În Univers fiecare corp trăiește în timpul său, precum și principalele particule elementare. Durata de viață a majorității particulelor elementare este destul de scurtă.
Unele se descompun imediat după naștere, motiv pentru care le numim particule instabile.
După o scurtă perioadă de timp, se degradează în altele stabile: protoni, electroni, neutrini, fotoni, gravitoni și antiparticulele lor.
Cele mai importante micro-obiecte din spațiul nostru apropiat - protoni si electroni. Unele dintre părțile îndepărtate ale Universului pot consta din antimaterie, cele mai importante particule de acolo vor fi un antiproton și un antielectron (pozitron).
În total, au fost descoperite câteva sute de particule elementare: proton (p), neutron (n), electron (e -), precum și foton (g), pi-mezoni (p), muoni (m), neutrini de trei tipuri (ve electronice, muon v m, cu lepton v t), etc. evident că vor aduce mai multe microparticule noi.
Aspectul particulelor:
protoni si electroni
Apariția protonilor și electronilor datează de aproximativ zece miliarde de ani.
Un alt tip de micro-obiecte care joacă un rol semnificativ în structura spațiului apropiat sunt neutronii, care au un nume comun cu un proton: nucleoni. Neutronii înșiși sunt instabili, se degradează la aproximativ zece minute după ce sunt generați. Ele pot fi stabile doar în nucleul unui atom. Un număr imens de neutroni se ridică constant în adâncurile stelelor, unde nucleele atomilor se nasc din protoni.
Neutrino
În Univers are loc constant și nașterea neutrinilor, care sunt asemănători unui electron, dar fără sarcină și cu o masă mică. În 1936, au fost descoperite o varietate de neutrini: neutrini muoni, care apar în timpul transformării protonilor în neutroni, în adâncurile stelelor supermasive și în timpul dezintegrarii multor micro-obiecte instabile. Ele se nasc atunci când razele cosmice se ciocnesc în spațiul interstelar.
Big Bang-ul a dus la apariția unui număr mare de neutrini și neutrini muoni. Numărul lor în spațiu crește constant, deoarece nu sunt absorbiți de aproape nicio materie.
Fotonii
La fel ca fotonii, neutrinii și neutrinii muoni umplu întreg spațiul. Acest fenomen se numește „marea de neutrini”.
De la Big Bang, au mai rămas o mulțime de fotoni, pe care îi numim relicvă sau fosilă. Ele sunt pline cu tot spațiul exterior și cu frecvența lor și, prin urmare, energia scade constant, pe măsură ce universul se extinde.
În prezent, toate corpurile cosmice, în primul rând stelele și nebuloasele, sunt implicate în formarea părții fotonice a Universului. Fotonii se nasc pe suprafața stelelor din energia electronilor.
Conexiune cu particule
În stadiul inițial al formării Universului, toate particulele elementare de bază erau libere. Atunci nu existau nuclee de atomi, nici planete, nici stele.
Atomii și din ei planetele, stelele și toate substanțele s-au format mai târziu, când au trecut 300.000 de ani și materia incandescentă s-a răcit suficient în timpul expansiunii. 
Doar neutrinul, neutrinul muon și fotonul nu au intrat în niciun sistem: atracția lor reciprocă este prea slabă. Au rămas particule libere.
Chiar și în stadiul inițial al formării Universului (300.000 de ani de la nașterea sa), protonii și electronii liberi s-au combinat în atomi de hidrogen (un proton și un electron conectați printr-o forță electrică).
Protonul este considerată principala particulă elementară cu o sarcină de +1 și o masă de 1,672 10 −27 kg (puțin mai puțin de 2000 de ori mai greu decât un electron). Protonii care s-au găsit într-o stea masivă s-au transformat treptat în clădirea principală „fier” a Universului. Fiecare dintre ei a eliberat un procent din masa de odihnă. În stelele supermasive, care se micșorează în volume mici ca urmare a propriei gravitații la sfârșitul vieții, un proton își poate pierde aproape o cincime din energia de repaus (și, prin urmare, o cincime din masa sa de repaus).Se știe că „microblocurile de construcție” ale Universului sunt protonii și electronii.
În cele din urmă, când un proton și un antiproton se întâlnesc, nu apare niciun sistem, dar toată energia lor de repaus este eliberată sub formă de fotoni (). 
Oamenii de știință susțin că pare să existe, de asemenea, un graviton de particule elementare de bază fantomatice care poartă o interacțiune gravitațională similară cu electromagnetismul. Cu toate acestea, existența unui graviton a fost dovedită doar teoretic.
Astfel, au apărut principalele particule elementare și reprezintă acum Universul nostru, inclusiv Pământul: protoni, electroni, neutrini, fotoni, gravitoni și multe alte micro-obiecte descoperite și nedescoperite.
Aceste trei particule (precum și altele descrise mai jos) se atrag și se resping reciproc în funcție de ele taxe, care sunt doar patru tipuri în funcție de numărul de forțe fundamentale ale naturii. Sarcinile pot fi aranjate în ordinea descrescătoare a forțelor corespunzătoare astfel: încărcătură de culoare (forțe de interacțiune între quarci); sarcină electrică (forțe electrice și magnetice); sarcină slabă (tăria în unele procese radioactive); în cele din urmă, masa (forța gravitațională sau interacțiunea gravitațională). Cuvântul „culoare” de aici nu are nimic de-a face cu culoarea luminii vizibile; este pur și simplu o caracteristică a celei mai puternice sarcini și a celor mai mari forțe.
Taxe persista, adică Taxa care intră în sistem este egală cu taxa care iese din acesta. Dacă sarcina electrică totală a unui anumit număr de particule înainte de interacțiunea lor este, să zicem, 342 de unități, atunci după interacțiune, indiferent de rezultatul acesteia, va fi egală cu 342 de unități. Acest lucru se aplică și altor sarcini: culoare (sarcină de interacțiune puternică), slabă și masă (masă). Particulele diferă în ceea ce privește încărcăturile lor: în esență, ele „sunt” aceste sarcini. Acuzațiile sunt, parcă, un „certificat” al dreptului de a răspunde la forța corespunzătoare. Astfel, numai particulele colorate sunt afectate de forțele de culoare, numai particulele încărcate electric sunt afectate de forțele electrice și așa mai departe. Proprietățile unei particule sunt determinate de cea mai mare forță care acționează asupra ei. Doar quarcii sunt purtători ai tuturor sarcinilor și, prin urmare, sunt supuși acțiunii tuturor forțelor, printre care culoarea este dominantă. Electronii au toate sarcinile, cu excepția culorii, iar forța dominantă pentru ei este forța electromagnetică.
Cele mai stabile în natură sunt, de regulă, combinațiile neutre de particule în care sarcina particulelor de un semn este compensată de sarcina totală a particulelor de alt semn. Aceasta corespunde energiei minime a întregului sistem. (În mod similar, doi magneți bară sunt în linie, cu polul nord al unuia îndreptat spre polul sud al celuilalt, ceea ce corespunde unui minim de energie câmp magnetic.) Gravitația este o excepție de la această regulă: masa negativă nu există. Nu există corpuri care să cadă.
TIPURI DE MATERIE
Materia obișnuită este formată din electroni și cuarci, grupate în obiecte care sunt neutre la culoare și apoi în sarcină electrică. Forța de culoare este neutralizată, ceea ce va fi discutat mai detaliat mai jos, atunci când particulele sunt combinate în tripleți. (De aici și termenul „culoare” însuși, luat din optică: cele trei culori primare, atunci când sunt amestecate, dau alb.) Astfel, quarcurile, pentru care puterea culorii este cea principală, formează triplete. Dar quarci și ei sunt subdivizați în u-quarci (din engleză sus - superior) și d-quarci (din engleza in jos - mai jos), au si o sarcina electrica egala cu u-quarc și pentru d-quarc. Două u-quarc și unul d-quarcul da o sarcina electrica +1 si formeaza un proton, iar unul u-quarc și doi d-cuarcii dau sarcina electrica zero si formeaza un neutron.
Protonii și neutronii stabili, atrași unul de celălalt de forțele de culoare reziduale ale interacțiunii dintre quarcii lor constituenți, formează un nucleu atomic neutru de culoare. Dar nucleele poartă o sarcină electrică pozitivă și, prin atragerea de electroni negativi care se învârt în jurul nucleului, precum planetele care se rotesc în jurul Soarelui, tind să formeze un atom neutru. Electronii de pe orbitele lor sunt îndepărtați din nucleu la distanțe de zeci de mii de ori mai mari decât raza nucleului - dovadă că forțele electrice care îi țin sunt mult mai slabe decât cele nucleare. Datorită puterii interacțiunii culorilor, 99,945% din masa unui atom este închisă în nucleul său. Greutate u- și d-cuarcii sunt de aproximativ 600 de ori masa unui electron. Prin urmare, electronii sunt mult mai ușori și mai mobili decât nucleele. Mișcarea lor în materie provoacă fenomene electrice.
Există câteva sute de soiuri naturale de atomi (inclusiv izotopi) care diferă în ceea ce privește numărul de neutroni și protoni din nucleu și, în consecință, în numărul de electroni de pe orbite. Cel mai simplu este atomul de hidrogen, format dintr-un nucleu sub formă de proton și un singur electron care se rotește în jurul lui. Toată materia „vizibilă” din natură constă din atomi și atomi parțial „dezasamblați”, care se numesc ioni. Ionii sunt atomi care, după ce au pierdut (sau câștigat) câțiva electroni, au devenit particule încărcate. Materia, constând aproape dintr-un ioni, se numește plasmă. Stelele care ard din cauza reacțiilor termonucleare care au loc în centre sunt compuse în principal din plasmă și, deoarece stelele sunt cea mai comună formă de materie din Univers, se poate spune că întregul Univers este format în principal din plasmă. Mai precis, stelele sunt predominant hidrogen gazos complet ionizat, adică. un amestec de protoni și electroni individuali și, prin urmare, aproape întregul univers vizibil este format din el.
Aceasta este materie vizibilă. Dar există încă materie invizibilă în Univers. Și există particule care acționează ca purtători de forțe. Există antiparticule și stări excitate ale unor particule. Toate acestea duc la o abundență în mod evident excesivă de particule „elementare”. În această abundență, se poate găsi o indicație a naturii reale, adevărate a particulelor elementare și a forțelor care acționează între ele. Conform celor mai recente teorii, particulele pot fi practic obiecte geometrice extinse - „șiruri” în spațiu zece-dimensional.
Lumea invizibilă.
Nu există doar materie vizibilă în univers (ci și găuri negre și „materie întunecată”, cum ar fi planetele reci care devin vizibile atunci când sunt iluminate). Există, de asemenea, o materie cu adevărat invizibilă care pătrunde pe noi toți și întregul Univers în fiecare secundă. Este un gaz cu mișcare rapidă de un fel de particule - neutrinii electronici.
Neutrinul electron este partenerul electronului, dar nu are sarcină electrică. Neutrinii poartă doar așa-numita sarcină slabă. Masa lor de repaus este, după toate probabilitățile, zero. Dar ele interacționează cu câmpul gravitațional, pentru că au energie cinetică E, care corespunde masei efective m, conform formulei Einstein E = mc 2, unde c este viteza luminii.
Rolul cheie al neutrinului este că contribuie la transformare și-cuarcuri în d cuarcuri, având ca rezultat transformarea unui proton într-un neutron. Neutrinul joacă rolul „acului de carburator” pentru reacțiile termonucleare stelare, în care patru protoni (nuclee de hidrogen) se combină pentru a forma un nucleu de heliu. Dar, deoarece nucleul de heliu este format nu din patru protoni, ci din doi protoni și doi neutroni, pentru o astfel de fuziune nucleară este necesar ca două și-quarcurile transformate în doi d-quarc. Intensitatea transformării determină cât de repede vor arde stelele. Și procesul de transformare este determinat de sarcini slabe și forțe de interacțiune slabă între particule. în care și-quarc (sarcină electrică +2/3, sarcină slabă +1/2), interacționând cu un electron (sarcină electrică - 1, sarcină slabă -1/2), formează d-quarc (sarcină electrică -1/3, sarcină slabă -1/2) și neutrin electronic (sarcină electrică 0, sarcină slabă +1/2). Încărcările de culoare (sau pur și simplu culorile) ale celor doi quarci se anulează în acest proces fără neutrin. Rolul neutrinului este de a transporta sarcina slabă necompensată. Prin urmare, rata de transformare depinde de cât de slabe sunt forțele slabe. Dacă ar fi mai slabe decât sunt, atunci stelele nu ar arde deloc. Dacă ar fi fost mai puternice, atunci stelele s-ar fi ars de mult.
Dar ce zici de neutrini? Deoarece aceste particule interacționează extrem de slab cu altă materie, ele părăsesc aproape imediat stelele în care s-au născut. Toate stelele strălucesc, emitând neutrini, iar neutrinii strălucesc prin corpurile noastre și pe întregul Pământ zi și noapte. Așa că ei rătăcesc prin Univers, până când intră, poate, într-o nouă interacțiune a Stelei).
Purtători de interacțiune.
Ce cauzează forțele care acționează între particule la distanță? Răspunsurile fizicii moderne: datorită schimbului de alte particule. Imaginează-ți doi patinatori care aruncă o minge. Dând impuls mingii atunci când aruncă și primind impuls cu mingea primită, ambele primesc o împingere în direcția unul față de celălalt. Acest lucru poate explica apariția forțelor de respingere. Dar în mecanica cuantică, care ia în considerare fenomenele din microlume, sunt permise întinderea și delocalizarea neobișnuite a evenimentelor, ceea ce duce, s-ar părea, la imposibil: unul dintre patinatori aruncă mingea în direcție. din celălalt, dar unul totuși poate prinde mingea asta. Nu este greu de imaginat că dacă acest lucru ar fi posibil (și în lumea particulelor elementare este posibil), ar exista atracție între patinatori.
Particulele, datorită schimbului cărora apar forțe de interacțiune între cele patru „particule de materie” discutate mai sus, se numesc particule gauge. Fiecare dintre cele patru interacțiuni - puternică, electromagnetică, slabă și gravitațională - are propriul său set de particule gauge. Particulele purtătoare puternice de interacțiune sunt gluoni (sunt doar opt dintre ei). Un foton este un purtător de interacțiune electromagnetică (este unul, iar noi percepem fotonii ca lumină). Particulele-purtători ai interacțiunii slabe sunt bosonii vectori intermediari (în 1983 și 1984 au fost descoperiți W + -, W- -bosoni și neutri Z-bozon). Purtătorul de particule al interacțiunii gravitaționale este încă un graviton ipotetic (trebuie să fie unul). Toate aceste particule, cu excepția fotonului și gravitonului, care pot călători pe distanțe infinit de lungi, există doar în procesul de schimb între particulele materiale. Fotonii umplu Universul cu lumină, iar gravitonii - cu unde gravitaționale (nedetectate încă cu certitudine).
Se spune că o particulă capabilă să emită particule de măsurare este înconjurată de un câmp de forță adecvat. Astfel, electronii capabili să emită fotoni sunt înconjurați de câmpuri electrice și magnetice, precum și de câmpuri slabe și gravitaționale. Cuarcii sunt, de asemenea, înconjurați de toate aceste câmpuri, dar și de câmpul de interacțiune puternică. Particulele cu încărcătură de culoare în câmpul forțelor de culoare sunt afectate de forța de culoare. Același lucru este valabil și pentru alte forțe ale naturii. Prin urmare, putem spune că lumea este formată din materie (particule materiale) și câmp (particule de măsurare). Mai multe despre asta mai jos.
Antimaterie.
Fiecare particulă corespunde unei antiparticule, cu care particula se poate anihila reciproc, adică. „anihilați”, în urma căruia se eliberează energie. Energia „pură” în sine, însă, nu există; ca urmare a anihilării, apar noi particule (de exemplu, fotoni), care duc această energie.
O antiparticulă are în cele mai multe cazuri proprietăți opuse față de particula corespunzătoare: dacă o particulă se mișcă spre stânga sub acțiunea câmpurilor puternice, slabe sau electromagnetice, atunci antiparticula ei se va deplasa spre dreapta. Pe scurt, antiparticula are semne opuse tuturor sarcinilor (cu excepția sarcinii de masă). Dacă o particulă este compozită, cum ar fi, de exemplu, un neutron, atunci antiparticula sa constă din componente cu semne de sarcină opuse. Astfel, un antielectron are o sarcină electrică de +1, o sarcină slabă de +1/2 și se numește pozitron. Antineutronul este alcătuit din și-antiquarci cu sarcina electrica –2/3 si d-antiquarci cu sarcina electrica +1/3. Particulele cu adevărat neutre sunt propriile lor antiparticule: antiparticula fotonului este fotonul.
Conform conceptelor teoretice moderne, fiecare particulă care există în natură trebuie să aibă propria antiparticulă. Și multe antiparticule, inclusiv pozitroni și antineutroni, au fost într-adevăr obținute în laborator. Consecințele acestui lucru sunt excepțional de importante și stau la baza întregii fizice experimentale a particulelor elementare. Conform teoriei relativității, masa și energia sunt echivalente și, în anumite condiții, energia poate fi transformată în masă. Deoarece sarcina este conservată și sarcina vidului (spațiul gol) este zero, orice pereche de particule și antiparticule (cu sarcină netă zero) poate ieși din vid, ca iepurii din pălăria unui magician, atâta timp cât energia este suficientă pentru a-și crea. masa.
Generații de particule.
Experimentele cu accelerație au arătat că cvartetul (cvartetul) de particule de material se repetă de cel puțin două ori la valori de masă mai mari. În a doua generație, locul electronului este ocupat de muon (cu o masă de aproximativ 200 de ori mai mare decât masa electronului, dar cu aceleași valori ale tuturor celorlalte sarcini), locul neutrinului electronic este muonul (care însoțește muonul în interacțiuni slabe în același mod în care electronul însoțește neutrinul electronic), plasează și-cuarcul ocupă cu-quarc ( Fermecat), A d-quarc - s-quarc ( ciudat). În a treia generație, cvartetul este format dintr-un lepton tau, un neutrin tau, t-quarc și b-quarc.
Greutate t-cuarcul este de aproximativ 500 de ori masa celui mai ușor - d-quarc. S-a stabilit experimental că există doar trei tipuri de neutrini ușori. Astfel, a patra generație de particule fie nu există deloc, fie neutrinii corespunzători sunt foarte grei. Acest lucru este în concordanță cu datele cosmologice, conform cărora nu pot exista mai mult de patru tipuri de neutrini ușori.
În experimentele cu particule de înaltă energie, electronul, muonul, tau-leptonul și neutrinii corespunzători acționează ca particule separate. Ele nu poartă o încărcătură de culoare și intră doar în interacțiuni slabe și electromagnetice. În mod colectiv, se numesc leptoni.
| Tabelul 2. GENERAȚII DE PARTICULE FUNDAMENTALE | ||||
| Particulă | Masa de repaus, MeV/ cu 2 | Incarcare electrica | taxa de culoare | Încărcare slabă |
| A DOUA GENERAȚIE | ||||
| cu-quarc | 1500 | +2/3 | Roșu, verde sau albastru | +1/2 |
| s-quarc | 500 | –1/3 | La fel | –1/2 |
| Neutrinul muon | 0 | 0 | +1/2 | |
| Muon | 106 | 0 | 0 | –1/2 |
| A TREIA GENERATIE | ||||
| t-quarc | 30000–174000 | +2/3 | Roșu, verde sau albastru | +1/2 |
| b-quarc | 4700 | –1/3 | La fel | –1/2 |
| Neutrinul Tau | 0 | 0 | +1/2 | |
| Tau | 1777 | –1 | 0 | –1/2 |
Cuarcii, pe de altă parte, sub influența forțelor de culoare, se combină în particule care interacționează puternic, care domină majoritatea experimentelor din fizica energiilor înalte. Astfel de particule sunt numite hadronii. Acestea includ două subclase: barionii(de exemplu, protoni și neutroni), care sunt formate din trei quarci și mezonii format dintr-un cuarc și un antiquarc. În 1947, primul mezon, numit pion (sau pi-meson), a fost descoperit în razele cosmice, iar de ceva timp s-a crezut că schimbul acestor particule a fost cauza principală a forțelor nucleare. Hadronii omega-minus, descoperiți în 1964 la Brookhaven National Laboratory (SUA), și particula j-psy ( J/y-meson), descoperit simultan la Brookhaven și la Centrul Stanford pentru Acceleratoare Liniare (tot în SUA) în 1974. Existența particulei omega-minus a fost prezisă de M. Gell-Mann în așa-numitul său „ SU 3-teoria” (un alt nume este „modul de opt ori”), în care a fost sugerată mai întâi posibilitatea existenței quarcilor (și acest nume le-a fost dat). Un deceniu mai târziu, descoperirea particulei J/y a confirmat existența cu-quark și în cele din urmă a făcut pe toată lumea să creadă atât în modelul cuarcului, cât și în teoria care combina forțele electromagnetice și slabe ( vezi mai jos).
Particulele din a doua și a treia generație nu sunt mai puțin reale decât cele din prima. Adevărat, după ce au apărut, ele se descompun în milionatimi sau miliarde de secundă în particule obișnuite din prima generație: un electron, un neutrin electronic și, de asemenea, și- și d-cuarcuri. Întrebarea de ce există mai multe generații de particule în natură este încă un mister.
Se vorbește adesea despre diferite generații de quarci și leptoni (ceea ce, desigur, este oarecum excentric) ca fiind „arome” diferite de particule. Nevoia de a le explica se numește problema „aromei”.
BOSONI ȘI FERMIUNI, CÂMP ȘI SUBSTANTĂ
Una dintre diferențele fundamentale dintre particule este diferența dintre bozoni și fermioni. Toate particulele sunt împărțite în aceste două clase principale. Asemenea bosonilor se pot suprapune sau se suprapune, dar asemenea fermionilor nu se pot suprapune. Suprapunerea apare (sau nu are loc) în stările de energie discrete în care mecanica cuantică împarte natura. Aceste stări sunt, parcă, celule separate în care pot fi plasate particule. Deci, într-o celulă puteți pune orice număr de bozoni identici, dar doar un fermion.
Ca exemplu, luați în considerare astfel de celule, sau „stări”, pentru un electron care se rotește în jurul nucleului unui atom. Spre deosebire de planetele sistemului solar, conform legilor mecanicii cuantice, un electron nu poate circula pe nicio orbită eliptică, pentru el există doar un număr discret de „stări de mișcare” permise. Se numesc seturi de astfel de stări, grupate în funcție de distanța de la electron la nucleu orbitali. În primul orbital, există două stări cu momente unghiulare diferite și, prin urmare, două celule permise, iar în orbitalii superiori, opt sau mai multe celule.
Deoarece un electron este un fermion, fiecare celulă poate conține doar un electron. De aici rezultă consecințe foarte importante - întreaga chimie, deoarece proprietățile chimice ale substanțelor sunt determinate de interacțiunile dintre atomii corespunzători. Dacă treceți prin sistemul periodic de elemente de la un atom la altul în ordinea creșterii cu unitate a numărului de protoni din nucleu (numărul de electroni va crește și el în consecință), atunci primii doi electroni vor ocupa primul orbital, cel următoarele opt vor fi situate în al doilea etc. Această schimbare succesivă a structurii electronice a atomilor de la un element la altul determină regularitățile în proprietățile lor chimice.
Dacă electronii ar fi bosoni, atunci toți electronii unui atom ar putea ocupa același orbital corespunzător energiei minime. În acest caz, proprietățile întregii materie din Univers ar fi complet diferite, iar în forma în care o cunoaștem, Universul ar fi imposibil.
Toți leptonii - electroni, muoni, tau-leptoni și neutrinii corespunzători lor - sunt fermioni. Același lucru se poate spune despre quarci. Astfel, toate particulele care formează „materie”, principala umplutură a Universului, precum și neutrinii invizibili, sunt fermioni. Acest lucru este foarte semnificativ: fermionii nu se pot combina, așa că același lucru este valabil și pentru obiectele din lumea materială.
În același timp, toate „particulele de măsurare” sunt schimbate între particulele de material care interacționează și care creează un câmp de forțe ( Vezi deasupra), sunt bosoni, ceea ce este de asemenea foarte important. Deci, de exemplu, mulți fotoni pot fi în aceeași stare, formând un câmp magnetic în jurul unui magnet sau un câmp electric în jurul unei sarcini electrice. Datorită acestui fapt, este posibil și un laser.
A învârti.
Diferența dintre bozoni și fermioni este legată de o altă caracteristică a particulelor elementare - înapoi. Oricât de surprinzător ar părea, dar toate particulele fundamentale au propriul moment unghiular sau, cu alte cuvinte, se rotesc în jurul propriei axe. Momentul unghiular este o caracteristică a mișcării de rotație, la fel cum este momentul total al mișcării de translație. În orice interacțiune, momentul unghiular și momentul sunt conservate.
În microcosmos, momentul unghiular este cuantificat, adică. ia valori discrete. În unitățile adecvate, leptonii și quarcii au un spin de 1/2, iar particulele gauge au un spin de 1 (cu excepția gravitonului, care nu a fost încă observat experimental, dar teoretic ar trebui să aibă un spin de 2). Deoarece leptonii și quarcii sunt fermioni, iar particulele gauge sunt bosoni, se poate presupune că „fermionicitatea” este asociată cu spin 1/2, iar „bosonicitatea” este asociată cu spin 1 (sau 2). Într-adevăr, atât experimentul, cât și teoria confirmă că, dacă o particulă are un spin pe jumătate întreg, atunci este un fermion, iar dacă este întreg, atunci este un boson.
TEORII ȘI GEOMETRIE GAUGE
În toate cazurile, forțele apar din cauza schimbului de bosoni între fermioni. Astfel, forța de interacțiune a culorii dintre doi quarci (quarci - fermioni) apare din cauza schimbului de gluoni. Un astfel de schimb are loc constant în protoni, neutroni și nuclee atomice. În același mod, fotonii schimbați între electroni și quarci creează forțe electrice atractive care rețin electronii într-un atom, iar bosonii vectori intermediari schimbați între leptoni și quarci creează forțe de interacțiune slabe responsabile de conversia protonilor în neutroni în reacțiile de fuziune în stele.
Teoria unui astfel de schimb este elegantă, simplă și probabil corectă. Se numeste teoria gauge. Dar în prezent există doar teorii gauge independente ale interacțiunilor puternice, slabe și electromagnetice și o teorie gauge a gravitației similară cu acestea, deși diferită în anumite privințe. Una dintre cele mai importante probleme fizice este reducerea acestor teorii separate într-o teorie unică și, în același timp, simplă, în care toate ar deveni aspecte diferite ale unei singure realități - precum fațetele unui cristal.
| Tabelul 3. UNELE HADRONI | ||||
| Particulă | Simbol | Compoziția cuarcilor * | masa de odihna, MeV/ cu 2 | Incarcare electrica |
| BARIONI | ||||
| Proton | p | uud | 938 | +1 |
| Neutroni | n | udd | 940 | 0 |
| Omega minus | W- | sss | 1672 | –1 |
| MESONS | ||||
| Pi plus | p + | u | 140 | +1 |
| Pi-minus | p – | du | 140 | –1 |
| fi | f | sє | 1020 | 0 |
| JPS | J/y | cў | 3100 | 0 |
| Upsilon | Ў | b | 9460 | 0 |
| * Compoziția cuarcilor: u- superioară; d- inferior; s- ciudat; c- fermecat b- frumoasa. Linia de deasupra literei indică antiquarci. | ||||
Cea mai simplă și mai veche dintre teoriile gauge este teoria gauge a interacțiunii electromagnetice. În ea, sarcina unui electron este comparată (calibrată) cu sarcina altui electron aflat la distanță de acesta. Cum pot fi comparate tarifele? Puteți, de exemplu, să apropiați al doilea electron de primul și să comparați forțele de interacțiune ale acestora. Dar încărcătura unui electron nu se schimbă atunci când se deplasează în alt punct din spațiu? Singura modalitate de a verifica este să trimiteți un semnal de la electronul apropiat la cel îndepărtat și să vedeți cum reacționează. Semnalul este o particulă gauge - un foton. Pentru a putea verifica încărcarea particulelor îndepărtate, este necesar un foton.
Din punct de vedere matematic, această teorie se distinge prin precizie și frumusețe extremă. Din „principiul gauge” descris mai sus, urmează toată electrodinamica cuantică (teoria cuantică a electromagnetismului), precum și teoria câmpului electromagnetic a lui Maxwell, una dintre cele mai mari realizări științifice ale secolului al XIX-lea.
De ce un principiu atât de simplu este atât de fructuos? Aparent, exprimă o anumită corelație a diferitelor părți ale Universului, permițând măsurători în Univers. În termeni matematici, câmpul este interpretat geometric ca curbura unui spațiu „intern” imaginabil. Măsurarea sarcinii este măsurarea „curburii interne” totale în jurul particulei. Teoriile gauge ale interacțiunilor puternice și slabe diferă de teoria gauge electromagnetică numai în „structura” geometrică internă a sarcinii corespunzătoare. Întrebarea unde se află exact acest spațiu interior este răspunsă de teoriile câmpului unificat multidimensional, care nu sunt luate în considerare aici.
| Tabelul 4. INTERACȚIUNI FUNDAMENTALE | |||||
| Interacţiune | Intensitate relativă la o distanță de 10–13 cm | Raza de acțiune | Purtător de interacțiune | Masa de repaus purtător, MeV/ cu 2 | Rotire a transportatorului |
| Puternic | 1 | Gluon | 0 | 1 | |
| electro- magnetic |
0,01 | Ґ | Foton | 0 | 1 |
| Slab | 10 –13 | W + | 80400 | 1 | |
| W – | 80400 | 1 | |||
| Z 0 | 91190 | 1 | |||
| Gravitatie- raţional |
10 –38 | Ґ | graviton | 0 | 2 |
Fizica particulelor elementare nu este încă finalizată. Este încă departe de a fi clar dacă datele disponibile sunt suficiente pentru a înțelege pe deplin natura particulelor și a forțelor, precum și adevărata natură și dimensiunile spațiului și timpului. Avem nevoie de experimente cu energii de 10 15 GeV pentru asta, sau efortul de gândire va fi suficient? Nu există încă un răspuns. Dar putem spune cu încredere că poza finală va fi simplă, elegantă și frumoasă. Este posibil să nu existe atât de multe idei fundamentale: principiul gabaritului, spații de dimensiuni mai mari, colaps și expansiune și, mai ales, geometrie.
Pătrunderea ulterioară în adâncurile microlumii este asociată cu trecerea de la nivelul atomilor la nivelul particulelor elementare. Ca prima particulă elementară la sfârșitul secolului al XIX-lea. electronul a fost descoperit, iar apoi în primele decenii ale secolului XX. fotoni, protoni, pozitroni și neutroni.
După cel de-al Doilea Război Mondial, datorită utilizării tehnologiei experimentale moderne și mai ales a acceleratoarelor puternice, în care se creează condiții de energii mari și viteze enorme, s-a stabilit existența unui număr mare de particule elementare - mai mult de 300. Printre acestea sunt atât descoperite experimental, cât și calculate teoretic, inclusiv rezonanțe, quarci și particule virtuale.
Termen particulă elementară Inițial, însemna cele mai simple, mai departe particule indecompuse care stau la baza oricăror formațiuni materiale. Mai târziu, fizicienii și-au dat seama de întreaga convenționalitate a termenului „elementar” în raport cu micro-obiectele. Acum nu există nicio îndoială că particulele au o structură sau alta, dar, cu toate acestea, numele stabilit istoric continuă să existe.
Principalele caracteristici ale particulelor elementare sunt masa, sarcina, durata medie de viață, spinul și numerele cuantice.
masa de repaus particulele elementare sunt determinate în raport cu masa în repaus a unui electron.Există particule elementare care nu au masă în repaus, - fotonii. Restul particulelor pe această bază sunt împărțite în leptoni– particule de lumină (electroni și neutrini); mezonii– particule medii cu o masă cuprinsă între una și o mie de mase de electroni; barionii- particule grele a căror masă depășește o mie de mase de electron și care includ protoni, neutroni, hiperoni și multe rezonanțe.
Incarcare electrica este o altă caracteristică importantă a particulelor elementare. Toate particulele cunoscute au o sarcină pozitivă, negativă sau zero. Fiecare particulă, cu excepția unui foton și a doi mezoni, corespunde antiparticulelor cu sarcina opusă. Aproximativ în 1963-1964. a emis ipoteza că există quarcuri– particule cu o sarcină electrică fracționată. Această ipoteză nu a fost încă confirmată experimental.
Pe timpul vieții particulele sunt împărțite în grajd și instabil . Există cinci particule stabile: un foton, două tipuri de neutrini, un electron și un proton. Particulele stabile joacă cel mai important rol în structura macrocorpilor. Toate celelalte particule sunt instabile, ele există timp de aproximativ 10 -10 -10 -24 s, după care se degradează. Se numesc particule elementare cu o durată de viață medie de 10–23–10–22 s rezonanțe. Datorită duratei lor scurte de viață, se degradează chiar înainte de a părăsi atomul sau nucleul atomic. Stările de rezonanță au fost calculate teoretic; nu este posibilă fixarea lor în experimente reale.
Pe lângă sarcină, masă și durata de viață, particulele elementare sunt descrise și de concepte care nu au analogi în fizica clasică: conceptul înapoi . Spinul este momentul unghiular intrinsec al unei particule, care nu este legat de deplasarea acesteia. Spinul este caracterizat număr cuantic de spin s, care poate lua valori întregi (±1) sau semiîntregi (±1/2). Particule cu spin întreg bozoni, cu un număr întreg - fermioni. Electronul aparține fermionilor. Conform principiului Pauli, un atom nu poate avea mai mult de un electron cu același set de numere cuantice. n,m,l,s. Electronii, care corespund funcțiilor de undă cu același număr n, sunt foarte apropiați ca energie și formează un înveliș de electroni în atom. Diferențele în numărul l determină „subshell”, numerele cuantice rămase determină umplerea acestuia, așa cum sa menționat mai sus.
În caracterizarea particulelor elementare, există o altă idee importantă interacțiuni. După cum sa menționat mai devreme, sunt cunoscute patru tipuri de interacțiuni între particulele elementare: gravitațională,slab,electromagneticși puternic(nuclear).
Toate particulele care au o masă în repaus ( m 0), participă la interacțiunea gravitațională, încărcată - și la electromagnetică. Leptonii participă și la interacțiuni slabe. Hadronii participă la toate cele patru interacțiuni fundamentale.
Conform teoriei câmpului cuantic, toate interacțiunile sunt realizate prin schimb particule virtuale , adică particule a căror existență nu poate fi judecată decât indirect, după unele dintre manifestările lor prin unele efecte secundare ( particule reale poate fi fixat direct cu instrumente).
Se dovedește că toate cele patru tipuri de interacțiuni cunoscute - gravitaționale, electromagnetice, puternice și slabe - au o natură gauge și sunt descrise prin simetrii gauge. Adică, toate interacțiunile sunt, parcă, făcute „din un gol”. Acest lucru inspiră speranța că va fi posibil să găsim „singura cheie pentru toate încuietorile cunoscute” și să descriem evoluția Universului dintr-o stare reprezentată de un singur supercâmp supersimetric, dintr-o stare în care diferențele dintre tipurile de interacțiuni, dintre tot felul de particule de materie și cuante de câmp nu s-au manifestat încă.
Există un număr mare de moduri de a clasifica particulele elementare. Deci, de exemplu, particulele sunt împărțite în fermioni (particule Fermi) - particule de materie și bozoni (particule Bose) - cuante de câmp.
Conform unei alte abordări, particulele sunt împărțite în 4 clase: fotoni, leptoni, mezoni, barioni.
Fotonii (cuantele câmpului electromagnetic) participă la interacțiuni electromagnetice, dar nu au interacțiuni puternice, slabe, gravitaționale.
Leptoni și-a luat numele de la cuvântul grecesc leptos- usor. Acestea includ particule care nu au muoni de interacțiune puternică (μ - , μ +), electroni (e - , e +), neutrini electronici (ve - , ve +) și neutrini muoni (v - m , v + m). Toți leptonii au spin ½ și, prin urmare, sunt fermioni. Toți leptonii au o interacțiune slabă. Cele care au o sarcină electrică (adică muoni și electroni) au și o interacțiune electromagnetică.
Mezoni sunt particule instabile care interacționează puternic, care nu poartă așa-numita sarcină barionică. Printre ele aparține R-mezoni sau pioni (π +, π -, π 0), La-mezoni, sau kaoni (K + , K - , K 0) și acest-mezoni (η) . Greutate La-mesoni este de ~970me (494 MeV pentru încărcat și 498 MeV pentru neutru La-mezoni). Durata de viață La-mezonii au o magnitudine de aproximativ 10–8 s. Se despart pentru a forma eu-mezoni si leptoni sau numai leptoni. Greutate acest-mezoni este egal cu 549 MeV (1074me), durata de viață este de aproximativ 10–19 s. Acest-mezonii se descompun odată cu formarea de π-mezoni și γ-fotoni. Spre deosebire de leptoni, mezonii au nu doar o interacțiune slabă (și, dacă sunt încărcați, electromagnetică), ci și o interacțiune puternică, care se manifestă în interacțiunea lor între ei, precum și în interacțiunea dintre mezoni și barioni. Spinul tuturor mezonilor este zero, deci sunt bosoni.
Clasă barionii combină nucleonii (p, n) și particulele instabile cu o masă mai mare decât masa nucleonilor, numite hiperoni. Toți barionii au o interacțiune puternică și, prin urmare, interacționează activ cu nucleele atomice. Spinul tuturor barionilor este ½, deci barionii sunt fermioni. Cu excepția protonului, toți barionii sunt instabili. În dezintegrarea barionilor, împreună cu alte particule, se formează în mod necesar un barion. Acest tipar este una dintre manifestări legea de conservare a sarcinii barionilor.
În plus față de particulele enumerate mai sus, a fost descoperit un număr mare de particule cu viață scurtă care interacționează puternic, care sunt numite rezonanțe . Aceste particule sunt stări rezonante formate din două sau mai multe particule elementare. Durata de viață a rezonanțelor este de numai ~ 10–23–10–22 s.
Particulele elementare, precum și microparticulele complexe, pot fi observate datorită urmelor pe care le lasă atunci când trec prin materie. Natura urmelor face posibil să se judece semnul încărcăturii particulei, energia, impulsul, etc. Particulele încărcate provoacă ionizarea moleculelor pe drum. Particulele neutre nu lasă urme, dar se pot dezvălui în momentul dezintegrarii în particule încărcate sau în momentul ciocnirii cu orice nucleu. Prin urmare, în cele din urmă, particulele neutre sunt detectate și de ionizarea cauzată de particulele încărcate generate de acestea.
Particule și antiparticule. În 1928, fizicianul englez P. Dirac a reușit să găsească o ecuație cuantică-mecanică relativistă pentru electron, din care decurg o serie de consecințe remarcabile. În primul rând, din această ecuație, în mod natural, fără presupuneri suplimentare, se obține spinul și valoarea numerică a momentului magnetic intrinsec al electronului. Astfel, s-a dovedit că spinul este o mărime atât cuantică, cât și relativistă. Dar acest lucru nu epuizează semnificația ecuației lui Dirac. De asemenea, a făcut posibilă prezicerea existenței unei antiparticule a electronului - Pozitron. Din ecuația lui Dirac se obțin nu numai valori pozitive, ci și negative pentru energia totală a unui electron liber. Studiile ecuației arată că pentru un moment dat de particule, există soluții pentru ecuația corespunzătoare energiilor: .
Între cea mai mare energie negativă (- m e cu 2) și cea mai mică energie pozitivă (+ m e c 2) există un interval de valori energetice care nu poate fi realizat. Lățimea acestui interval este de 2 m e cu 2. În consecință, se obțin două regiuni de valori proprii de energie: una începe cu + m e cu 2 și se extinde până la +∞, celălalt începe de la - m e cu 2 și se extinde până la –∞.
O particulă cu energie negativă trebuie să aibă proprietăți foarte ciudate. Trecând în stări cu energie din ce în ce mai mică (adică cu energia negativă în creștere în valoare absolută), ar putea elibera energie, să zicem, sub formă de radiație, de altfel, întrucât | E| nu este limitat de nimic, o particulă cu energie negativă ar putea radia o cantitate infinit de mare de energie. La o concluzie similară se poate ajunge în felul următor: din relaţie E=m e cu 2 rezultă că masa unei particule cu energie negativă va fi și ea negativă. Sub acțiunea unei forțe de decelerare, o particulă cu o masă negativă nu ar trebui să încetinească, ci să accelereze, efectuând o cantitate infinit de mare de lucru asupra sursei forței de decelerare. Având în vedere aceste dificultăți, s-ar părea că ar trebui să admitem că statul cu energie negativă ar trebui exclusă din considerație ca conducând la rezultate absurde. Acest lucru ar contrazice însă unele principii generale ale mecanicii cuantice. Deci Dirac a ales o altă cale. El a propus că tranzițiile electronilor la stări cu energie negativă nu sunt de obicei observate din motivul că toate nivelurile disponibile cu energie negativă sunt deja ocupate de electroni. 
Potrivit lui Dirac, vidul este o stare în care toate nivelurile de energie negativă sunt populate de electroni, iar nivelurile cu energie pozitivă sunt libere. Deoarece toate nivelurile sub banda interzisă sunt ocupate fără excepție, electronii de la aceste niveluri nu se dezvăluie în niciun fel. Dacă unuia dintre electronii aflați la niveluri negative i se dă energie E≥ 2m e cu 2, atunci acest electron va intra într-o stare cu energie pozitivă și se va comporta în mod obișnuit, ca o particulă cu o masă pozitivă și o sarcină negativă. Această primă particulă prezisă teoretic a fost numită pozitron. Când un pozitron întâlnește un electron, el se anihilează (dispar) - electronul trece de la un nivel pozitiv la unul negativ vacant. Energia corespunzătoare diferenței dintre aceste niveluri este eliberată sub formă de radiație. Pe fig. 4, săgeata 1 descrie procesul de creare a unei perechi electron-pozitron, iar săgeata 2 - anihilarea lor Termenul „anihilare” nu trebuie luat literal. În esență, ceea ce se întâmplă nu este dispariția, ci transformarea unor particule (electron și pozitroni) în altele (γ-fotoni).
Există particule care sunt identice cu antiparticulele lor (adică nu au antiparticule). Astfel de particule sunt numite absolut neutre. Acestea includ fotonul, π 0 -mezonul și η-mezonul. Particulele care sunt identice cu antiparticulele lor nu sunt capabile de anihilare. Acest lucru, însă, nu înseamnă că nu se pot transforma deloc în alte particule.
Dacă barionilor (adică nucleonii și hiperonii) li se atribuie o sarcină barionică (sau număr barion) LA= +1, antibarioni – sarcina barionică LA= –1, iar pentru toate celelalte particule – sarcina barionică LA= 0, atunci pentru toate procesele care au loc cu participarea barionilor și antibarionilor, conservarea barionilor de sarcină va fi caracteristică, la fel cum conservarea sarcinii electrice este caracteristică proceselor. Legea conservării sarcinii barionului determină stabilitatea celui mai moale barion, protonul. Transformarea tuturor cantităților care descriu un sistem fizic, în care toate particulele sunt înlocuite cu antiparticule (de exemplu, electroni cu protoni și protoni cu electroni etc.), se numește sarcină de conjugare.
Particule ciudate.La-mezonii și hiperonii au fost descoperiți în compoziția razelor cosmice la începutul anilor 1950. Din 1953, acestea sunt produse pe acceleratoare. Comportamentul acestor particule s-a dovedit a fi atât de neobișnuit încât au fost numite ciudate. Comportamentul neobișnuit al particulelor ciudate a constat în faptul că acestea s-au născut în mod evident datorită interacțiunilor puternice cu un timp caracteristic de ordinul 10–23 s, iar durata lor de viață s-a dovedit a fi de ordinul 10–8–10–10. s. Această din urmă împrejurare a indicat că particulele se degradează ca urmare a interacțiunilor slabe. Era complet de neînțeles de ce particulele ciudate trăiesc atât de mult. Deoarece aceleași particule (mezoni π și protoni) sunt implicate atât în crearea, cât și în dezintegrarea unui λ-hiperon, părea surprinzător că rata (adică probabilitatea) ambelor procese este atât de diferită. Cercetările ulterioare au arătat că particulele ciudate sunt produse în perechi. Acest lucru a condus la ideea că interacțiunile puternice nu pot juca un rol în dezintegrarea particulelor datorită faptului că prezența a două particule ciudate este necesară pentru manifestarea lor. Din același motiv, producerea unică de particule ciudate este imposibilă.
Pentru a explica interzicerea producerii unice de particule ciudate, M. Gell-Mann și K. Nishijima au introdus un nou număr cuantic, a cărui valoare totală, conform presupunerii lor, ar trebui păstrată în condiții de interacțiuni puternice. Este un număr cuantic S a fost chemat ciudățenia particulelor. În interacțiunile slabe, ciudățenia poate să nu fie conservată. Prin urmare, este atribuită doar particulelor care interacționează puternic - mezoni și barioni.
Neutrino. Neutrinul este singura particulă care nu participă nici la interacțiuni puternice sau electromagnetice. Excluzând interacțiunea gravitațională, la care participă toate particulele, neutrino poate participa doar la interacțiuni slabe.
Multă vreme a rămas neclar cum diferă neutrinii de antineutrini. Descoperirea legii conservării parității combinate a făcut posibil să se răspundă la această întrebare: diferă ca elicitate. Sub helicitatea se înțelege o anumită relație între direcțiile impulsului R si inapoi S particule. Elicitatea este considerată pozitivă dacă spinul și impulsul sunt în aceeași direcție. În acest caz, direcția mișcării particulelor ( R) iar sensul de „rotație” corespunzător rotației formează un șurub drept. Cu rotația și impulsul direcționate opus, elicitatea va fi negativă (mișcarea de translație și „rotația” formează un șurub stâng). Conform teoriei neutrinilor longitudinali dezvoltată de Yang, Lee, Landau și Salam, toți neutrinii care există în natură, indiferent de modul în care apar, sunt întotdeauna complet polarizați longitudinal (adică spinul lor este direcționat paralel sau antiparalel cu impulsul). R). Neutrino are negativ(stânga) helicitatea (corespunde raportului de direcții Sși R prezentată în fig. 5 (b), antineutrino - helicitate pozitivă (dreapta) (a). Astfel, helicitatea este ceea ce distinge neutrinii de antineutrini.
Orez. 5. Schema helicității particulelor elementare
Sistematica particulelor elementare. Tiparele observate în lumea particulelor elementare pot fi formulate ca legi de conservare. Există deja destul de multe astfel de legi. Unele dintre ele nu sunt exacte, ci doar aproximative. Fiecare lege de conservare exprimă o anumită simetrie a sistemului. Legile conservării impulsului R, impuls unghiular L si energie E reflectă proprietăţile de simetrie ale spaţiului şi timpului: conservare E este o consecință a omogenității timpului, a conservării R datorită omogenității spațiului și conservării L- izotropia acestuia. Legea conservării parității este legată de simetria dintre dreapta și stânga ( R-invarianta). Simetria sub conjugarea sarcinii (simetria particulelor și antiparticulelor) duce la conservarea parității sarcinii ( Cu-invarianta). Legile de conservare a sarcinilor electrice, barionice și leptone exprimă o simetrie specială Cu-functii. În cele din urmă, legea de conservare a spinului izotopic reflectă izotropia spațiului izotopic. Nerespectarea uneia dintre legile de conservare înseamnă o încălcare în această interacțiune a tipului corespunzător de simetrie.
În lumea particulelor elementare, se aplică următoarea regulă: este permis tot ceea ce nu este interzis de legile de conservare. Acestea din urmă joacă rolul de reguli de interzicere care reglementează interconversiile particulelor. În primul rând, observăm legile conservării energiei, impulsului și sarcinii electrice. Aceste trei legi explică stabilitatea electronului. Din conservarea energiei și a impulsului rezultă că masa totală în repaus a produselor de descompunere trebuie să fie mai mică decât masa în repaus a particulei în descompunere. Aceasta înseamnă că electronul s-ar putea descompune doar în neutrini și fotoni. Dar aceste particule sunt neutre din punct de vedere electric. Deci, se dovedește că electronul pur și simplu nu are cui să-și transfere sarcina electrică, deci este stabil.
Quarci. Există atât de multe particule numite elementare încât există îndoieli serioase cu privire la natura lor elementară. Fiecare dintre particulele care interacționează puternic este caracterizată de trei numere cuantice aditive independente: sarcina Q, hiperîncărcare Lași încărcătură barionică LA. În acest sens, a apărut o ipoteză că toate particulele sunt construite din trei particule fundamentale - purtătoare ale acestor sarcini. În 1964, Gell-Mann și, independent de el, fizicianul elvețian Zweig au prezentat o ipoteză conform căreia toate particulele elementare sunt construite din trei particule numite quarci. Aceste particule sunt atribuite numere cuantice fracționale, în special, o sarcină electrică egală cu +⅔; –⅓; +⅓ respectiv pentru fiecare dintre cei trei quarci. Acești quarci sunt de obicei indicați cu litere U,D,S. Pe lângă quarci, sunt considerați antiquarcuri ( u,d,s). Până în prezent, sunt cunoscuți 12 quarci - 6 quarci și 6 antiquarci. Mezonii sunt formați dintr-o pereche quark-antiquark, iar barionii sunt formați din trei quarci. Deci, de exemplu, un proton și un neutron sunt formați din trei quarci, ceea ce face ca protonul sau neutronul să fie incolor. În consecință, se disting trei sarcini de interacțiuni puternice - roșu ( R), galben ( Y) și verde ( G).
Fiecărui quarc i se atribuie același moment magnetic (µV), a cărui valoare nu este determinată din teorie. Calculele făcute pe baza acestei ipoteze dau protonului valoarea momentului magnetic μ p = μ q, iar pentru neutronul μ n = – ⅔μ mp.
Astfel, pentru raportul momentelor magnetice, valoarea μ p / μn = –⅔, în excelent acord cu valoarea experimentală.
Practic, culoarea quarcului (ca semnul sarcinii electrice) a început să exprime diferența de proprietate care determină atracția și repulsia reciprocă a quarcurilor. Prin analogie cu cuantele câmpurilor diferitelor interacțiuni (fotoni în interacțiuni electromagnetice, R-mezoni în interacțiuni puternice etc.), au fost introduse particule-purtători de interacțiune între quarci. Aceste particule au fost numite gluoni. Ele transferă culoarea de la un cuarc la altul, ceea ce duce la menținerea împreună a quarcurilor. În fizica cuarcilor, a fost formulată ipoteza confinării (din engleză. închideri- captivitate) a quarcilor, conform cărora este imposibil să se scadă un quarc dintr-un întreg. Ea poate exista doar ca element al întregului. Existența quarcilor ca particule reale în fizică este fundamentată în mod fiabil.
Ideea de quarci s-a dovedit a fi foarte fructuoasă. A făcut posibilă nu numai sistematizarea particulelor deja cunoscute, ci și prezicerea unui număr de noi. Situația care s-a dezvoltat în fizica particulelor elementare amintește de situația care a fost creată în fizica atomică după descoperirea în 1869 de către D. I. Mendelev a legii periodice. Deși esența acestei legi a fost clarificată abia la aproximativ 60 de ani de la crearea mecanicii cuantice, ea a făcut posibilă sistematizarea elementelor chimice cunoscute până la acel moment și, în plus, a condus la predicția existenței unor noi elemente și a proprietăților acestora. . Exact în același mod, fizicienii au învățat să sistematizeze particulele elementare, iar sistematica dezvoltată în câteva cazuri a făcut posibilă prezicerea existenței unor noi particule și anticiparea proprietăților acestora.
Deci, în prezent, quarkurile și leptonii pot fi considerați cu adevărat elementari; sunt 12 dintre ele, sau împreună cu antiparticule - 24. În plus, există particule care asigură patru interacțiuni fundamentale (quanta de interacțiune). Există 13 dintre aceste particule: graviton, foton, W± - și Z-particule si 8 gluoni.
Teoriile existente ale particulelor elementare nu pot indica care este începutul seriei: atomi, nuclee, hadroni, cuarci În această serie, fiecare structură materială mai complexă include una mai simplă ca parte integrantă. Aparent, acest lucru nu poate continua la infinit. S-a presupus că lanțul descris de structuri materiale se bazează pe obiecte de o natură fundamental diferită. Se arată că astfel de obiecte pot fi formațiuni nu punctuale, ci extinse, deși extrem de mici (~10 -33 cm), numite superstringuri. Ideea descrisă nu este realizabilă în spațiul nostru cu patru dimensiuni. Această zonă a fizicii este în general extrem de abstractă și este foarte dificil să găsești modele vizuale care să ajute la o percepție simplificată a ideilor încorporate în teoriile particulelor elementare. Cu toate acestea, aceste teorii permit fizicienilor să exprime interconversia și interdependența micro-obiectelor „cele mai elementare”, legătura lor cu proprietățile spațiu-timp cu patru dimensiuni. Cel mai promițător este așa-zisul Teoria M (M - de la mister- o ghicitoare, un mister). Ea operează spațiu cu douăsprezece dimensiuni . În cele din urmă, în timpul tranziției către lumea patrudimensională percepută direct de noi, toate dimensiunile „extra” „se prăbușesc”. Teoria M este până acum singura teorie care face posibilă reducerea celor patru interacțiuni fundamentale la una - așa-numita Superputere. De asemenea, este important ca teoria M să permită existența unor lumi diferite și să stabilească condițiile care asigură apariția lumii noastre. Teoria M nu este încă suficient de dezvoltată. Se crede că finala "teoria tuturor lucrurilor" pe baza teoriei M va fi construit în secolul XXI.
Cu cuvintele „electricitate”, „încărcare electrică”, „curent electric” v-ați întâlnit de multe ori și ați reușit să vă obișnuiți cu ele. Dar încercați să răspundeți la întrebarea: „Ce este o sarcină electrică?” - și vei vedea că nu este atât de ușor. Faptul este că conceptul de sarcină este un concept de bază, primar, care nu poate fi redus la nivelul actual de dezvoltare a cunoștințelor noastre la orice concepte mai simple, elementare.
Să încercăm mai întâi să aflăm ce se înțelege prin afirmația: un anumit corp sau particulă are o sarcină electrică.
Știți că toate corpurile sunt construite din cele mai mici, indivizibile, în particule mai simple (din câte se cunoaște știința în prezent), care sunt, prin urmare, numite elementare. Toate particulele elementare au masă și datorită acesteia sunt atrase unele de altele conform legii gravitației universale cu o forță care scade relativ lent pe măsură ce distanța dintre ele crește, invers proporțională cu pătratul distanței. Majoritatea particulelor elementare, deși nu toate, au și capacitatea de a interacționa între ele cu o forță care scade, de asemenea, invers cu pătratul distanței, dar această forță este de un număr imens de ori mai mare decât forța gravitației. Asa de. în atomul de hidrogen, prezentat schematic în figura 91, electronul este atras de nucleu (proton) cu o forță de 101" ori mai mare decât forța de atracție gravitațională.
Dacă particulele interacționează între ele cu forțe care scad încet cu distanța și sunt de multe ori mai mari decât forțele gravitației universale, atunci se spune că aceste particule au o sarcină electrică. Particulele în sine sunt numite încărcate. Există particule fără sarcină electrică, dar nu există sarcină electrică fără particule.
Interacțiunile dintre particulele încărcate se numesc electromagnetice. Sarcina electrică este o mărime fizică care determină intensitatea interacțiunilor electromagnetice, la fel cum masa determină intensitatea interacțiunilor gravitaționale.
Sarcina electrică a unei particule elementare nu este un „mecanism” special în particulă, care ar putea fi îndepărtată din ea, descompusă în părțile sale componente și reasamblată. Prezența unei sarcini electrice pe un electron și alte particule înseamnă doar existența
anumite interacțiuni de forță între ele. Dar noi, în esență, nu știm nimic despre sarcină, dacă nu cunoaștem legile acestor interacțiuni. Cunoașterea legilor interacțiunilor ar trebui inclusă în înțelegerea noastră a taxei. Aceste legi nu sunt simple, este imposibil să le enunț în câteva cuvinte. Acesta este motivul pentru care este imposibil să oferim o definiție concisă suficient de satisfăcătoare a ceea ce este o sarcină electrică.
Două semne de încărcare electrică. Toate corpurile au masă și, prin urmare, se atrag reciproc. Corpurile încărcate se pot atrage și respinge reciproc. Acest fapt cel mai important, cunoscut de la cursul de fizică de clasa a VII-a, înseamnă că în natură există particule cu sarcini electrice de semne opuse. Particulele cu același semn de sarcină se resping reciproc, iar cu semne diferite se atrag.
Sarcina particulelor elementare - protonii, care fac parte din toate nucleele atomice, se numește pozitivă, iar sarcina electronilor se numește negativă. Nu există diferențe intrinseci între sarcinile pozitive și negative. Dacă semnele sarcinilor particulelor ar fi inversate, atunci natura interacțiunilor electromagnetice nu s-ar schimba deloc.
sarcină elementară. Pe lângă electroni și protoni, există alte câteva tipuri de particule elementare încărcate. Dar numai electronii și protonii pot exista la infinit în stare liberă. Restul particulelor încărcate trăiesc mai puțin de milioane de secundă. Ele se nasc în timpul ciocnirilor de particule elementare rapide și, având o perioadă de timp neglijabilă, se degradează, transformându-se în alte particule. Vă veți familiariza cu aceste particule în clasa X.
Neutronii sunt particule care nu au sarcină electrică. Masa sa depășește doar puțin masa unui proton. Neutronii, împreună cu protonii, fac parte din nucleul atomic.
Dacă o particulă elementară are o sarcină, atunci valoarea ei, așa cum arată numeroase experimente, este strict definită (unul dintre aceste experimente - experiența lui Millikan și Ioffe - a fost descris într-un manual pentru clasa a VII-a)
Există o sarcină minimă, numită elementară, pe care o posedă toate particulele elementare încărcate. Sarcinile particulelor elementare diferă doar în semne. Este imposibil să separați o parte a sarcinii, de exemplu, de un electron.
Pagina 1
Este imposibil să oferim o scurtă definiție a taxei care să fie satisfăcătoare din toate punctele de vedere. Suntem obișnuiți să găsim explicații înțelese pentru formațiuni și procese foarte complexe, cum ar fi atomul, cristalele lichide, distribuția moleculelor în funcție de viteze și așa mai departe. Dar conceptele cele mai de bază, fundamentale, indivizibile în altele mai simple, lipsite, conform științei de astăzi, de orice mecanism intern, nu pot fi explicate pe scurt într-un mod satisfăcător. Mai ales dacă obiectele nu sunt percepute direct de simțurile noastre. Sarcina electrică aparține unor astfel de concepte fundamentale.
Să încercăm mai întâi să aflăm nu ce este o sarcină electrică, ci ce se ascunde în spatele afirmației, un anumit corp sau particulă are o sarcină electrică.
Știți că toate corpurile sunt construite din cele mai mici, indivizibile, în particule mai simple (din câte se cunoaște știința în prezent), care sunt, prin urmare, numite elementare. Toate particulele elementare au masă și datorită acestui fapt sunt atrase unele de altele. Conform legii gravitației universale, forța de atracție scade relativ lent pe măsură ce distanța dintre ele crește: invers proporțional cu pătratul distanței. În plus, majoritatea particulelor elementare, deși nu toate, au capacitatea de a interacționa între ele cu o forță care scade și invers cu pătratul distanței, dar această forță este un număr imens, de ori mai mare decât forța gravitației. Deci, în atomul de hidrogen, prezentat schematic în figura 1, electronul este atras de nucleu (proton) cu o forță de 1039 de ori mai mare decât forța de atracție gravitațională.
Dacă particulele interacționează între ele cu forțe care scad încet cu distanța și sunt de multe ori mai mari decât forțele gravitației universale, atunci se spune că aceste particule au o sarcină electrică. Particulele în sine sunt numite încărcate. Există particule fără sarcină electrică, dar nu există sarcină electrică fără particule.
Interacțiunile dintre particulele încărcate se numesc electromagnetice. Când spunem că electronii și protonii sunt încărcați electric, înseamnă că sunt capabili de interacțiuni de un anumit tip (electromagnetice) și nimic mai mult. Absența unei sarcini asupra particulelor înseamnă că nu detectează astfel de interacțiuni. Sarcina electrică determină intensitatea interacțiunilor electromagnetice, la fel cum masa determină intensitatea interacțiunilor gravitaționale. Sarcina electrică este a doua cea mai importantă caracteristică a particulelor elementare (după masă), care determină comportamentul lor în lumea înconjurătoare.
Prin urmare
Incarcare electrica este o mărime scalară fizică care caracterizează proprietatea particulelor sau a corpurilor de a intra în interacțiuni de forță electromagnetică.
Sarcina electrică este notată cu literele q sau Q.
Așa cum în mecanică este adesea folosit conceptul de punct material, ceea ce face posibilă simplificarea semnificativă a soluționării multor probleme, atunci când se studiază interacțiunea sarcinilor, conceptul de sarcină punctuală se dovedește a fi eficient. O sarcină punctiformă este un corp încărcat ale cărui dimensiuni sunt mult mai mici decât distanța de la acest corp până la punctul de observație și alte corpuri încărcate. În special, dacă vorbim despre interacțiunea a două sarcini punctuale, atunci presupunem că distanța dintre cele două corpuri încărcate luate în considerare este mult mai mare decât dimensiunile lor liniare.
Sarcina electrică a unei particule elementare
Sarcina electrică a unei particule elementare nu este un „mecanism” special într-o particulă care ar putea fi îndepărtată din ea, descompusă în părțile sale componente și reasamblată. Prezența unei sarcini electrice într-un electron și alte particule înseamnă doar existența unor anumite interacțiuni între ele.
În natură, există particule cu sarcini de semne opuse. Sarcina unui proton se numește pozitivă, iar cea a unui electron se numește negativă. Semnul pozitiv al sarcinii unei particule nu înseamnă, desigur, că are avantaje deosebite. Introducerea sarcinilor a două semne exprimă pur și simplu faptul că particulele încărcate se pot atrage și respinge. Particulele cu același semn de sarcină se resping reciproc, iar cu semne diferite se atrag.
Nu există acum o explicație a motivelor existenței a două tipuri de sarcini electrice. În orice caz, nu se găsesc diferențe fundamentale între sarcinile pozitive și negative. Dacă semnele sarcinilor electrice ale particulelor ar fi inversate, atunci natura interacțiunilor electromagnetice din natură nu s-ar schimba.
Sarcinile pozitive și negative sunt foarte bine compensate în Univers. Și dacă Universul este finit, atunci sarcina sa electrică totală este, după toate probabilitățile, egală cu zero.
Cel mai remarcabil lucru este că sarcina electrică a tuturor particulelor elementare este strict aceeași în valoare absolută. Există o sarcină minimă, numită elementară, pe care o posedă toate particulele elementare încărcate. Sarcina poate fi pozitivă, ca un proton, sau negativă, ca un electron, dar modulul de sarcină este același în toate cazurile.
Este imposibil să separați o parte a sarcinii, de exemplu, de un electron. Acesta este poate cel mai uimitor lucru. Nicio teorie modernă nu poate explica de ce sarcinile tuturor particulelor sunt aceleași și nu poate calcula valoarea sarcinii electrice minime. Se determină experimental cu ajutorul diverselor experimente.
În anii 1960, după ce numărul de particule elementare nou descoperite a început să crească amenințător, a fost înaintată ipoteza că toate particulele care interacționează puternic sunt compozite. Particulele mai fundamentale au fost numite quarci. S-a dovedit a fi izbitor că quarcii ar trebui să aibă o sarcină electrică fracționată: 1/3 și 2/3 din sarcina elementară. Pentru a construi protoni și neutroni, sunt suficiente două tipuri de quarci. Iar numărul lor maxim, aparent, nu depășește șase.
Unitatea de sarcină electrică
