A carga elétrica é uma quantidade física que determina a intensidade das interações eletromagnéticas, assim como a massa determina a intensidade das interações gravitacionais.
A carga elétrica de uma partícula elementar não é um "mecanismo" especial na partícula, que pode ser removido dela, decomposto em suas partes componentes e remontado. A presença de uma carga elétrica em um elétron e outras partículas significa apenas a existência
certas interações de força entre eles. Mas nós, em essência, não sabemos nada sobre a carga, se não conhecemos as leis dessas interações. O conhecimento das leis das interações deve ser incluído em nossa compreensão da carga. Essas leis não são simples, é impossível enunciá-las em poucas palavras. É por isso que é impossível dar uma definição concisa suficientemente satisfatória do que é uma carga elétrica.
Dois sinais de cargas elétricas. Todos os corpos têm massa e, portanto, se atraem. Corpos carregados podem atrair e repelir uns aos outros. Este fato mais importante, familiar para você do curso de física da 7ª série, significa que na natureza existem partículas com cargas elétricas de sinais opostos. Partículas com o mesmo sinal de carga se repelem e com sinais diferentes elas se atraem.
A carga das partículas elementares - prótons, que fazem parte de todos os núcleos atômicos, é chamada de positiva, e a carga dos elétrons é chamada de negativa. Não há diferenças intrínsecas entre cargas positivas e negativas. Se os sinais das cargas das partículas fossem invertidos, a natureza das interações eletromagnéticas não mudaria em nada.
carga elementar. Além de elétrons e prótons, existem vários outros tipos de partículas elementares carregadas. Mas apenas elétrons e prótons podem existir indefinidamente em um estado livre. O resto das partículas carregadas vivem menos de milionésimos de segundo. Eles nascem durante colisões de partículas elementares rápidas e, tendo existido por um tempo insignificante, decaem, transformando-se em outras partículas. Você se familiarizará com essas partículas na classe X.
Os nêutrons são partículas que não possuem carga elétrica. Sua massa excede apenas ligeiramente a massa de um próton. Os nêutrons, juntamente com os prótons, fazem parte do núcleo atômico.
Se uma partícula elementar tem uma carga, seu valor, como mostrado por vários experimentos, é estritamente definido (um desses experimentos - a experiência de Millikan e Ioffe - foi descrito em um livro didático para o grau VII)
Existe uma carga mínima, chamada elementar, que todas as partículas elementares carregadas possuem. As cargas das partículas elementares diferem apenas nos sinais. É impossível separar parte da carga, por exemplo, de um elétron.
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É impossível dar uma definição curta de cobrança que seja satisfatória em todos os aspectos. Estamos acostumados a encontrar explicações compreensíveis para formações e processos muito complexos, como o átomo, cristais líquidos, a distribuição de moléculas em velocidades e assim por diante. Mas os conceitos mais básicos, fundamentais, indivisíveis em outros mais simples, desprovidos, segundo a ciência atual, de qualquer mecanismo interno, não podem ser brevemente explicados de maneira satisfatória. Especialmente se os objetos não são percebidos diretamente pelos nossos sentidos. É a esses conceitos fundamentais que pertence a carga elétrica.
Vamos primeiro tentar descobrir não o que é uma carga elétrica, mas o que está escondido por trás da afirmação, um determinado corpo ou partícula tem uma carga elétrica.
Você sabe que todos os corpos são construídos a partir das partículas menores, indivisíveis, até as partículas mais simples (até onde a ciência é conhecida), que são, portanto, chamadas de elementares. Todas as partículas elementares têm massa e por isso são atraídas umas pelas outras. De acordo com a lei da gravitação universal, a força de atração diminui relativamente lentamente à medida que a distância entre eles aumenta: inversamente proporcional ao quadrado da distância. Além disso, a maioria das partículas elementares, embora não todas, têm a capacidade de interagir entre si com uma força que também diminui inversamente com o quadrado da distância, mas essa força é um número enorme, vezes maior que a força da gravidade. Assim, no átomo de hidrogênio, mostrado esquematicamente na Figura 1, o elétron é atraído para o núcleo (próton) com uma força 1039 vezes maior que a força de atração gravitacional.
Se as partículas interagem umas com as outras com forças que diminuem lentamente com a distância e são muitas vezes maiores que as forças da gravitação universal, diz-se que essas partículas têm carga elétrica. As próprias partículas são chamadas carregadas. Existem partículas sem carga elétrica, mas não há carga elétrica sem partícula.
As interações entre partículas carregadas são chamadas eletromagnéticas. Quando dizemos que elétrons e prótons são eletricamente carregados, isso significa que eles são capazes de interações de um certo tipo (eletromagnético), e nada mais. A ausência de carga nas partículas significa que não detecta tais interações. A carga elétrica determina a intensidade das interações eletromagnéticas, assim como a massa determina a intensidade das interações gravitacionais. A carga elétrica é a segunda característica mais importante das partículas elementares (depois da massa), que determina seu comportamento no mundo circundante.
Por isso
Carga elétricaé uma quantidade escalar física que caracteriza a propriedade de partículas ou corpos para entrar em interações de força eletromagnética.
A carga elétrica é denotada pelas letras q ou Q.
Assim como na mecânica o conceito de ponto material é frequentemente usado, o que permite simplificar significativamente a solução de muitos problemas, ao estudar a interação de cargas, o conceito de carga pontual acaba sendo eficaz. Uma carga pontual é um corpo carregado cujas dimensões são muito menores do que a distância deste corpo ao ponto de observação e outros corpos carregados. Em particular, se falamos sobre a interação de duas cargas puntiformes, então assumimos que a distância entre os dois corpos carregados em consideração é muito maior do que suas dimensões lineares.
Carga elétrica de uma partícula elementar
A carga elétrica de uma partícula elementar não é um “mecanismo” especial em uma partícula que possa ser removida dela, decomposta em suas partes componentes e remontada. A presença de uma carga elétrica em um elétron e outras partículas significa apenas a existência de certas interações entre eles.
Na natureza, existem partículas com cargas de sinais opostos. A carga de um próton é chamada de positiva e a de um elétron é chamada de negativa. O sinal positivo da carga de uma partícula não significa, é claro, que ela tenha vantagens especiais. A introdução de cargas de dois signos simplesmente expressa o fato de que partículas carregadas podem atrair e repelir. Partículas com o mesmo sinal de carga se repelem e com sinais diferentes elas se atraem.
Não há explicação das razões para a existência de dois tipos de cargas elétricas agora. Em qualquer caso, não são encontradas diferenças fundamentais entre cargas positivas e negativas. Se os sinais das cargas elétricas das partículas fossem invertidos, a natureza das interações eletromagnéticas na natureza não mudaria.
Cargas positivas e negativas são muito bem compensadas no universo. E se o Universo é finito, então sua carga elétrica total é, com toda a probabilidade, igual a zero.
O mais notável é que a carga elétrica de todas as partículas elementares é estritamente a mesma em valor absoluto. Existe uma carga mínima, chamada elementar, que todas as partículas elementares carregadas possuem. A carga pode ser positiva, como um próton, ou negativa, como um elétron, mas o módulo de carga é o mesmo em todos os casos.
É impossível separar parte da carga, por exemplo, de um elétron. Esta é talvez a coisa mais incrível. Nenhuma teoria moderna pode explicar por que as cargas de todas as partículas são as mesmas e não pode calcular o valor da carga elétrica mínima. É determinado experimentalmente com a ajuda de vários experimentos.
Na década de 1960, depois que o número de partículas elementares recém-descobertas começou a crescer ameaçadoramente, foi apresentada a hipótese de que todas as partículas que interagem fortemente são compostas. As partículas mais fundamentais foram chamadas de quarks. Acabou sendo surpreendente que os quarks tivessem uma carga elétrica fracionária: 1/3 e 2/3 da carga elementar. Para construir prótons e nêutrons, dois tipos de quarks são suficientes. E seu número máximo, aparentemente, não excede seis.
Unidade de carga elétrica
