…Deus primeiro deu à matéria a forma de sólido, maciço,

partículas impenetráveis ​​e móveis de tais tamanhos e formas

e com tais propriedades e proporções em relação a

espaço que melhor se adapte ao propósito

para o qual os criou.

I. Newton

Na história da filosofia e da ciência, existem 3 abordagens para entender a estrutura da natureza no nível micro:

há corpúsculos ou átomos indivisíveis, o mundo é reduzido a “tijolos” fundamentais (Demócrito, Newton);

a matéria é contínua e infinitamente dividida em pedaços cada vez menores, nunca atingindo o átomo indivisível (Aristóteles);

No século vinte surgiu um conceito que explica o mundo com base na interconexão de tudo o que existe: uma partícula não é um “tijolo” de matéria, mas um processo, elo ou padrão no Universo integral (W. Heisenberg, J. Chu, F . Capra).

A primeira partícula “elementar” foi descoberta em 1897 por J.J. Thomson, no estudo dos raios catódicos, provou a existência elétrons . Sob influências, a eletricidade negativa é facilmente liberada da substância, que é fixada como flashes de luz na tela. As partículas de eletricidade negativa eram chamadas de elétrons. A quantidade mínima de eletricidade igual à carga de um elétron foi observada durante uma descarga elétrica em um gás rarefeito. Até os anos 70. século 20 o problema da estrutura interna do elétron não foi resolvido, ainda não há indícios de sua estrutura interna (Anderson 1968; Weisskopf 1977).

Um ano antes, A. Becquerel descobriu o decaimento radioativo do sal de urânio - a emissão de partículas alfa (núcleos de He), essas partículas foram utilizadas por Rutherford, que provou experimentalmente a existência do núcleo atômico. Em 1919, E. Rutherford também realizou a primeira reação nuclear artificial: irradiando N com partículas alfa, obteve o isótopo O e provou que o núcleo do átomo de N contém próton 27 (considerada a partícula limitante).

Em 1932, J. Chadwick descobriu outra partícula nuclear - uma nêutron 28. A descoberta do nêutron, que marcou o início de uma nova ciência - física de nêutrons , as principais propriedades do nêutron, a aplicação de nêutrons é o assunto do livro de S.F. Shebalina Nêutrons . Traços de nêutrons foram observados em uma câmara de nuvens. A massa de um próton é 1836,1 massas de um elétron, a massa de um nêutron é 1838,6. W. Heisenberg, e independentemente dele D.D. Ivanenko, I.E. Tamm, apresentou uma hipótese sobre a estrutura do núcleo atômico a partir de prótons e nêutrons: o núcleo C, por exemplo, é composto por 6 prótons e 6 nêutrons. No início. 30 anos acreditava que a matéria consiste em átomos, e os átomos de 3 partículas “elementares”, “blocos de construção”: prótons, nêutrons e elétrons (Shebalin 1969; Folta, Novy 1987; Capra 1994: 66-67).

No mesmo ano, E. O. Lawrence na Califórnia construiu o primeiro cíclotron (um acelerador de partículas "elementares"). Aceleradores de partículas são instalações onde partículas de alta energia colidem. Na colisão de partículas subatômicas movendo-se em alta velocidade, um alto nível de energia é alcançado e nasce o mundo de interações, campos e partículas, pois o nível de elementaridade depende do nível de energia. Se uma moeda for acelerada a tais velocidades, sua energia será igual à produção de energia de um bilhão de dólares. Um acelerador anular com uma circunferência de túnel de até 27 km foi construído perto de Genebra. Hoje, para testar algumas teorias, como a teoria da grande unificação de todas as partículas, é necessário um acelerador do tamanho do sistema solar (Folta, Nowy 1987: 270-271; Davis 1989: 90-91).

Partículas também são descobertas em aceleradores naturais, raios cósmicos colidem com átomos de um dispositivo experimental, e os resultados do impacto são estudados (é assim que o pósitron, múon e méson previstos foram descobertos). Com a ajuda de aceleradores e pesquisa de radiação cósmica, o mundo variado de partículas subatômicas se abriu. Em 1932, foram descobertas 3 partículas, em 1947 - 14, em 1955 - 30, em 1969 - mais de 200. Simultaneamente aos experimentos, também foram realizados estudos teóricos. As partículas geralmente se movem na velocidade da luz,  , é necessário levar em conta a teoria da relatividade. A criação de uma teoria geral das partículas continua sendo um problema não resolvido na física (Capra 1994: 67).

Em 1967, surgiu uma hipótese sobre a existência táquions - partículas cuja velocidade de movimento é superior à velocidade da luz. Novos “blocos de construção” da matéria foram descobertos, muitas partículas instáveis ​​e de vida curta (“ressonâncias” vivem 10 -27 s.) que se decompõem em partículas comuns. Mais tarde ficou claro que as novas partículas: ressonâncias e hiperons, mesons – estados excitados de outras partículas: próton e léptons. Como um átomo de H excitado em vários estados, que aparece como 3 linhas espectrais, não é outro átomo (Born 1967: 127-129).

Descobriu-se que as partículas não se decompõem, mas se transformam umas nas outras ou na energia dos quanta do campo, passam para o “outro deles”, qualquer partícula pode ser parte integrante de qualquer outra. As partículas podem "desaparecer" na radiação e exibir propriedades ondulatórias. Após a implementação da primeira transformação artificial, quando os núcleos de Li foram transformados em núcleos de He, atômico, física nuclear (Nascido em 1967; Weiskopf 1977: 50).

Em 1963, M. Gell-Mann, J. Zweig propôs a hipótese quarks . Tudo hádrons construído a partir de partículas menores - quarks de 3 tipos e seus antiquarks. Um próton e um nêutron são compostos de 3 quarks (também chamados bárions - pesados ​​ou nucleons - partículas nucleares). O próton é estável, carregado positivamente, o nêutron é instável, se transforma em próton. Pares quark-antiquark (cada partícula tem uma antipartícula) formam mésons (intermediários em massa entre um elétron e um próton). Para explicar a diversidade de padrões hadrônicos, os físicos tiveram que postular a existência de quarks adicionais. Existem 12 quarks: 4 variedades ou sabores (superior, inferior, estranho e charmoso), cada um dos quais pode existir em 3 cores. A maioria dos físicos considera os quarks verdadeiramente elementares, sem estrutura. Embora todos os hádrons tenham simetria de quarks, os hádrons geralmente se comportam como se fossem realmente compostos de componentes pontuais, mas o mistério dos quarks ainda existe (Davis 1989: 100; Hawking 1990: 69; Capra 1994: 228, 229).

Em concordância com inicialização hipótese a natureza não pode ser reduzida aos "tijolos" de matéria como os quarks, mas deve ser compreendida com base na conectividade. A imagem bootstrap de partículas como padrões dinâmicos em uma rede interconectada de eventos foi aceita por Heisenberg, que não acreditava no modelo de quarks (Capra 1996: 43-49).

Todas as partículas conhecidas do Universo podem ser divididas em dois grupos: partículas de matéria “sólida” e partículas virtuais, portadoras de interações , não tendo massa de “repouso”. As partículas de matéria também são divididas em dois grupos: hádrons 29 , núcleons 30 , bárions ou partículas pesadas e léptons 31 .

Os léptons são o elétron, muão , tau lépton e 3 tipos neutrino . Hoje é costume considerar o elétron como um objeto elementar e pontual. Um elétron é carregado negativamente, 1836 vezes mais leve que um próton (Weiskopf 1997: 79; Davis 1989: 93-102; Hawking 1990: 63; Feynman, Weinberg 2000).

Em 1931 W. Pauli previu a existência de uma partícula neutra neutrino , em 1955, em um reator nuclear, um neutrino nasceu de um próton com a formação de um elétron e um nêutron.

Esta é a partícula mais surpreendente: com BV, o neutrino dificilmente interage com a matéria, sendo o mais leve dos léptons. Sua massa é inferior a um décimo de milésimo da massa de um elétron, mas é sem dúvida a partícula mais abundante no universo e pode causar seu colapso. O neutrino quase não interage com a matéria, penetrando através dela, como se ela não existisse (um exemplo da existência de formas não unidimensionais). Um quântico gama percorre 3 m no chumbo e interage com o núcleo de um átomo de chumbo, enquanto um neutrino deve percorrer 4,10 13 km para interagir. O neutrino participa apenas em interações fracas. Ainda não está exatamente estabelecido se os neutrinos realmente têm uma massa de “repouso”. Existem 3 tipos de neutrinos: elétron, múon e tau.

Em 1936, nos produtos da interação dos raios cósmicos, muão , uma partícula instável que decai em um elétron e 2 neutrinos. No final dos anos 70, a partícula “mais pesada”, o lépton, foi descoberta, tau lépton (Davis 1989: 93-95).

Em 1928, P. Dirac previu, e em 1932 descobriu um elétron carregado positivamente ( pósitron - antipartícula de elétron.): um elétron e um pósitron nascem de um γ-quantum - um elétron carregado positivamente. Quando um elétron colide com um pósitron, nascem dois quanta gama, pois para preservar o zero em aniquilação 32 requer dois fótons voando em direções diferentes.

Mais tarde, descobriu-se que todas as partículas têm antipartículas , interagindo, partículas e antipartículas se aniquilam com a formação de quanta de energia. Cada partícula de matéria tem uma antipartícula. Quando uma partícula e uma antipartícula colidem, elas se aniquilam, como resultado da liberação de energia e outras partículas nascem. No universo primitivo, havia mais partículas do que antipartículas, caso contrário, a aniquilação teria preenchido o universo com radiação e não haveria matéria (Silk 1982: 123-125; Hawking 1990: 64, 71-72).

O estado dos elétrons em um átomo é determinado por uma série de números chamados Números quânticos , e indique a localização e a forma das órbitas:

número(s) - este é o número da órbita, que determina a quantidade de energia que um elétron deve ter para estar em órbita, o raio;

número (ℓ) determina a forma exata da onda de elétrons em órbita;

número (m) é chamado magnético e determina a carga do campo que envolve o elétron;

números) , chamado rodar (rotação) determina a velocidade e direção de rotação do elétron, que é determinada pela forma da onda do elétron em termos da probabilidade de que a partícula exista em certos pontos da órbita.

Como essas características são expressas como números inteiros, isso significa que a quantidade de rotação de um elétron não aumenta gradualmente, mas salta - de um valor fixo para outro. As partículas são caracterizadas pela presença ou ausência de massa, carga elétrica, spin (característica rotacional, partículas de matéria possuem spin +1/2, –1/2, partículas-portadoras de interações 0, 1 e 2) e vida Vp (Erdei - Gruz 1976; Davis 1989: 38-41, 92; Hawking 1990: 62-63; Capra 1994: 63).

Em 1925, W. Pauli se perguntou: por que os elétrons de um átomo ocupam uma posição estritamente definida (2 na primeira órbita, 8 na segunda, 32 na quarta)? Analisando os espectros, ele chegou a um princípio simples: duas partículas idênticas não podem estar no mesmo estado , ou seja, eles não podem ter as mesmas coordenadas, velocidades, números quânticos. Todas as partículas de matéria estão sujeitas a Princípio da proibição de W. Pauli .

Esse princípio enfatiza a organização precisa das estruturas, sem as quais as partículas se transformariam em uma gelatina homogênea e densa. O princípio de exclusão tornou possível explicar as propriedades químicas dos elementos, determinadas pelos elétrons das camadas externas não preenchidas, que deram a justificativa para a tabela periódica dos elementos. O princípio de Pauli levou a novas descobertas, compreensão da condutividade térmica e elétrica de metais e semicondutores. Com a ajuda do princípio de exclusão, as camadas eletrônicas dos átomos foram construídas e o sistema de elementos de Mendeleev ficou claro (Dubnishcheva 1997: 450-452).

Mas há partículas que não obedecem ao princípio de exclusão de W. Pauli (não há restrição quanto ao número de partículas trocadas, a força de interação pode ser qualquer), partículas transportadoras ou partículas virtuais que não possuem massa de “repouso” e criam forças entre partículas de matéria (Hawking 1990: 64-65).

6. O mundo das partículas subatômicas

Divisão de átomos

Costuma-se dizer que existem dois tipos de ciências - as grandes e as pequenas. A divisão do átomo é uma grande ciência. Possui instalações experimentais gigantescas, orçamentos colossais e recebe a maior parte dos prêmios Nobel.

Por que os físicos precisavam dividir o átomo? A resposta simples - entender como o átomo funciona - contém apenas uma fração da verdade, mas também há uma razão mais geral. Falar literalmente da divisão do átomo não é inteiramente correto. Na realidade, estamos falando de uma colisão de partículas de alta energia. Na colisão de partículas subatômicas em alta velocidade, nasce um novo mundo de interações e campos. Fragmentos de matéria carregando enorme energia, espalhados após colisões, escondem os segredos da natureza, que desde a "criação do mundo" permaneceram enterrados nas profundezas do átomo.

As instalações nas quais são realizadas colisões de partículas de alta energia - aceleradores de partículas - surpreendem com seu tamanho e custo. Eles atingem vários quilômetros de diâmetro e, em comparação com eles, até os laboratórios em que as colisões de partículas são estudadas parecem minúsculos. Em outras áreas de pesquisa científica, o equipamento está localizado no laboratório; na física de altas energias, os laboratórios são acoplados ao acelerador. Recentemente, o Centro Europeu de Pesquisa Nuclear (CERN), localizado perto de Genebra, alocou várias centenas de milhões de dólares para a construção de um acelerador de anel. A circunferência do túnel que está sendo construído para esse fim chega a 27 km. O acelerador, chamado LEP (LEP, Large Electron-Positron ring - um grande anel elétron-pósitron), foi projetado para acelerar elétrons e suas antipartículas (pósitrons) a velocidades que estão a apenas um fio de distância da velocidade da luz. Para se ter uma ideia da escala de energia, imagine que, em vez de elétrons, uma moeda de um centavo seja acelerada a tais velocidades. No final do ciclo de aceleração, teria energia suficiente para gerar US$ 1.000 milhões em eletricidade! Não é de surpreender que tais experimentos sejam geralmente classificados como física de "alta energia". Movendo-se um em direção ao outro dentro do anel, os feixes de elétrons e pósitrons sofrem colisões frontais, nas quais elétrons e pósitrons se aniquilam, liberando energia suficiente para criar dezenas de outras partículas.

O que são essas partículas? Alguns deles são os próprios "tijolos" dos quais somos construídos: prótons e nêutrons que compõem os núcleos atômicos e elétrons circulando ao redor dos núcleos. Outras partículas geralmente não são encontradas na matéria ao nosso redor: sua vida útil é extremamente curta e, após expirar, elas se decompõem em partículas comuns. O número de variedades dessas partículas instáveis ​​de vida curta é incrível: várias centenas delas já são conhecidas. Como as estrelas, as partículas instáveis ​​são muito numerosas para serem distinguidas "pelo nome". Muitos deles são indicados apenas por letras gregas, e alguns são simplesmente números.

É importante ter em mente que todas essas numerosas e diversas partículas instáveis ​​não são de forma alguma no sentido literal. partes constituintes prótons, nêutrons ou elétrons. A colisão de elétrons e pósitrons de alta energia não se espalha em muitos fragmentos subatômicos. Mesmo em colisões de prótons de alta energia, que obviamente consistem em outros objetos (quarks), eles, via de regra, não se dividem em partes constituintes no sentido usual. O que acontece em tais colisões é melhor visto como a produção direta de novas partículas a partir da energia da colisão.

Cerca de vinte anos atrás, os físicos ficaram completamente confusos com a abundância e variedade de novas partículas subatômicas, que pareciam não ter fim. Era impossível entender para que tantas partículas. Talvez as partículas elementares sejam como os habitantes do zoológico com seu pertencimento implícito às famílias, mas sem nenhuma taxonomia clara. Ou talvez, como alguns otimistas acreditavam, as partículas elementares detêm a chave do universo? Quais são as partículas observadas pelos físicos: fragmentos insignificantes e aleatórios de matéria ou os contornos de uma ordem vagamente percebida que aparecem diante de nossos olhos, indicando a existência de uma estrutura rica e complexa do mundo subnuclear? Hoje não há dúvida sobre a existência de tal estrutura. O microcosmo tem uma ordem profunda e racional, e começamos a entender qual é o significado de todas essas partículas.

O primeiro passo para a compreensão do microcosmo foi dado como resultado da sistematização de todas as partículas conhecidas, assim como no século XVIII. biólogos compilaram catálogos detalhados de espécies de plantas e animais. As características mais importantes das partículas subatômicas são massa, carga elétrica e spin.

Uma vez que massa e peso estão relacionados, as partículas com uma grande massa são muitas vezes referidas como "pesadas". Relação de Einstein E \u003d mc ^ 2 indica que a massa de uma partícula depende de sua energia e, portanto, de sua velocidade. Uma partícula em movimento é mais pesada que uma partícula em repouso. Quando as pessoas falam sobre a massa de uma partícula, estão falando sério. massa de descanso, uma vez que esta massa é independente do estado de movimento. Uma partícula com massa de repouso zero move-se à velocidade da luz. O exemplo mais óbvio de uma partícula com massa de repouso zero é o fóton. Acredita-se que o elétron seja a mais leve das partículas com massa de repouso diferente de zero. O próton e o nêutron são quase 2.000 vezes mais pesados, enquanto a massa da partícula mais pesada que foi criada em laboratório (partículas Z) é cerca de 200.000 vezes a massa de um elétron.

A carga elétrica das partículas varia em uma faixa bastante estreita, mas, como observamos, é sempre um múltiplo da unidade fundamental de carga. Algumas partículas, como fótons e neutrinos, não possuem carga elétrica. Se a carga de um próton carregado positivamente é tomada como +1, então a carga de um elétron é -1.

Polegada. 2 introduzimos mais uma característica de partícula - spin. Também sempre assume valores que são múltiplos de alguma unidade fundamental, que por razões históricas é escolhida como 1 /2. Assim, o próton, o nêutron e o elétron têm um spin 1/2, e o spin do fóton é 1. Também são conhecidas partículas com spins 0, 3/2 e 2. Não foram encontradas partículas fundamentais com spins maiores que 2, e os teóricos acreditam que partículas com esses spins não existem.

O spin de uma partícula é uma característica importante e, dependendo de seu valor, todas as partículas são divididas em duas classes. Partículas com spins 0, 1 e 2 são chamadas de "bósons" - em homenagem ao físico indiano Chatyendranath Bose, e partículas com spin semi-inteiro (ou seja, com spin 1/2 ou 3/2 - "férmions" em homenagem a Enrico Fermi. Pertencer a uma dessas duas classes é provavelmente o mais importante na lista de características das partículas.

Outra característica importante de uma partícula é o seu tempo de vida. Até recentemente, acreditava-se que elétrons, prótons, fótons e neutrinos são absolutamente estáveis, ou seja, ter uma vida infinita. O nêutron permanece estável enquanto estiver "bloqueado" no núcleo, mas um nêutron livre decai em cerca de 15 minutos. Todas as outras partículas conhecidas são altamente instáveis, seus tempos de vida variam de alguns microssegundos a 10-23 s. Tais intervalos de tempo parecem incompreensivelmente pequenos, mas não se deve esquecer que uma partícula voando a uma velocidade próxima à velocidade da luz (e a maioria das partículas produzidas em aceleradores se movem precisamente nessas velocidades) consegue voar uma distância de 300 m em um microssegundo.

Partículas instáveis ​​sofrem decaimento, que é um processo quântico e, portanto, sempre há um elemento de imprevisibilidade no decaimento. A vida útil de uma partícula em particular não pode ser prevista com antecedência. Com base em considerações estatísticas, apenas o tempo de vida médio pode ser previsto. Geralmente se fala da meia-vida de uma partícula, o tempo que leva para que uma população de partículas idênticas seja reduzida pela metade. A experiência mostra que a diminuição da população ocorre exponencialmente (ver Fig. 6) e a meia-vida é de 0,693 da vida média.

Não basta que os físicos saibam que esta ou aquela partícula existe - eles se esforçam para entender qual é o seu papel. A resposta a esta pergunta depende das propriedades das partículas listadas acima, bem como da natureza das forças que atuam sobre a partícula de fora e de dentro dela. Em primeiro lugar, as propriedades de uma partícula são determinadas por sua capacidade (ou incapacidade) de participar de uma interação forte. As partículas que participam da interação forte formam uma classe especial e são chamadas de andrões. As partículas que participam da interação fraca e não participam da interação forte são chamadas de léptons, que significa "pulmões". Vamos dar uma breve olhada em cada uma dessas famílias.

Léptons

O mais famoso dos léptons é o elétron. Como todos os léptons, parece ser um objeto pontual elementar. Até onde se sabe, o elétron não tem estrutura interna; não consiste em quaisquer outras partículas. Embora os léptons possam ou não ter uma carga elétrica, todos eles têm o mesmo spin. 1/2, portanto, são férmions.

Outro lépton conhecido, mas sem carga, é o neutrino. Como já mencionado no Cap. 2, os neutrinos são evasivos, como fantasmas. Como os neutrinos não participam de interações fortes ou eletromagnéticas, eles ignoram quase completamente a matéria, penetrando nela como se ela não existisse. O alto poder de penetração dos neutrinos por muito tempo tornou muito difícil confirmar experimentalmente sua existência. Não foi até quase três décadas após a previsão do neutrino que eles foram finalmente descobertos em laboratório. Os físicos tiveram que esperar a criação de reatores nucleares, durante os quais uma enorme quantidade de neutrinos é emitida, e só então foi possível registrar uma colisão frontal de uma partícula com o núcleo e, assim, provar que ela realmente existe. Hoje, é possível realizar muito mais experimentos com feixes de neutrinos, que surgem durante o decaimento de partículas em um acelerador e possuem as características necessárias. A esmagadora maioria dos neutrinos "ignora" o alvo, mas de vez em quando os neutrinos ainda interagem com o alvo, o que possibilita obter informações úteis sobre a estrutura de outras partículas e a natureza da interação fraca. É claro que experimentos com neutrinos, ao contrário dos experimentos com outras partículas subatômicas, não requerem o uso de proteção especial. O poder de penetração dos neutrinos é tão grande que eles são completamente inofensivos e passam pelo corpo humano sem causar-lhe o menor dano.

Apesar de sua intangibilidade, os neutrinos ocupam uma posição especial entre outras partículas conhecidas, pois são as partículas mais abundantes no universo, superando elétrons e prótons em um bilhão de vezes. O Universo é essencialmente um mar de neutrinos, no qual ocasionalmente se encontram inclusões em forma de átomos. É até possível que a massa total dos neutrinos exceda a massa total das estrelas e, portanto, são os neutrinos que fazem a principal contribuição para a gravidade cósmica. De acordo com um grupo de pesquisadores soviéticos, o neutrino tem uma massa de repouso minúscula, mas não zero (menos de um décimo de milésimo da massa de um elétron); se isso for verdade, então os neutrinos gravitacionais dominam o universo, o que no futuro pode causar seu colapso. Assim, os neutrinos, à primeira vista, as partículas mais “inofensivas” e incorpóreas, são capazes de causar o colapso de todo o universo.

Outros léptons incluem o múon, descoberto em 1936 nos produtos da interação de raios cósmicos; acabou por ser uma das primeiras partículas subatômicas instáveis ​​conhecidas. Em todos os aspectos, exceto pela estabilidade, o múon se assemelha a um elétron: tem a mesma carga e spin, participa das mesmas interações, mas tem uma massa maior. Em cerca de dois milionésimos de segundo, um múon decai em um elétron e dois neutrinos. Os múons são amplamente distribuídos na natureza, eles respondem por uma parte significativa da radiação cósmica de fundo, que é registrada na superfície da Terra por um contador Geiger.

Por muitos anos, o elétron e o múon foram os únicos léptons carregados conhecidos. Então, no final da década de 1970, um terceiro lépton carregado foi descoberto, chamado de "tau lépton". Com uma massa de cerca de 3.500 massas de elétrons, o lépton tau é obviamente um "peso pesado" no trio de léptons carregados, mas em todos os outros aspectos ele se comporta como um elétron e um múon.

Esta lista de léptons conhecidos não está esgotada. Na década de 1960, foi estabelecido que existem vários tipos de neutrinos. Um neutrino de um tipo nasce junto com um elétron durante o decaimento de um nêutron e um neutrino de outro tipo - durante o nascimento de um múon. Cada tipo de neutrino é emparelhado com seu próprio lépton carregado; portanto, existe um "neutrino de elétron" e um "neutrino de múon". Com toda a probabilidade, deve haver também um neutrino do terceiro tipo, que acompanha o nascimento de um lépton tau. Nesse caso, o número total de variedades de neutrinos é três e o número total de léptons é seis (Tabela 1). Claro, cada lépton tem sua própria antipartícula; assim, o número total de léptons distintos é doze.

tabela 1

Seis léptons correspondem a modificações carregadas e neutras (as antipartículas não estão incluídas na tabela). A massa e a carga são expressas em unidades de massa e carga do elétron, respectivamente. Há evidências de que os neutrinos podem ter uma pequena massa

hádrons

Ao contrário do punhado de léptons de hádrons conhecidos, existem literalmente centenas. Isso por si só sugere que os hádrons não são partículas elementares, mas são construídos a partir de componentes menores. Todos os hádrons participam de interações fortes, fracas e gravitacionais, mas ocorrem em duas variedades - eletricamente carregadas e neutras. Entre os hádrons, o nêutron e o próton são os mais conhecidos e difundidos. Os hádrons restantes têm vida curta e decaem em menos de um milionésimo de segundo devido à interação fraca, ou muito mais rápido (da ordem de 10-23 s) devido à interação forte.

Na década de 1950, os físicos ficaram extremamente intrigados com a abundância e diversidade de hádrons. Mas, pouco a pouco, as partículas foram classificadas de acordo com três características importantes: massa, carga e spin. Gradualmente, os sinais de ordem começaram a aparecer e uma imagem clara começou a surgir. Havia indícios de que as simetrias estavam escondidas por trás do aparente caos dos dados. Um passo decisivo para desvendar o mistério dos hádrons foi dado em 1963, quando Murray Gell-Mann e George Zweig, do Instituto de Tecnologia da Califórnia, propuseram a teoria dos quarks.

Fig.10 Os hádrons são construídos a partir de quarks. O próton (topo) é composto de dois quarks u e um quark d. O píon mais leve (abaixo) é um méson que consiste em um u-quark e um d-antiquark. Outros hádrons são todos os tipos de combinações de quarks.

A ideia básica desta teoria é muito simples. Todos os hádrons são construídos a partir de partículas menores chamadas quarks. Os quarks podem combinar-se entre si de duas maneiras possíveis: em trigêmeos ou em pares quark-antiquark. Partículas comparativamente pesadas são compostas de três quarks - bárions, que significa "partículas pesadas". Os bárions mais conhecidos são o nêutron e o próton. Os pares quark-antiquark mais leves formam partículas chamadas mésons -"partículas intermediárias". A escolha de tal nome é explicada pelo fato de que os primeiros mésons descobertos ocupavam uma posição intermediária em massa entre elétrons e prótons. Para explicar todos os hádrons então conhecidos, Gell-Mann e Zweig introduziram três tipos diferentes ("sabores") de quarks, que receberam nomes bastante bizarros: e(a partir de acima- superior), d(a partir de baixa- inferior) e s (de estranho- estranho). Assumindo a possibilidade de várias combinações de sabores, a existência de um grande número de hádrons pode ser explicada. Por exemplo, um próton é formado por dois e- e um quark d (Fig. 10), e o nêutron é composto de dois quarks d e um quark u.

Para que a teoria proposta por Gell-Mann e Zweig seja válida, é necessário supor que os quarks carregam uma carga elétrica fracionária. Em outras palavras, eles têm uma carga, cujo valor é 1/3 ou 2/3 da unidade fundamental - a carga do elétron. Uma combinação de dois e três quarks pode ter uma carga total igual a zero ou um. Todos os quarks têm spin 1/2. então eles são férmions. As massas dos quarks não foram estabelecidas com tanta precisão quanto as massas de outras partículas, uma vez que sua energia de ligação em um hádron é comparável às massas dos próprios quarks. No entanto, o quark s é conhecido por ser mais pesado e- e d quarks.

Dentro dos hádrons, os quarks podem estar em estados excitados, em muitos aspectos semelhantes aos estados excitados de um átomo, mas com energias muito mais altas. O excesso de energia contido em um hádron excitado aumenta tanto sua massa que, antes da criação da teoria dos quarks, os físicos erroneamente tomavam hádrons excitados como partículas completamente diferentes. Agora foi estabelecido que muitos dos hádrons aparentemente diferentes são, na verdade, apenas estados excitados do mesmo conjunto fundamental de quarks.

Como já mencionado no Cap. 5, os quarks são mantidos juntos por uma forte interação. Mas eles também participam de interações fracas. A força fraca pode alterar o sabor de um quark. É assim que ocorre o decaimento de nêutrons. Um dos quarks d no nêutron se transforma em um quark u, e o excesso de carga carrega o elétron que nasce ao mesmo tempo. Da mesma forma, alterando o sabor, a interação fraca leva ao decaimento de outros hádrons.

A existência de quarks s é necessária para a construção das chamadas partículas "estranhas" - hádrons pesados, descobertos no início da década de 1950. O comportamento incomum dessas partículas, que deu origem ao seu nome, era que elas não podiam decair devido à forte interação, embora tanto elas mesmas quanto seus produtos de decaimento fossem hádrons. Os físicos têm se perguntado por que, se as partículas mãe e filha pertencem à família dos hádrons, a força forte não faz com que elas se decomponham. Por alguma razão, esses hádrons "preferiram" a interação fraca muito menos intensa. Por quê? A teoria dos quarks resolveu naturalmente esse enigma. A força forte não pode mudar o sabor dos quarks - apenas a força fraca pode. E sem alteração de sabor, acompanhada pela transformação do quark s em e- ou d-quark, o decaimento é impossível.

Na tabela. A Figura 2 mostra as várias combinações possíveis de quarks de três sabores e seus nomes (geralmente apenas uma letra grega). Numerosos estados excitados não são mostrados. O fato de que todos os hádrons conhecidos podem ser obtidos a partir de várias combinações das três partículas básicas simbolizou o principal triunfo da teoria dos quarks. Mas, apesar desse sucesso, foi apenas alguns anos depois que a evidência física direta da existência de quarks foi obtida.

Essas provas foram obtidas em 1969 em uma série de experimentos históricos realizados em um grande acelerador linear em Stanford (Califórnia, EUA) - SLAC. Os experimentadores de Stanford raciocinaram com simplicidade. Se realmente existem quarks no próton, então podem ser observadas colisões com essas partículas dentro do próton. Tudo o que é necessário é um "projétil" subnuclear que possa ser direcionado diretamente para as entranhas do próton. É inútil usar outro hádron para esse fim, pois ele tem as mesmas dimensões do próton. Um projétil ideal poderia ser um lépton, como um elétron. Como o elétron não participa da interação forte, ele não "ficará preso" no meio em que os quarks se formam. Ao mesmo tempo, o elétron pode sentir a presença de quarks devido à presença de uma carga elétrica sobre eles.

mesa 2

Os três sabores de quarks, u, d e s, correspondem às cargas +2/3, -1/3 e -1/3; eles se combinam em três para formar os oito bárions mostrados na tabela. Pares quark-antiquark formam mésons. (Algumas combinações, como sss, são omitidas.)

No experimento de Stanford, o acelerador de três quilômetros serviu essencialmente como um “microscópio” de elétrons gigante que possibilitou a imagem do interior de um próton. Um microscópio eletrônico convencional permite distinguir detalhes menores que um milionésimo de centímetro de tamanho. O próton, por outro lado, é várias dezenas de milhões de vezes menor, e só pode ser "sondado" por elétrons acelerados a uma energia de 2,1010 eV. Na época dos experimentos de Stanford, poucos físicos aderiram à teoria simplificada dos quarks. A maioria dos cientistas esperava que os elétrons fossem desviados pelas cargas elétricas dos prótons, mas supunha-se que a carga estava distribuída uniformemente dentro do próton. Se isso fosse verdade, então ocorreria principalmente uma dispersão fraca de elétrons, ou seja, ao passar pelos prótons, os elétrons não sofreriam fortes deflexões. O experimento mostrou que o padrão de espalhamento diferia bastante do esperado. Tudo aconteceu como se alguns elétrons estivessem atingindo pequenas inclusões duras e saltando delas nos ângulos mais incríveis. Agora sabemos que os quarks são inclusões tão duras dentro dos prótons.

Em 1974, uma versão simplificada da teoria dos quarks, que naquela época havia recebido reconhecimento entre os teóricos, recebeu um golpe sensível. Dentro de alguns dias, dois grupos de físicos americanos - um em Stanford liderado por Burton Richter, o outro no Laboratório Nacional de Brookhaven liderado por Samuel Ting - anunciaram independentemente a descoberta de um novo hádron, que foi chamado de partícula psi. Em si, a descoberta de um novo hádron dificilmente teria sido particularmente digna de nota, se não fosse por uma circunstância: o fato é que no esquema proposto pela teoria dos quarks não havia lugar para uma única nova partícula. Todas as combinações possíveis de quarks u, d e s e seus antiquarks já foram "usadas". Do que é feita uma partícula psi?

O problema foi resolvido recorrendo a uma ideia que estava no ar há algum tempo: deve haver uma quarta fragrância que ninguém nunca tinha visto antes. A nova fragrância já tinha um nome próprio - charm (charm), ou c. Foi sugerido que uma partícula psi é um méson consistindo de um c-quark e um c-antiquark (c), ou seja, cc. Como os antiquarks são portadores do antiaroma, o charme da partícula psi é neutralizado e, portanto, a confirmação experimental da existência de um novo sabor (charm) teve que esperar até que fosse possível detectar mésons, nos quais os quarks encantados eram emparelhados com anti-quarkamps de outros sabores. Uma série inteira de partículas encantadas é agora conhecida. Eles são todos muito pesados, então o quark charm é mais pesado que o quark estranho.

A situação descrita acima se repetiu em 1977, quando o chamado méson upsilon (UPSILON) entrou em cena. Desta vez, sem muita hesitação, o quinto sabor foi introduzido, chamado b-quark (de fundo - fundo e, mais frequentemente, beleza - beleza ou charme). O méson upsilon é um par quark-antiquark composto de quarks b e, portanto, tem uma beleza oculta; mas, como no caso anterior, uma combinação diferente de quarks finalmente tornou possível descobrir a "beleza".

As massas relativas dos quarks podem ser julgadas pelo menos pelo fato de que o mais leve dos mésons, o píon, consiste em pares e- e d-quarks com antiquarks. O méson psi é cerca de 27 vezes, e o méson upsilon é pelo menos 75 vezes mais pesado que o píon.

A expansão gradual da lista de sabores conhecidos ocorreu paralelamente ao aumento do número de léptons; então surgiu a pergunta óbvia se algum dia haveria um fim. Os quarks foram introduzidos para simplificar a descrição de toda a variedade de hádrons, mas mesmo agora há a sensação de que a lista de partículas está novamente crescendo rápido demais.

Desde a época de Demócrito, a ideia fundamental do atomismo tem sido o reconhecimento de que, em escala suficientemente pequena, devem existir partículas verdadeiramente elementares, cujas combinações compõem a matéria ao nosso redor. A atomística é atraente porque partículas fundamentais indivisíveis (por definição) devem existir em um número muito limitado. A diversidade da natureza se deve a um grande número não de partes constituintes, mas de suas combinações. Quando se descobriu que existem muitos núcleos atômicos diferentes, desapareceu a esperança de que o que hoje chamamos de átomos correspondesse à ideia dos antigos gregos das partículas elementares da matéria. E embora por tradição continuemos a falar sobre vários "elementos" químicos, sabe-se que os átomos não são elementares, mas consistem em prótons, nêutrons e elétrons. E assim que o número de quarks se torna muito grande, há a tentação de supor que eles também são sistemas complexos consistindo de partículas menores.

Embora por essa razão haja alguma insatisfação com o esquema dos quarks, a maioria dos físicos considera os quarks como partículas verdadeiramente elementares - pontuais, indivisíveis e sem estrutura interna. A esse respeito, elas se assemelham a peptonas, e há muito se sugere que deve haver uma relação profunda entre essas duas famílias distintas, mas estruturalmente semelhantes. Os fundamentos para tal ponto de vista surgem de uma comparação das propriedades de léptons e quarks (Tabela 3). Os léptons podem ser agrupados em pares associando cada lépton carregado a um neutrino correspondente. Quarks também podem ser agrupados em pares. Aba. 3 é projetado de tal forma que cada célula repete a estrutura localizada diretamente à sua frente. Por exemplo, na segunda célula, o múon é representado como um "elétron pesado", e o charme e os quarks estranhos são representados como variantes pesadas. e- e d quarks. Da próxima célula, você pode ver que o lépton tau é um "elétron" ainda mais pesado, e o quark b é uma versão pesada do quark d. Para uma analogia completa, mais um neutrino (tau-leptoniano) e um sexto sabor de quarks, que já recebeu o nome de verdadeiro (verdade, t). Na época em que escrevi este livro, a evidência experimental da existência de quarks t ainda não era suficientemente convincente, e alguns físicos duvidavam que os quarks t sequer existissem.

Tabela 3

Léptons e quarks formam pares naturalmente. como mostrado na tabela. O mundo ao nosso redor consiste nas primeiras quatro partículas. Mas os grupos seguintes, aparentemente, repetem o superior e consistem, na coroa de neutrinos, em partículas extremamente instáveis.

Pode haver um quarto, quinto, etc. vapores contendo partículas ainda mais pesadas? Nesse caso, a próxima geração de aceleradores provavelmente dará aos físicos a capacidade de detectar essas partículas. No entanto, uma consideração curiosa é expressa, da qual se segue que outros pares, exceto os três mencionados, não existem. Esta consideração é baseada no número de tipos de neutrinos. Logo saberemos que no momento do Big Bang, que marcou o surgimento do Universo, houve um intenso nascimento de neutrinos. Uma espécie de democracia garante a cada tipo de partículas a mesma parcela de energia que as demais; portanto, quanto mais tipos diferentes de neutrinos, mais energia está contida no mar de neutrinos que preenche o espaço sideral. Os cálculos mostram que, se houver mais de três variedades de neutrinos, a gravidade criada por todos eles teria um forte efeito perturbador nos processos nucleares que ocorreram nos primeiros minutos da vida do Universo. Portanto, dessas considerações indiretas segue uma conclusão muito plausível que os três pares mostrados na Tabela. 3, todos os quarks e léptons que existem na natureza estão esgotados.

É interessante notar que toda a matéria comum no Universo consiste em apenas dois léptons mais leves (um elétron e um neutrino do elétron) e dois quarks mais leves ( e e d). Se todos os outros léptons e quarks de repente deixassem de existir, então no mundo ao nosso redor, aparentemente, muito pouco mudaria.

É possível que os quarks e léptons mais pesados ​​desempenhem o papel de uma espécie de substituto para os quarks e léptons mais leves. Todos eles são instáveis ​​e rapidamente se desintegram em partículas localizadas na célula superior. Por exemplo, o lépton tau e o múon decaem em elétrons, enquanto as partículas estranhas, encantadoras e belas decaem rapidamente em nêutrons ou prótons (no caso de bárions) ou léptons (no caso de mésons). Surge a questão: para que todas essas partículas de segunda e terceira geração existem? Por que a natureza precisava deles?

Partículas - portadores de interações

Seis pares de léptons e quarks, que formam o material de construção da matéria, de forma alguma esgotam a lista de partículas conhecidas. Alguns deles, como o fóton, não estão incluídos no esquema de quarks. As partículas “deixadas ao mar” não são os “tijolos do universo”, mas formam uma espécie de “cola” que não permite que o mundo desmorone, ou seja, eles estão associados a quatro interações fundamentais.

Lembro-me de ouvir quando criança que a Lua faz com que os oceanos subam e desçam durante as marés diárias. Sempre foi um mistério para mim como o oceano sabe onde está a lua e segue seu movimento no céu. Quando aprendi sobre a gravidade já na escola, minha perplexidade só se intensificou. Como a lua, tendo superado um quarto de milhão de quilômetros de espaço vazio, consegue "alcançar" o oceano? A resposta padrão - a Lua cria um campo gravitacional neste espaço vazio, cuja ação atinge o oceano, colocando-o em movimento - certamente fazia algum sentido, mas ainda não me satisfez completamente. Afinal, não podemos ver o campo gravitacional da Lua. Talvez seja apenas isso que diz? Isso realmente explica alguma coisa? Sempre me pareceu que a lua deve, de alguma forma, dizer ao oceano onde está. Tem que haver algum tipo de troca de sinal acontecendo entre a lua e o oceano para que a água saiba para onde ir.

Com o tempo, descobriu-se que a ideia de uma força transmitida pelo espaço na forma de um sinal não está tão longe da abordagem moderna desse problema. Para entender como surge tal representação, é necessário considerar com mais detalhes a natureza do campo de força. Como exemplo, tomemos não as marés oceânicas, mas um fenômeno mais simples: dois elétrons se aproximam e, então, sob a influência da repulsão eletrostática, se separam em direções diferentes. Os físicos chamam esse processo de problema de dispersão. Claro, os elétrons não empurram literalmente uns aos outros. Eles interagem à distância, através do campo eletromagnético gerado por cada elétron.

Fig.11. Espalhamento de duas partículas carregadas. As trajetórias das partículas são curvadas à medida que se aproximam devido à ação da força de repulsão elétrica.

Não é difícil imaginar uma imagem do espalhamento de um elétron por um elétron. Inicialmente, os elétrons são separados por uma grande distância e afetam fracamente uns aos outros. Cada elétron se move quase em linha reta (Fig. 11). Então, à medida que as forças repulsivas entram em ação, as trajetórias dos elétrons começam a se curvar até que as partículas estejam o mais próximo possível; depois disso, as trajetórias divergem e os elétrons se espalham, novamente começando a se mover ao longo de trajetórias retilíneas, mas já divergentes. Esse tipo de modelo é fácil de demonstrar em laboratório usando bolas eletricamente carregadas em vez de elétrons. E novamente surge a pergunta: como a partícula "sabe" onde a outra partícula está e, consequentemente, muda seu movimento.

Embora a imagem das trajetórias curvas dos elétrons seja bastante ilustrativa, é completamente inadequada em vários aspectos. O fato é que os elétrons são partículas quânticas e seu comportamento obedece às leis específicas da física quântica. Em primeiro lugar, os elétrons não se movem no espaço ao longo de trajetórias bem definidas. Ainda podemos determinar de uma forma ou de outra os pontos inicial e final do caminho - antes e depois do espalhamento, mas o próprio caminho no intervalo entre o início e o fim do movimento permanece desconhecido e indefinido. Além disso, a ideia intuitiva de uma troca contínua de energia e momento entre o elétron e o campo, como se acelerasse o elétron, contradiz a existência de fótons. Energia e quantidade de movimento podem ser transferidas campo apenas em porções, ou quanta. Uma imagem mais precisa da perturbação introduzida pelo campo no movimento de um elétron pode ser obtida assumindo que o elétron, absorvendo um fóton do campo, experimenta, por assim dizer, um empurrão repentino. Portanto, no nível quântico, o ato de espalhamento de um elétron por um elétron pode ser representado como mostrado na Fig. 12. A linha ondulada que liga as trajetórias de dois elétrons corresponde a um fóton emitido por um elétron e absorvido por outro. Agora o ato de espalhamento aparece como uma mudança repentina na direção do movimento de cada elétron

Fig.12. Descrição quântica da dispersão de partículas carregadas. A interação das partículas se dá pela troca do portador de interação, ou fóton virtual (linha ondulada).

Diagramas desse tipo foram usados ​​pela primeira vez por Richard Feynman para representar visualmente os vários termos de uma equação e, inicialmente, tinham um significado puramente simbólico. Mas então os diagramas de Feynman começaram a ser usados ​​para representar esquematicamente as interações das partículas. Tais imagens, por assim dizer, complementam a intuição do físico, mas devem ser interpretadas com certo grau de cautela. Por exemplo, nunca há uma quebra acentuada na trajetória de um elétron. Como conhecemos apenas as posições inicial e final dos elétrons, não sabemos exatamente o momento em que o fóton é trocado, qual das partículas emite e qual absorve o fóton. Todos esses detalhes estão ocultos por um véu de incerteza quântica.

Apesar dessa ressalva, os diagramas de Feynman provaram ser um meio eficaz de descrever interações quânticas. O fóton trocado entre os elétrons pode ser visto como uma espécie de mensageiro de um dos elétrons, dizendo ao outro: "Estou aqui, então mexa-se!". Obviamente, todos os processos quânticos são de natureza probabilística, portanto, essa troca ocorre apenas com uma certa probabilidade. Pode acontecer que os elétrons troquem dois ou mais fótons (Fig. 13), embora isso seja menos provável.

É importante estar ciente de que não vemos fótons correndo de um elétron para outro. Os portadores de interação são um "assunto interno" de dois elétrons. Eles existem apenas para dizer aos elétrons como se mover e, embora carreguem energia e momento, as leis de conservação correspondentes da física clássica não se aplicam a eles. Os fótons, neste caso, podem ser comparados a uma bola trocada na quadra por jogadores de tênis. Assim como uma bola de tênis determina o comportamento dos jogadores de tênis em um playground, um fóton influencia o comportamento dos elétrons.

A descrição bem-sucedida da interação com a ajuda de uma partícula transportadora foi acompanhada por uma extensão do conceito de fóton: um fóton acaba sendo não apenas uma partícula de luz que vemos, mas também uma partícula fantasmagórica, que é " visto" apenas por partículas carregadas que sofrem espalhamento. Às vezes, os fótons que observamos são chamados real, e os fótons que carregam a interação são virtual, que é uma reminiscência de sua existência fugaz, quase fantasmagórica. A distinção entre fótons reais e virtuais é um tanto arbitrária, mas, no entanto, esses conceitos se tornaram difundidos.

A descrição da interação eletromagnética utilizando o conceito de fótons virtuais - seus portadores - em seu significado vai além de meras ilustrações de natureza quântica. Na verdade, estamos falando de uma teoria pensada nos mínimos detalhes e equipada com um aparato matemático perfeito, conhecido como eletrodinâmica quântica, QED abreviado. Quando o QED foi formulado pela primeira vez (isso aconteceu logo após a Segunda Guerra Mundial), os físicos tinham à sua disposição uma teoria que satisfaz os princípios básicos da teoria quântica e da relatividade. Esta é uma grande oportunidade para ver as manifestações conjuntas de dois aspectos importantes da nova física e. testá-los experimentalmente.

Teoricamente, a criação do QED foi uma conquista notável. Estudos anteriores da interação de fótons e elétrons tiveram sucesso muito limitado devido a dificuldades matemáticas. Mas assim que os teóricos aprenderam a calcular corretamente, todo o resto se encaixou. A QED propôs um procedimento para obter os resultados de qualquer processo arbitrariamente complexo envolvendo fótons e elétrons.

Fig.13. O espalhamento de elétrons é devido à troca de dois fótons virtuais. Tais processos constituem uma pequena correção para o processo principal representado na Fig. onze

Para testar até que ponto a teoria concorda com a realidade, os físicos se concentraram em dois efeitos de interesse particular. A primeira dizia respeito aos níveis de energia do átomo de hidrogênio, o átomo mais simples. A QED previu que os níveis deveriam ser ligeiramente deslocados da posição que ocupariam se não houvesse fótons virtuais. A teoria foi muito precisa em prever a magnitude dessa mudança. Um experimento para detectar e medir o deslocamento com extrema precisão foi realizado por Willis Lamb, da Universidade de PC. Arizona. Para a alegria de todos, os resultados dos cálculos combinaram perfeitamente com os dados experimentais.

O segundo teste decisivo do QED dizia respeito a uma correção extremamente pequena do próprio momento magnético do elétron. E, novamente, os resultados dos cálculos teóricos e do experimento coincidiram completamente. Os teóricos começaram a refinar os cálculos, os experimentadores - para melhorar os instrumentos. Mas, embora a precisão das previsões teóricas e dos resultados experimentais tenha sido continuamente aprimorada, a concordância entre QED e experimento permaneceu impecável. Atualmente, os resultados teóricos e experimentais ainda são consistentes dentro da precisão alcançada, o que significa uma correspondência de mais de nove casas decimais. Uma correspondência tão marcante dá o direito de considerar a QED como a mais perfeita das teorias existentes das ciências naturais.

Desnecessário dizer que, após um triunfo semelhante, o QED foi adotado como modelo para a descrição quântica das outras três interações fundamentais. Obviamente, os campos associados a outras interações devem corresponder a outras partículas transportadoras. Para descrever a gravidade foi introduzido gráviton, desempenhando o mesmo papel de um fóton. Durante a interação gravitacional de duas partículas, ocorre uma troca de grávitons entre elas. Essa interação pode ser visualizada usando diagramas semelhantes aos mostrados na Fig. 12 e 13. São os grávitons que transportam os sinais da Lua para os oceanos, após os quais eles sobem na maré alta e descem na maré baixa. Grávitons correndo entre a Terra e o Sol mantêm nosso planeta em órbita. Os grávitons nos prendem firmemente à Terra.

Como os fótons, os grávitons se movem na velocidade da luz, portanto, os grávitons são partículas com "massa de repouso zero". Mas é aqui que terminam as semelhanças entre grávitons e fótons. Enquanto um fóton tem um spin de 1, um gráviton tem um spin de 2.

Tabela 4

Partículas-portadoras de quatro interações fundamentais. A massa é expressa em unidades de massa de prótons.

Esta é uma distinção importante, porque determina a direção da força: na interação eletromagnética, partículas com cargas semelhantes, como os elétrons, repelem-se, e na interação gravitacional, todas as partículas são atraídas umas pelas outras.

Os grávitons podem ser reais e virtuais. Um gráviton real nada mais é do que um quantum de uma onda gravitacional, assim como um fóton real é um quantum de uma onda eletromagnética. Em princípio, grávitons reais podem ser "observados". Mas como a interação gravitacional é incrivelmente fraca, os grávitons não podem ser detectados diretamente. A interação dos grávitons com outras partículas quânticas é tão fraca que a probabilidade de espalhamento ou absorção de um gráviton, por exemplo, por um próton, é infinitesimal.

A ideia básica da troca de partículas transportadoras se estende a outras interações (Tabela 4) - fraca e forte. No entanto, existem diferenças importantes nos detalhes. Lembre-se de que a interação forte garante a ligação entre os quarks. Tal conexão pode ser criada por um campo de força semelhante ao eletromagnético, mas mais complexo. As forças elétricas levam à formação de um estado ligado de duas partículas com cargas de sinais opostos. No caso dos quarks, surgem estados ligados de três partículas, o que indica uma natureza mais complexa do campo de força, que corresponde a três tipos de "carga". Partículas - portadores de interação entre quarks, ligando-os em pares ou trigêmeos, são chamados glúons.

No caso de interação fraca, a situação é um pouco diferente. O raio dessa interação é extremamente pequeno. Portanto, os portadores da interação fraca devem ser partículas com grandes massas de repouso. A energia contida em tal massa deve ser "emprestada" de acordo com o princípio da incerteza de Heisenberg, que já foi discutido na pág. 50. Mas como a massa "emprestada" (e, portanto, a energia) é tão grande, o princípio da incerteza exige que o vencimento de tal empréstimo seja extremamente curto - apenas cerca de 10^-28s. Essas partículas de vida curta não têm tempo para se mover muito longe, e o raio de interação realizado por elas é muito pequeno.

Na verdade, existem dois tipos de portadores de interação fraca. Um deles é como um fóton em tudo, exceto na massa de repouso. Essas partículas são chamadas de partículas Z. Em essência, as partículas Z são um novo tipo de luz. Outro tipo de portadores de interação fracos, as partículas W, diferem das partículas Z pela presença de uma carga elétrica. Polegada. 7 discutimos com mais detalhes as propriedades das partículas Z e W, que foram descobertas apenas em 1983.

A classificação das partículas em quarks, léptons e portadores de força completa a lista de partículas subatômicas conhecidas. Cada uma dessas partículas desempenha um papel próprio, mas decisivo, na formação do Universo. Se não houvesse partículas transportadoras, não haveria interações, e cada partícula permaneceria ignorante de seus parceiros. Sistemas complexos não poderiam surgir, qualquer atividade seria impossível. Sem quarks, não haveria núcleos atômicos ou luz solar. Sem os léptons, os átomos não poderiam existir, as estruturas químicas e a própria vida não teriam surgido.

Quais são as tarefas da física de partículas elementares?

O influente jornal britânico The Guardian publicou certa vez um editorial questionando a sabedoria de desenvolver a física de partículas, um empreendimento caro que consome não apenas uma parcela significativa do orçamento nacional de ciência, mas também a maior parte das melhores mentes. "Os físicos sabem o que estão fazendo?", perguntou o Guardian. "Se souberem, de que adianta? Quem, além dos físicos, precisa de todas essas partículas?"

Alguns meses após esta publicação, tive a oportunidade de assistir a uma palestra em Baltimore de George Keworth, conselheiro científico presidencial dos EUA. Keyworth também se voltou para a física de partículas, mas sua palestra foi proferida em um tom completamente diferente. Os físicos americanos ficaram impressionados com o recente anúncio do CERN, o principal laboratório europeu de física de partículas elementares, sobre a descoberta de partículas W e Z fundamentais, que foram finalmente obtidas no grande acelerador de feixe de colisão próton-antipróton (colisor). Os americanos estão acostumados com o fato de que todas as descobertas sensacionais são feitas em seus laboratórios de física de alta energia. O fato de terem dado lugar à palmeira não é um sinal de declínio científico e até nacional?

Keyworth não tinha dúvidas de que para a prosperidade dos Estados Unidos em geral e da economia americana em particular, é necessário que o país ocupe a vanguarda da pesquisa científica. Os principais projetos de pesquisa fundamental, disse Keyworth, estão na vanguarda do progresso. Os Estados Unidos devem recuperar seu domínio na física de partículas,

Na mesma semana, circularam canais de informação sobre o projeto americano de um acelerador gigante projetado para conduzir uma nova geração de experimentos em física de partículas elementares. O custo principal foi de US$ 2 bilhões, tornando este acelerador a máquina mais cara já construída pelo homem. Este gigante do Tio Sam, em comparação com o qual até o novo acelerador de linha de energia do CERN parecerá um anão, é tão grande que todo o estado de Luxemburgo poderia caber dentro de seu anel! Ímãs supercondutores gigantes são projetados para criar campos magnéticos intensos que envolverão o feixe de partículas ao longo da câmara anular; é uma estrutura tão grande que o novo acelerador deve ser colocado no deserto. Eu gostaria de saber o que o editor do The Guardian pensa sobre isso.

Conhecido como o Superconducting Super Collider (SSC), mas mais comumente referido como o "dezertron" (do inglês. deserto- deserto. - Ed.), essa máquina monstruosa será capaz de acelerar prótons a energias aproximadamente 20 mil vezes maiores que a energia restante (massa). Esses números podem ser interpretados de diferentes maneiras. Na aceleração máxima, as partículas se moverão a uma velocidade de apenas 1 km/h menor que a velocidade da luz - a velocidade limite no universo. Os efeitos relativísticos são tão fortes que a massa de cada partícula é 20 mil vezes maior do que em repouso. No referencial associado a tal partícula, o tempo é alongado tanto que 1 s corresponde a 5,5 horas em nosso referencial. Cada quilômetro da câmara pela qual a partícula passa "parecerá" ser comprimido a apenas 5,0 cm.

Qual é a extrema necessidade que leva os Estados a gastar recursos tão enormes em fissão cada vez mais destrutiva do átomo? Existe algum uso prático em tal pesquisa?

Qualquer grande ciência, é claro, não é alheia ao espírito de luta pela prioridade nacional. Aqui, como na arte ou no esporte, é prazeroso ganhar prêmios e reconhecimento mundial. A física de partículas tornou-se uma espécie de símbolo do poder estatal. Se ele se desenvolver com sucesso e produzir resultados tangíveis, isso indica que a ciência, a tecnologia, bem como a economia do país como um todo, estão basicamente no nível adequado. Isso mantém a confiança na alta qualidade dos produtos de outras indústrias de tecnologia mais gerais. Criar um acelerador e todos os equipamentos relacionados requer um nível muito alto de profissionalismo. A valiosa experiência adquirida no desenvolvimento de novas tecnologias pode ter um efeito inesperado e benéfico em outras áreas de pesquisa científica. Por exemplo, a pesquisa e o desenvolvimento dos ímãs supercondutores necessários para o Desertron estão em andamento nos EUA há vinte anos. No entanto, eles não fornecem benefícios diretos e, portanto, são difíceis de avaliar. Existem resultados mais tangíveis?

Outro argumento às vezes é ouvido em apoio à pesquisa fundamental. A física está geralmente à frente da tecnologia por cerca de cinquenta anos. A aplicação prática desta ou daquela descoberta científica não é óbvia no início, mas apenas algumas das conquistas significativas da física fundamental não encontraram aplicações práticas ao longo do tempo. Lembre-se da teoria do eletromagnetismo de Maxwell: seu criador poderia ter previsto a criação e o sucesso das modernas telecomunicações e eletrônica? E as palavras de Rutherford de que é improvável que a energia nuclear encontre aplicação prática? É possível prever a que o desenvolvimento da física de partículas elementares pode levar, que novas forças e novos princípios serão descobertos que expandirão nossa compreensão do mundo ao nosso redor e nos darão poder sobre uma gama mais ampla de fenômenos físicos. E isso pode levar ao desenvolvimento de tecnologias não menos revolucionárias por natureza do que o rádio ou a energia nuclear.

A maioria dos ramos da ciência acabou encontrando alguma aplicação militar. A este respeito, a física de partículas elementares (ao contrário da física nuclear) até agora permaneceu intocada. Coincidentemente, a palestra de Keyworth coincidiu com o hype em torno do controverso projeto antimísseis do presidente Reagan, o chamado feixe de armas (este projeto faz parte de um programa chamado Iniciativa de Defesa Estratégica, SDI). A essência deste projeto é usar feixes de partículas de alta energia contra mísseis inimigos. Esta aplicação da física de partículas é verdadeiramente sinistra.

A opinião predominante é que a criação de tais dispositivos não é viável. A maioria dos cientistas que trabalham no campo da física de partículas elementares considera essas ideias absurdas e não naturais e se opõem fortemente à proposta do presidente. Depois de condenar os cientistas, Keyworth exortou-os a "pensar sobre o papel que podem desempenhar" no projeto de armas de feixe. Esse apelo de Keyworth aos físicos (por pura coincidência, é claro) seguiu suas palavras sobre o financiamento da física de altas energias.

É minha firme convicção que os físicos de alta energia não precisam justificar a necessidade de pesquisa fundamental referindo-se a aplicações (especialmente militares), analogias históricas ou promessas vagas de possíveis milagres técnicos. Os físicos conduzem esses estudos principalmente em nome de seu desejo indestrutível de descobrir como nosso mundo funciona, o desejo de entender a natureza com mais detalhes. A física de partículas é incomparável entre outras atividades humanas. Por dois milênios e meio, a humanidade procurou encontrar os "tijolos" originais do universo, e agora estamos próximos do objetivo final. Instalações gigantes nos ajudarão a penetrar no próprio coração da matéria e arrancar da natureza seus segredos mais íntimos. A humanidade pode esperar aplicações inesperadas de novas descobertas, tecnologias anteriormente desconhecidas, mas pode acontecer que a física de alta energia não dê nada para a prática. Mas, afinal, há pouco uso prático de uma majestosa catedral ou sala de concertos. A este respeito, não podemos deixar de recordar as palavras de Faraday, que certa vez comentou: "Para que serve um recém-nascido?" Os tipos de atividade humana longe da prática, que incluem a física de partículas elementares, servem como evidência da manifestação do espírito humano, sem o qual estaríamos condenados em nosso mundo excessivamente material e pragmático.

Elétrons subatômicos, partículas prótons e nêutrons

A primeira teoria atomística moderna foi apresentada por John Dalton. Ele sugeriu que cada elemento químico consiste em átomos que são iguais em tamanho e massa. Essas partículas foram consideradas indivisíveis e inalteradas no curso de uma reação química. Dalton atribuiu aos átomos de elementos como hidrogênio, oxigênio, nitrogênio e enxofre certos pesos relativos (mais precisamente, massas), e também deu a cada elemento um símbolo específico.

No entanto, no final do século XIX, foram feitas várias descobertas que mostraram que o átomo não é uma partícula indivisível, mas consiste em partículas subatômicas. A primeira dessas descobertas foi baseada no estudo dos raios emitidos por um eletrodo carregado negativamente. A existência desses raios catódicos foi demonstrada na década de 1870 em uma série de experimentos realizados por Crookes e Goldstein. Por exemplo, no experimento de Crookes com uma turbina, os raios catódicos giravam um pequeno impulsor em uma suspensão de vidro. Em 1895, Wilhelm Roentgen descobriu os raios X, mais tarde chamados de raios X. No ano seguinte, Antoine Henri Becquerel mostrou que um sal de urânio emite espontaneamente uma radiação invisível semelhante aos raios X; o fenômeno foi chamado de radioatividade. Roentgen e Becquerel receberam o Prêmio Nobel por suas pesquisas.

Elétron.

O elétron foi a primeira partícula subatômica a ser descoberta. Em 1874, J. J. Stoney sugeriu que a corrente elétrica é um fluxo de partículas carregadas negativamente, que ele chamou de elétrons em 1891. No entanto, a prioridade da descoberta do elétron é quase universalmente dada a J. J. Thomson, que determinou a carga específica e a massa relativa do elétron.

Joseph John Thomson, descobridor do elétron em 1897. Prêmio Nobel de Física em 1906. Seu filho, George Paget Thomson, por seus estudos da difração de elétrons passando por uma folha de ouro, confirmou a teoria de Louis de Broglie, segundo a qual elétrons livres se comportam tanto como ondas quanto como partículas. J. Paget Thomson, juntamente com K. Davisson, recebeu o Prêmio Nobel de Física em 1937 pela descoberta da difração de elétrons por cristais.

Arroz. 1.1. dispositivo Thomson, 1 - cátodo (-); 2 - ânodo (+) com furo; 3 - eletrodos secundários para desviar os raios catódicos; 4 - mancha rejeitada; 5 - ponto não rejeitado; 6 - tela luminescente.

R. E. Milliken.

R.S. Mulliken.

Às vezes, devido à semelhança de sobrenomes, Millikan é confundido com Mulliken. Ambos são ganhadores do Prêmio Nobel.

Robert Andrus Milliken é um físico americano que determinou a carga de um elétron em experimentos com gotículas de óleo. Nesse experimento, ele criou cargas elétricas nas menores gotículas de óleo, expondo-as a raios-x. As gotículas se estabeleceram lentamente no espaço entre as duas placas horizontais do condensador. A massa de uma gota individual pode ser determinada medindo sua taxa de queda. Em seguida, as placas do capacitor foram carregadas, e isso levou a uma mudança na taxa de queda das gotículas carregadas. Medir a velocidade das gotículas permitiu que Millikan calculasse as cargas nelas. Embora as cargas nas gotículas não fossem as mesmas, descobriu-se que todas eram múltiplas de algum valor, que é a carga do elétron. Millikan recebeu o Prêmio Nobel de Física em 1923.

Robert Sanderson Mulliken - químico e físico americano, premiado com o Prêmio Nobel de Química em 1966 por estudos teóricos da natureza da ligação química e estrutura molecular. Na década de 1920, ele aplicou a mecânica quântica à descrição teórica da ligação química e à interpretação dos espectros moleculares. Em particular, ele introduziu a ideia de orbitais moleculares e mostrou que os elétrons podem ser deslocalizados em ligações descritas por orbitais moleculares (ver Cap. 2).

Thomson descobriu o elétron como resultado de pesquisas com raios catódicos. Uma representação esquemática do tubo de descarga, que ele usou para produzir raios catódicos, é mostrada na fig. 1.1. Tendo criado baixa pressão e alta tensão (1500 V e mais) no tubo de descarga, Thomson obteve raios catódicos, que formaram um ponto claramente visível na tela luminescente. Este ponto pode ser desviado para o lado por meio de um campo elétrico criado pelos eletrodos secundários. O ponto também foi desviado para o lado sob a ação de um campo magnético direcionado perpendicularmente ao campo elétrico (isso não é mostrado na figura). Essas observações levaram Thomson à conclusão de que os raios catódicos são um fluxo de partículas carregadas negativamente chamadas elétrons. Ao medir a força dos campos magnéticos e elétricos e os correspondentes

Arroz. 1.2. Raios do canal descobertos por Goldstein. 1 - ânodo (+); 2 - cátodo (-) com furos; 3 - eletrodo secundário para desviar os feixes do canal.

desvios pontuais. Thomson foi capaz de calcular a razão carga-massa para essas partículas. Ele descobriu que independentemente do gás usado para encher o tubo de descarga, o valor permanecia o mesmo. Com base nisso, Thomson concluiu que os átomos de todos os elementos contêm elétrons.

Em 1909 R. E. Millikan, conduzindo seus famosos experimentos com gotículas de óleo, determinou a carga do elétron. Em combinação com o valor da razão encontrado por Thomson, isso possibilitou o cálculo da massa do elétron. Os valores atualmente aceitos dessas quantidades são

Próton.

O segundo a descobrir as partículas subatômicas foi o próton. Em 1886, Goldstein observou raios carregados positivamente emitidos por um cátodo perfurado. Ele os chamou de raios do canal (Fig. 1.2).

Em 1899, Rutherford descobriu a radioatividade e a radiação. Na mesma época, Thomson propôs seu próprio modelo da estrutura do átomo, o que torna possível explicar a presença de partes carregadas negativa e positivamente no átomo (o modelo "pudim de ameixas", veja abaixo).

Ernest Rutherford.

Ernest Rutherford nasceu na Nova Zelândia em 30 de agosto de 1871. Aos 27 anos, tornou-se professor de física na Universidade McGill em Montreal, Canadá, e logo se tornou um dos principais especialistas no campo de pesquisa de radioatividade em rápido desenvolvimento. Ele descobriu vários elementos radioativos e estabeleceu a presença de dois tipos de radiação radioativa: e -radiação. Junto com Frederick Soddy, ele descobriu que a radioatividade tem uma certa meia-vida. Em 1907, Rutherford mudou-se para a Inglaterra, onde na Universidade de Manchester em 1909, juntamente com Hans Geiger, provou mais uma vez que as partículas - são íons de hélio duplamente carregados. Em 1908, Rutherford recebeu o Prêmio Nobel pela pesquisa em radioatividade. Em 1910, junto com Geiger e Marsden, ele descobriu que as partículas que passam por uma fina folha de metal se desviam de sua direção original de movimento. Essa descoberta levou Rutherford, em 1911, à criação de um novo modelo planetário da estrutura do átomo. Em 1914 ele sugeriu a existência do próton, e em 1920 ele previu a existência do nêutron. Por méritos científicos em 1914, Rutherford, de acordo com o costume inglês, foi elevado ao título de cavaleiro e, em 1921, recebeu a Ordem do Mérito. De 1915 a 1930 foi presidente da Royal Society of London, e em 1931 recebeu um título de nobreza. Oi morreu em 19 de outubro de 1937. Rutherford é, sem dúvida, um dos cientistas mais destacados do século XX.

Arroz. 1.3. Experiência Geiger e Marsden. a - espalhamento de partículas a após passar por uma folha de folha de ouro fina. A maioria das partículas passa pela folha sem deflexão, mas algumas partículas ricocheteiam de volta para a fonte; b - de acordo com a suposição de Rutherford, as partículas que ricocheteiam sofrem uma colisão com o núcleo de um átomo por seu núcleo. Essa observação levou Rutherford a apresentar um novo modelo da estrutura do átomo.

Em 1909, Rutherford mostrou que a radiação que ele havia descoberto anteriormente era devido a átomos de hélio carregados positivamente. No entanto, o estabelecimento da verdadeira natureza dessas partículas positivas ocorreu apenas em 1914, após o famoso experimento de Geiger e Marsden.

Hans Geiger e Ernest Marsden foram alunos de Rutherford. Em 1910, eles realizaram experimentos nos quais bombardearam finas folhas de ouro com um feixe de partículas a (Fig. 1.3). Algumas partículas a passaram pela folha sem deflexão (linha A), enquanto outras se desviaram de sua direção original (linha B). Para surpresa de todos, aproximadamente 1 em 20.000 partículas foram desviadas para trás (linha C). “Foi quase tão incrível”, disse Rutherford mais tarde, “como se você disparasse um projétil de 15 polegadas em um pedaço de papel de seda e o projétil ricocheteasse de volta e o atingisse”. A partir desta experiência, concluiu-se que no centro do átomo há um núcleo muito pequeno carregado positivamente, cercado por elétrons de luz carregados negativamente relativamente distantes.

Rutherford então previu a existência do próton e mostrou que sua massa deve ser mais de 1800 vezes a massa do elétron.

Nêutron.

A existência do nêutron foi prevista por Rutherford em 1920 para explicar a diferença entre massa atômica e número atômico (veja abaixo). O nêutron foi descoberto experimentalmente em 1932 por J. Chadwick enquanto estudava os resultados

bombardeamento de berílio por partículas a. Ao mesmo tempo, o berílio emitia partículas com alto poder de penetração, que não se desviavam em campos elétricos e magnéticos. Como essas partículas eram neutras, eram chamadas de nêutrons.

Paradoxos do mundo subatômico

Vamos resumir alguns resultados, delineando claramente todos os paradoxos do mundo subatômico que conhecemos.

1. No nível de um átomo, um núcleo e uma partícula elementar, a matéria tem um aspecto dual, que em uma situação se manifesta como partículas e em outra - como ondas. Além disso, a partícula tem uma localização mais ou menos definida e a onda se propaga em todas as direções do espaço.

2. A natureza dual da matéria determina o “efeito quântico”, que consiste no fato de que uma partícula localizada em um volume limitado de espaço começa a se mover intensamente, e quanto mais significativa a restrição, maior a velocidade. O resultado de um típico "efeito quântico" é a dureza da matéria, a identidade dos átomos de um elemento químico e sua alta estabilidade mecânica.

Como as limitações do volume de um átomo, e ainda mais do núcleo, são muito significativas, as velocidades de movimento das partículas são extremamente altas. Para estudar o mundo subatômico, é preciso usar a física relativista.

3. Um átomo não é como um pequeno sistema planetário. Não são partículas – elétrons – que giram em torno do núcleo, mas ondas probabilísticas, e um elétron pode se mover de órbita em órbita, absorvendo ou emitindo energia na forma de um fóton.

4. No nível subatômico, não existem objetos materiais sólidos da física clássica, mas modelos probabilísticos de ondas, que refletem a probabilidade da existência de relacionamentos.

5. As partículas elementares não são elementares, mas extremamente complexas.

6. Todas as partículas elementares conhecidas têm suas próprias antipartículas. Pares de partículas e antipartículas são formados quando há energia suficiente e são convertidos em energia pura pelo processo inverso de aniquilação.

7. Nas colisões, as partículas são capazes de passar umas para as outras: por exemplo, na colisão de um próton e um nêutron, nasce um pi-meson, etc.

8. Nenhum experimento pode levar simultaneamente a uma medição precisa de variáveis ​​dinâmicas: por exemplo, a incerteza da posição de um evento no tempo acaba por estar relacionada com a incerteza da quantidade de energia da mesma forma que a incerteza da A posição espacial de uma partícula está relacionada com a incerteza de seu momento.

9. A massa é uma forma de energia; como a energia é uma quantidade dinâmica associada a um processo, a partícula é percebida como um processo dinâmico usando energia, que se manifesta como a massa da partícula.

10. As partículas subatômicas são divisíveis e indivisíveis. Durante a colisão, a energia de duas partículas é redistribuída e as mesmas partículas são formadas. E se a energia for alta o suficiente, além das mesmas que as originais, novas partículas podem ser formadas.

11. As forças de atração e repulsão mútua entre partículas são capazes de se transformar nas mesmas partículas.

12. O mundo das partículas não pode ser decomposto nos menores componentes independentes uns dos outros; partícula não pode ser isolada.

13. Dentro do átomo, a matéria não existe em certos lugares, mas "pode ​​existir"; fenômenos atômicos não acontecem em certos lugares e de certa maneira com certeza, mas sim "podem acontecer".

14. O resultado do experimento é influenciado pelo sistema de preparação e medição, cujo elo final é o observador. As propriedades de um objeto importam apenas no contexto da interação do objeto com o observador, pois o observador decide como realizará as medições e, dependendo de sua decisão, recebe uma característica da propriedade do objeto observado.

15. No mundo subatômico, existem conexões não locais.

Parece que existem complexidades e confusão suficientes no mundo subatômico subjacente ao macrocosmo. Mas não! Isso não é tudo.

A realidade que foi descoberta como resultado do estudo do mundo subatômico revelou a unidade de conceitos que até agora pareciam opostos e até inconciliáveis. Não só as partículas são simultaneamente divisíveis e indivisíveis, a matéria é tanto descontínua como contínua, a energia transforma-se em partículas e vice-versa, etc., a física relativista até unificou os conceitos de espaço e tempo. É esta unidade fundamental que existe em uma dimensão superior (espaço-tempo quadridimensional) que é a base para a unificação de todos os conceitos opostos.

A introdução do conceito de ondas de probabilidade, que de certa forma resolveu o paradoxo “partícula-onda”, movendo-o para um contexto completamente novo, levou ao surgimento de um novo par de oposições muito mais globais: existência e inexistência(1). A realidade atômica também está além dessa oposição.

Talvez essa oposição seja a mais difícil para a percepção da nossa consciência. Na física, podem ser construídos modelos concretos que mostram a transição do estado de partículas para o estado de ondas e vice-versa. Mas nenhum modelo pode explicar a transição da existência para a inexistência. Nenhum processo físico pode ser usado para explicar a transição de um estado chamado partícula virtual para um estado de repouso no vácuo, onde esses objetos desaparecem.

Não podemos dizer que uma partícula atômica existe em um ponto ou outro, e não podemos dizer que ela não existe. Sendo um esquema probabilístico, uma partícula pode existir (simultaneamente!) em diferentes pontos e representar um tipo estranho de realidade física, algo entre existência e não-existência. Portanto, não podemos descrever o estado de uma partícula em termos de conceitos opostos fixos (preto-branco, mais-menos, frio-quente, etc.). A partícula não está localizada em um determinado ponto e não está ausente ali. Ela não se move ou descansa. Apenas o padrão provável muda, ou seja, a tendência da partícula de estar em determinados pontos.

Este paradoxo foi expresso com mais precisão por Robert Oppenheimer quando disse: “Se perguntarmos, por exemplo, se a localização de um elétron é constante, devemos dizer “não”, se perguntarmos se a localização de um elétron muda ao longo do tempo, devemos dizer “não”, se perguntarmos se o elétron está imóvel, devemos dizer não, se perguntarmos se está em movimento, devemos dizer não. É melhor não dizer!

Não é por acaso que W. Heisenberg admitiu: “Lembro-me de inúmeras disputas com Deus até tarde da noite, culminando no reconhecimento de nosso desamparo; quando, depois de uma discussão, saí para passear em um parque próximo, me fiz repetidas vezes a mesma pergunta: “Pode haver tanto absurdo na natureza quanto vemos nos resultados dos experimentos atômicos?”

Tais pares de conceitos opostos como força e matéria, partícula e onda, movimento e repouso, existência e não-existência, unidos em uma unidade simultânea, representam hoje a posição mais difícil de entender da teoria quântica. É difícil prever que outros paradoxos que virarão todas as nossas ideias de cabeça para baixo, a ciência enfrentará.

mundo furioso . Mas isso não é tudo. A capacidade das partículas de responder à compressão aumentando a velocidade do movimento fala da mobilidade fundamental da matéria, que se torna aparente quando se aprofunda no mundo subatômico. Neste mundo, a maioria das partículas está acorrentada a estruturas moleculares, atômicas e nucleares, e todas elas não estão em repouso, mas em estado de movimento caótico; eles são móveis por natureza. A teoria quântica mostra que a matéria está em constante movimento, nunca permanecendo em repouso por um momento.

Por exemplo, pegando um pedaço de ferro em nossas mãos, não ouvimos nem sentimos esse movimento; ele, ferro, parece-nos imóvel e passivo. Mas se olharmos para este pedaço de ferro "morto" sob um microscópio muito poderoso, que nos permitirá ver tudo o que está acontecendo no átomo, veremos algo completamente diferente. Vamos relembrar o modelo de um átomo de ferro, no qual vinte e seis elétrons giram em torno de um núcleo composto por vinte e seis prótons e trinta nêutrons. O rápido turbilhão de vinte e seis elétrons ao redor do núcleo é como um enxame caótico e em constante mudança de insetos. É incrível como esses elétrons girando descontroladamente não colidem uns com os outros. Parece que cada um tem um mecanismo interno, garantindo vigilantemente que eles não colidirão.

E se olharmos para o núcleo, veremos prótons e nêutrons dançando em um ritmo frenético de lambada, com dançarinos se alternando e casais trocando de parceiros. Em uma palavra, no metal "morto", no sentido literal e figurado, reina um movimento tão diverso de prótons, nêutrons e elétrons, que é simplesmente impossível de imaginar.

Este mundo de múltiplas camadas e furioso é composto de átomos e partículas subatômicas que se movem em várias órbitas em velocidade selvagem, "dançando" a maravilhosa dança da vida com a música que alguém compôs. Mas afinal, todos os objetos materiais que vemos ao nosso redor consistem em átomos interligados por ligações intramoleculares de vários tipos e, assim, formando moléculas. Apenas os elétrons em uma molécula se movem não ao redor de cada núcleo atômico, mas ao redor de um grupo de átomos. E essas moléculas também estão em constante movimento oscilatório caótico, cuja natureza depende das condições térmicas ao redor dos átomos.

Em uma palavra, no ritmo do mundo subatômico e atômico, o movimento e a mudança incessante reinam supremos. Mas todas as mudanças não são acidentais e nem arbitrárias. Eles seguem padrões muito claros e distintos: todas as partículas de um tipo ou de outro são absolutamente idênticas em massa, carga elétrica e outros indicadores característicos; todas as partículas carregadas têm uma carga elétrica, que é igual à carga do elétron, ou de sinal oposto, ou superior a duas vezes; e outras características das partículas podem assumir não quaisquer valores arbitrários, mas apenas um número limitado deles, o que permite aos cientistas dividir as partículas em vários grupos, que também podem ser chamados de "famílias" (24).

As perguntas surgem involuntariamente: quem compôs a música para a incrível dança das partículas subatômicas, quem montou o programa de informação e ensinou os casais a dançar, em que ponto essa dança começou? Em outras palavras: como a matéria é formada, quem a criou, quando aconteceu? Estas são as perguntas para as quais a ciência está procurando respostas.

Infelizmente, nossa visão de mundo é limitada e aproximada. Nossa compreensão limitada da natureza leva ao desenvolvimento de "leis da natureza" limitadas que nos permitem descrever um grande número de fenômenos, mas as leis mais importantes do universo que afetam a visão de mundo humana ainda são amplamente desconhecidas para nós.

“A atitude da maioria dos físicos lembra a visão de mundo de um esquizofrênico”, diz o físico quântico Fritz Rohrlich, da Syracuse University. Por um lado, eles aceitam a interpretação padrão da teoria quântica. Por outro lado, eles insistem na realidade dos sistemas quânticos, mesmo que sejam fundamentalmente inobserváveis”.

Uma posição realmente estranha que pode ser expressa assim: "Não vou pensar nisso, mesmo sabendo que é verdade". Essa posição impede que muitos físicos considerem as consequências lógicas das mais surpreendentes descobertas da física quântica. Como David Mermin, da Universidade de Cornell, aponta, os físicos se dividem em três categorias: primeiro, a pequena minoria que é assombrada pelas implicações lógicas que vêm à mente; o segundo é um grupo que evita o problema com a ajuda de muitas considerações e argumentos, na maioria insustentáveis; e, por fim, a terceira categoria - aqueles que não têm considerações, mas não se importam. “Esta posição é, obviamente, a mais confortável”, observa Mermin (1).

No entanto, os cientistas estão cientes de que todas as suas teorias que descrevem fenômenos naturais, incluindo a descrição de "leis", são um produto da consciência humana, consequências da estrutura conceitual de nossa imagem do mundo, e não propriedades da própria realidade. Todos os modelos e teorias científicas são apenas aproximações do verdadeiro estado das coisas. Nenhum deles pode reivindicar ser a verdade suprema. A inconclusividade das teorias se manifesta principalmente no uso das chamadas "constantes fundamentais", ou seja, quantidades cujos valores não são derivados das teorias correspondentes, mas são determinados empiricamente. A teoria quântica não pode explicar por que um elétron tem tal massa e tal carga elétrica, e a teoria da relatividade não pode explicar exatamente tal valor da velocidade da luz.

É claro que a ciência nunca será capaz de criar uma teoria ideal que explique tudo, mas deve se esforçar constantemente para isso, mesmo que seja um marco inatingível. Pois quanto mais alta for a barra, sobre a qual o saltador deve saltar, maior será a altura que ele alcançará, mesmo que não estabeleça um recorde. E os cientistas, como um saltador em treinamento, constantemente elevam a fasquia, desenvolvendo consistentemente teorias parciais e aproximadas separadas, cada uma das quais é mais precisa que a anterior.

Hoje, a ciência já tem uma série de teorias e modelos particulares que descrevem com bastante sucesso alguns aspectos da realidade quântica das ondas que nos excitam. De acordo com muitos cientistas, as teorias mais promissoras - o fulcro para o desenvolvimento da física teórica baseada na consciência, são a hipótese "bootstrap" de Jeffrey Chu, a teoria de David Bohm e a teoria dos campos de torção. E o trabalho experimental único de cientistas russos sob a orientação do acadêmico V.P. Kaznacheev confirma amplamente a correção das abordagens no estudo do Universo e da Consciência, que estão incorporadas nessas hipóteses e teorias.

Do livro Ensino Hiperbóreo o autor Tatishchev B Yu

2. 1. Paradoxos da Rússia moderna. Os tempos mudaram. O atual "democrata" para continuar o roubo da Rússia e seu povo tem que fazer alguns esforços para "estabilizar a economia". E os "patriotas - soberanos" há muito passaram todos os termos que lhes foram atribuídos para

Do livro Fenômenos de outros mundos autor Kulsky Alexander

Capítulo 11. PARADOXOS QUE NUNCA EXISTIRAM Uma das pedras angulares, pedras fundamentais subjacentes à física e à filosofia tradicionais, é o princípio da causalidade. Isto é, a unidirecionalidade "de ferro" na relação de causa e efeito. Primeiro, portanto,

Do livro Fundamentos da Física do Espírito autor Sklyarov Andrey Yurievich

Capítulo 6 “Tudo está vivo, mas condicionalmente consideramos apenas o que parece forte o suficiente para estar vivo.” K. Tsiolkovsky No macrocosmo material, como se sabe, a matéria (como um

Do livro O Último Testamento de Don Juan: Magia Tolteca e Espiritualidade Esotérica autor Kapten (Omkarov) Yuri (Arthur) Leonardovich

6. PARADOXOS DA SAÚDE A PARTIR DA POSIÇÃO DA MAGIA E DA ESPIRITUALIDADE Embora muitos aspectos da magia da autocura já tenham sido observados acima, e eu tive que repeti-lo mais de uma vez, faz sentido sistematizar e reunir os pontos associados ganhar saúde duradoura através

Do livro UFO: Visitantes da Eternidade autor Komissarov Vitaly Sergeevich

Paradoxos do conhecimento antigo "... Em nossas visões enraizadas sobre o passado, o ancestral neolítico sempre foi apresentado na forma de uma criança peluda perseguindo um mamute. Mas descobertas inesperadas caíram uma após a outra..." Quem eram nossos ancestrais? Esta pergunta parecia ter sido há muito tempo

Do livro A Natureza do Tempo: Uma Hipótese sobre a Origem e Essência Física do Tempo autor Praia Anatoly Makarovich

3.3. Enigmas e paradoxos do tempo As dúvidas sobre incluir ou não esta seção no presente trabalho não me deixaram até o último minuto. Por um lado, gostaria de tentar explicar alguns dos mistérios do tempo e dos fenômenos da parapsicologia, mas, por outro, este

Do livro Vida sem Fronteiras. lei moral autor

3.3.1. Paradoxos físicos do tempo “No verão de 1912... os jornais da Grã-Bretanha descreveram uma história misteriosa que aconteceu em um trem expresso de Londres a Glasgow. Testemunhas do incidente em um dos carros eram dois passageiros desconhecidos um do outro -

Do livro Ensino da Vida autor Roerich Elena Ivanovna

Do livro Livro 3. Caminhos. Estradas. Encontros autor Sidorov Georgy Alekseevich

Do livro Ensino da Vida autor Roerich Elena Ivanovna

Do livro A Arte de Administrar o Mundo autor Vinogrodsky Bronislav Bronislavovich

[Símbolo da Mãe do Mundo escondendo Seu Rosto do mundo] Deixe-me lembrá-los que a Mãe do Mundo escondeu Seu Rosto da humanidade também por razões cósmicas. Pois quando Lúcifer decidiu humilhar uma mulher para tomar o poder sobre a humanidade, as condições cósmicas favoreceram tal

Do livro Vida sem Fronteiras. Lei Moral autor Zhikarentsev Vladimir Vasilievich

Gerenciando Paradoxos da Consciência dos Estados Assim que há um desejo de melhorar a condição de alguém, isso significa que ocorreu a deterioração. Assim que você vai melhorar a si mesmo, significa que você descobriu novas imperfeições, a intenção nasce onde ela é encontrada

Do livro Como os sonhos e a caligrafia ajudarão a corrigir os erros do passado por Antis Jack

Gestão do estado Paradoxos dos grandes Os princípios do desenvolvimento da consciência podem ser expressos em definições estáveis: O estado interno de clareza na compreensão da perfeição pode manifestar-se externamente como escuridão do mal-entendido. O estado interno de progresso ao longo do caminho da perfeição

Do livro O Código da Imortalidade. Verdades e mitos sobre a vida eterna autor Prokopenko Igor Stanislavovich

Paradoxos da vida russa Leis e lógica não funcionam na Rússia, porque a lei principal em nosso país é o coração, o centro onde todos os opostos convergem. O coração julga o mundo, as pessoas e os fenômenos, com base na unidade do mundo e das coisas, portanto não há leis para isso,

Do livro do autor

Capítulo 14 Sonhos que nos acordam (ou sonhos-paradoxos) PROFÉTICOS, ou preditivos, sonhos, na maioria das vezes distinguimos por cores brilhantes e nitidez de sensações. Mas o mesmo vale para a PARADOXALIDADE de um enredo ou de uma imagem... Voltemos à nossa Alice. Vou pegar imagens paradoxalmente relacionadas fora de contexto

Do livro do autor

Capítulo 3. Os paradoxos da longevidade No verão de 2013, os cientistas fizeram uma previsão sensacional: literalmente em 10 anos, a expectativa de vida média de uma pessoa pode dobrar e, a longo prazo, é possível derrotar o envelhecimento e depois a morte . Cientistas alemães de Kiel

A física subatômica é extremamente popular. Para pesquisas nessa direção, os cientistas geralmente recebem o Prêmio Nobel. Neutrinos são incrivelmente populares. Quatro prêmios foram dados para esta partícula. 1988 marcou a descoberta do neutrino do múon. Em 1995, Fred Reiners recebeu o prêmio por registrar neutrinos. Em 2002, Ray Davis e Masatoshi Koshiba mediram quantos neutrinos o Sol envia para a Terra. Este ano, Takaaki Kajita e Arthur McDonald dividiram o prêmio por demonstrar como os neutrinos podem mudar de uma forma para outra.

Wolfgang Pauli, que previu o neutrino, também recebeu o Prêmio Nobel, mas por uma descoberta diferente em física de partículas. Talvez tivesse recebido outro para o neutrino, mas publicou sua descoberta em forma de carta a uma conferência de físicos, à qual não compareceu.

No entanto, a partícula subatômica mais popular não é a única surpresa do microcosmo. Há uma dúzia de descobertas diferentes que podem ser chamadas de impressionantes.

10. A existência de partículas subatômicas

Ao longo do século 19, a própria existência dos átomos foi questionada, graças ao sucesso da teoria atômica em química, expressa pelo professor inglês John Dalton. Antes dele, os átomos eram um conceito filosófico abstrato que era usado em discussões sobre a natureza finita da matéria, mas era considerado fora da pesquisa experimental. Muitos físicos, em geral, consideravam os átomos uma ficção, conveniente para explicar esses experimentos, mas irreal.

Os dados se acumulavam e era preciso reconhecer que, se os átomos não existissem, deveria haver algum tipo de estrutura indivisível semelhante a eles. A pedra que confirmava a existência dos átomos era a repetição das propriedades dos elementos no sistema periódico de Mendeleev. Em 1897, Thomson anunciou a descoberta da primeira partícula elementar, o elétron, que refutou completamente a indivisibilidade dos átomos.

9. Núcleo atômico

Antes que os físicos tivessem tempo de aceitar a ideia de que os átomos existem, eles tiveram que começar a tolerar o fato de que eles são feitos de partes individuais. Thompson sugeriu que os elétrons negativos flutuam como cerejas em um pudim carregado positivamente. Mas quando Ernest Rutherford e seus assistentes conseguiram disparar uma fina folha de ouro com partículas alfa, alguns dos "cartuchos" voltaram. Isso surpreendeu Rutherford, que disse que seria comparável a atirar em papel de seda, no qual projéteis de artilharia voavam de volta. O cientista sugeriu que dentro do átomo há uma pequena bola, hoje chamamos de núcleos.

8. Nêutrons

Na década de 1930, os físicos sabiam da existência de duas partículas subatômicas, o próton e o elétron, e pareciam explicar tudo, exceto um, por que prótons carregados positivamente não se separam. Em 1920, Rutherford sugeriu que eles eram mantidos juntos por outra partícula no núcleo, o nêutron. Em 1932, James Chadwick descobriu a partícula neutra. O número de partículas elementares crescia constantemente.

A descoberta do nêutron foi uma grande surpresa para os físicos. Quando Rutherford apresentou a ideia da existência de um nêutron, poucas pessoas acreditaram nele, talvez apenas Chadwick.

7 partículas subatômicas são na verdade ondas

Essa surpresa está ligada a uma história bastante cômica. Em 1906, Thomson recebeu o Prêmio Nobel por provar experimentalmente a existência de uma partícula subatômica, o elétron. Em 1973, seu filho George também recebeu este prêmio porque conseguiu demonstrar que um elétron é uma onda, pelo menos às vezes. Essa dualidade onda-partícula está no centro da física quântica.

6. Detecção de neutrinos

Em 1934, Bethe e Rudolf Peierls provaram que o neutrino interage fracamente com a matéria, e seria tolice tentar detectar um sequer. Você precisa de um reservatório de matéria sólida com um diâmetro de 1000 anos-luz. Mas o decaimento atômico foi imediatamente descoberto e os reatores nucleares foram inventados. Os físicos obtiveram uma fonte prolífica de neutrinos.

5. As partículas elementares acabaram por não ser tão elementares

Já em 1950, muitas partículas subatômicas foram descobertas, não apenas o átomo indivisível se tornou divisível, mas o número de suas partículas ultrapassou cinquenta. Um dos ganhadores do Prêmio Nobel, Leon Laderman, chegou a brincar que se tivesse que aprender os nomes de todas as partículas subatômicas, ele se tornaria um botânico. Os físicos começaram a suspeitar que as partículas elementares têm seus próprios detalhes.

4. Quarks

Em 1950, os físicos aprenderam sobre partículas subatômicas, que não fazem parte dos átomos. Em 1960, surgiu a ideia de que as partículas elementares consistem em pequenos tijolos com carga fracionária. Murray Gell-Mann chamou essas partículas de quarks, a ideia era inovadora, pois antes disso acreditava-se que cargas fracionárias não faziam sentido. Alguns anos depois, outra surpresa dos experimentadores - eles conseguiram confirmar a existência de quarks.

3. Quebra de simetria

Muito antes da explosão das descobertas de partículas subatômicas, o respeitado matemático Hermann Weyl apontou que a natureza nada sabe sobre paridade. Não pode haver dúvida de que todas as leis da natureza são invariáveis ​​sob o rearranjo direito e esquerdo. Mas em 1956, Chen Ning Yang e Tsung-Dao Li propuseram a ideia de que a regra da simetria esquerda-direita não funcionava em alguns casos quando se tratava de partículas subatômicas. Foi uma sensação, especialmente quando as confirmações dos experimentadores apareceram.

2. Estabilidade de prótons

Fora do núcleo atômico, os nêutrons são extremamente instáveis ​​e decaem em poucos minutos em um próton, um elétron e um antineutrino. Mas parece que o próton é extraordinariamente estável e pode permanecer indivisível para sempre. Embora os teóricos tenham começado a acreditar na década de 1970 que os prótons devem decair em pelo menos trilhões de trilhões de anos, apesar de todos os esforços para identificar tal evento, os cientistas não conseguiram corrigi-lo. Isso causou grande surpresa. Tudo decai, mas os prótons não.

1. Antimatéria

Em 1932, não apenas o nêutron, mas também o pósitron foi descoberto. Foi calculado por Carl Anderson, analisando traços de raios cósmicos em uma câmara de nuvens. Entre as impressões, o físico encontrou uma que parecia um elétron, mas estava dobrada na direção errada. Acabou sendo o pósitron, a antipartícula do elétron, Anderson chamou de elétron positivo. A descoberta das partículas de antimatéria foi uma grande surpresa, mas correspondeu plenamente aos cálculos teóricos de Paul Dirac. É incrível que alguém possa deduzir a existência de algo tão estranho apenas brincando com as equações.