Сообщение история открытия элементарных частиц. История открытия элементарных частиц. Ученых - фактор стабильности научных

И УСКОРИТЕЛЕЙ

1. Новые тенденции в физике элементарных частиц

2. Ускорители заряженных частиц - главный инструмент исследования материального мира (современный ускорительный арсенал)

3. Международное сотрудничество ученых - фактор стабильности

научных проектов. ОИЯИ - пример сотрудничества

Заключение

РАЗВИТИЕ ФИЗИКИ ВЫСОКИХ ЭНЕРГИЙ

И УСКОРИТЕЛЕЙ

1. НОВЫЕ ТЕНДЕНЦИИ В ФИЗИКЕ

ЭЛЕМЕНТАРНЫХ ЧАСТИЦ

1.1. Что такое физика высоких энергий и немного истории Физика элементарных частиц (или, что сегодня тождественно, физика высоких энергий) изучает природу на очень малых расстояниях с целью исследовать фундаментальные составляющие материи и их взаимодействия.

Проникновение в глубь материи требует все больших энергий сталкивающихся частиц, поскольку в силу принципа неопределенности существует определенная связь энергии и расстояний (так же как и характерных времен), на которых происходят процессы в микромире.

Принцип неопределенности - это фундаментальный закон квантовой теории, утверждающий, что характеризующие физическую систему так называемые дополнительные физические величины (например, координаты и импульс, энергия и время) не могут одновременно принимать точные значения (px, где - постоянная Планка). Это отражает двойственную, корпускулярно-волновую природу элементарных частиц (волновые свойства материи были открыты в 1924 г. французским физиком Луи де Бройлем).

Переход ко все большим энергиям всегда сопровождался раскрытием принципиально новых физических явлений.

Чтобы получить представление о связи областей физики с пространственной и энергетической шкалой, вспомним, на каких расстояниях и при каких энергиях происходят те или иные явления физики:

молекулярная физика - 105 107 см, энергии 1 эВ – 1 кэВ;

атомная физика, антиматерия - 1011 см, энергии 10 МэВ;

ядерная физика - 1013 см, энергии 100 МэВ – 1 ГэВ;

* Международная школа молодых ученых «Проблемы ускорения заряженных частиц», Дубна, 2–9 сент. 1996 г. Дубна, 1997. C. 5–37.

Развитие физики высоких энергий и ускорителей физика высоких энергий, сильные взаимодействия, так называемая адронная физика - 1013 1015 см, энергии 10–100 ГэВ;

физика «сверхвысоких» энергий, процессы на сверхмалых расстояниях, меньших 1015 см, энергии больше 100 ГэВ.

Сегодня исследователям доступны энергии порядка 1 ТэВ.

На рис. 1 приведены характерные масштабы расстояний, времени, энергии.

Только ось в (энергии) следовало бы перевернуть, так как все большим энергиям соответствуют все меньшие характерные интервалы времени и все меньшие пространственные интервалы, на которых разворачиваются события в микромире.

Сегодня мы находимся на уровне «масс W -, Z-бозонов» (по энергетической шкале), «времени жизни резонансных состояний» (шкала времени), «расстояний между кварками» (шкала расстояний).

Поражает тот факт, что за последнее столетие был достигнут поистине гигантский прогресс в физике элементарных частиц и атомного ядра.

Рис. 1. Масштабы расстояний (а), времени (б) и энергий (в) в физике ядер и частиц 86 Лекции по физике частиц Ядерная физика начала свой отсчет за несколько лет до начала XX в.: ровно сто лет назад, в 1896 г., открыто знаменитое явление радиоактивности. Говоря о явлении радиоактивности, нельзя не упомянуть имена: английского физика Эрнеста Резерфорда - одного из создателей (совместно со своим соотечественником Фредериком Содди) теории радиоактивного распада (1903 г.), создателя планетарной модели атома (1911 г.); французских ученых Пьера и Марии Кюри, внесших основополагающий вклад в исследования радиоактивности;

первооткрывателя радиоактивности французского физика Антуана Анри Беккереля.

В 1897 г. был открыт электрон (английский ученый Джозеф Джон Томсон), т. е. была найдена одна из важнейших составляющих атома.

В 1932 г. был открыт нейтрон (английский физик Джеймс Чэдвик), т. е. была определена одна из составляющих атомного ядра.

Интенсивные исследования в области физики высоких энергий начались в 1950-е годы, после создания эффективных ускорителей заряженных частиц.

Таким образом, в цепочке основных составляющих материи (материя состоит из молекул, молекула состоит из атомов, атом - из электронов и атомных ядер, атомное ядро состоит из нуклонов - протонов и нейтронов, нуклон - из кварков...) значительная часть звеньев «возникла» фактически на глазах последних поколений исследователей.

Еще раз отмечу, что именно благодаря ускорителям с пучками частиц очень большой энергии (этим «супермикроскопам» для изучения микромира) стали возможны исследования материи на столь малых расстояниях*. В последние годы наблюдается взаимное проникновение между физикой на малых расстояниях и изучением свойств макроструктур Вселенной. Это - проявление единства физики высоких энергий и астрофизики.

Определяя, что такое физика высоких энергий, часто приводят высказывание Абдуса Салама. Он говорил, что раньше эту науку несла «тройка», состоящая из: 1) теории, 2) эксперимента, 3) ускорителей и детекторов. Затем к «тройкe» пристегнули еще двух «лошадей»:

4) раннюю космологию, описывающую Вселенную начиная с 1043 с после ее возникновения и до истечения первых трех минут, 5) чистую математику.

Попытаемся, используя «схему Салама», проследить сегодняшние тенденции развития физики элементарных частиц.

* Справедливости ради напомню, что важная информация о микромире была получена с помощью наземных, наводных и «спутниковых» детекторов (с компьютерными устройствами) при исследовании космических лучей, а также с использованием реакторных установок.

Развитие физики высоких энергий и ускорителей 1.2. Теоретические представления о структуре частиц Сегодня мы знаем, основываясь на экспериментальных открытиях и теоретических построениях, что электроны, протоны и нейтроны, составляющие материю вокруг нас (т. е. атомы вещества), не являются, вообще говоря, элементарными «кирпичиками мироздания».

Только электроны сегодня описываются как точечно-подобные элементарные частицы. Протоны и нейтроны «сделаны» из более фундаментальных составляющих, названных кварками.

Сильные взаимодействия * описываются фундаментальной теорией кварков и глюонов - квантовой хромодинамикой (КХД). В этой теории глюоны являются носителями сильных взаимодействий, которые удерживают кварки в протонах и нейтронах (эффект «конфайнмента»). Эта теория эффективно может быть использована для исследования большинства наблюдаемых явлений физики сильных взаимодействий.

Другие силы, электромагнитные и слабые, проявляются как совершенно различные. Однако сегодня мы знаем, что они являются проявлениями единой электрослабой теории (Глэшоу, Вайнберг, Салам). «Кирпичиками мироздания» в электрослабом секторе выступают лептоны. Носителями же электрослабых взаимодействий являются два промежуточных бозона (W, Z) и фотон ().

Единая электрослабая теория и КХД (в целом называются стандартной моделью - СМ) определяют взаимодействия элементарных частиц (кварков и лептонов) в масштабе до 1016 см.

Третье, кроме сильного и электрослабого, из известных типов взаимодействий - гравитационное - остается вне рамок стандартной модели. Это взаимодействие тесно связано с нашими представлениями о пространстве и времени. Как известно, пространство и время в рамках специальной теории относительности выступают вместе как единый 4-мерный мир.

В общей теории относительности геометрия этого 4-мерного мира неразрывно связана с гравитационным полем. Ряд интересных «спекуляций» на тему «неуникальности» мира, который мы наблюдаем, существует не только в научной фантастике, но и в теоретических научных построениях.

Отмечу, что выход за рамки стандартной модели сегодня исследуется по ряду направлений. О них мы скажем ниже.

Однако проходившая в июле 1996 г. в Варшаве XXVIII Международная (Рочестерская) конференция по физике высоких энергий констатировала, что стандартная модель согласуется со всеми имеющимися к настоящему времени экспериментальными данными.

Сильновзаимодействующие частицы называются адронами.

Итак, на сегодня мы знаем, что в нашем 4-мерном пространствевремени, наполненном условно-точечными с точностью до 1016 см фермионами* (лептонами и кварками), действует три типа взаимодействий, обусловленных специальными носителями: глюонами, W - и Z-бозонами и гипотетическими гравитонами.

1.3. Некоторые экспериментальные достижения Основной задачей большинства экспериментов последних нескольких лет являлось проведение традиционной проверки стандартной модели на различных ускорителях, но в первую очередь на LEP (ЦЕРН) и e+ e -коллайдере SLAC. Практически все измерения согласуются со стандартной моделью с поразительной точностью, на уровне 1 %.

Прежде чем прокомментировать некоторые яркие экспериментальные результаты этих исследований, расположим «кирпичики мироздания» в виде таблицы (см. табл. 1).

Так, одним из наиболее крупных достижений последних двух лет было открытие топ-кварка (t). Это был последний из ненаблюдаемых кварков, который лежит в основе стандартной модели. Установленная масса (почти 200 ГэВ) была правильно оценена непрямыми методами (LEP). Открытие t-кварка было сделано на адронном коллайдере во FNAL с помощью двух больших детекторных комплексов (CDF и D0), использующих сложную методику обработки результатов, чтобы выделить редкие события. Здесь проявилась другая важная особенность современных ускорителей заряженных частиц, у которых кроме высоких энергий предусматриваются и высокие интенсивности (светимости в случае коллайдеров):

Экспериментальные факты указывают на то, что системы с целым спином (бозоны) подчиняются законам статистики Бозе–Эйнштейна, а системы с полуцелым спином (фермионы) подчиняются законам статистики Ферми–Дирака. В математической физике доказана теорема связи спина со статистикой.

т. е. количество частиц, пролетающих в единицу времени через единицу площади. Высокие светимости позволяют изучать редкие процессы (повышая вероятность их наблюдения). К ускорительным машинам с высокой светимостью применяют термин «фабрика» (-фабрика, c- -фабрика, B-фабрика, Z-фабрика...).

Экспериментальные исследования и теоретическое осмысление физики t-кварка сегодня (и завтра) сводятся к тому, чтобы ответить на вопросы: почему t-кварк так тяжел? Каковы его свойства?

Эксперимент также нацеливается на прецизионное измерение массы t-кварка.

Несколько ранее (начало 90-х годов) на ускорительном комплексе LEP было установлено, что на нынешнем витке познания мы имеем дело с тремя поколениями частиц. Была измерена с высокой точностью масса и полная ширина Z 0 -бозoнa, что позволило установить количество нейтринных каналов распада Z 0 и определить число поколений.

Загадками для будущих экспериментов в физике высоких энергий являются вопросы: а сколько всего семейств (поколений) имеется в природе? Есть ли структура у кварков и лептонов (на расстояниях меньше 1016 см)?

Эти вопросы относятся к категории классических фундаментальных проблем физики микромира. Они задают направления выхода за рамки наших сегодняшних представлений.

Вернемся, однако, немного назад и поясним роль поколений элементарных частиц.

Все атомы, т. е. химические элементы, грубо говоря, состоят из u-, d-кварков и электронов. Электронное нейтрино e не входит в состав атомов, но оно участвует в протон-протонном цикле ядерных реакций, происходящих в недрах Солнца и обеспечивающих его «горение».

Фермионы II и III поколений являются утяжеленными аналогами u, d, e и e и, как считается, играли важную роль в динамике ранней Вселенной. В современную эпоху они появляются в процессах, порожденных космическими лучами, и в столкновениях частиц на современных ускорителях.

Кварки, в отличие от лептонов, характеризуются цветом - дискретной переменной, принимающей три значения. Эта переменная была введена в 1965 г. Боголюбовым, Струминским, Тавхелидзе, Ханом и Намбу с целью сохранения принципа Паули в кварковой модели адронов.

Другим загадочным свойством кварков является дробность их электрических зарядов Q. Q = 2/3e для кварков u, c, t и Q = 1/3e для d, s и b. «Бесцветные» лептоны либо электрически нейтральны (все нейтрино), либо имеют заряд Q = e (e, µ и).

Последние 2–3 года внесли много нового в понимание нуклонной структурной функции при очень больших переданных импульсах q (e p-коллайдер HERA, DESY и др.), что проясняет структуру адронов. Достигнуто значительное понимание физики тяжелых кварков (b-кварков) с помощью экспериментов на установке CLEO в Корнелле и др.

В экспериментальных программах ЦЕРН, BNL и ОИЯИ значительное место занимают ядро-ядерные столкновения при высоких энергиях. Эта область исследования ставит своей целью обнаружение проявлений кварк-глюонных взаимодействий при соударении ядер и также дает новую информацию о строении материи (кумулятивный эффект, кварк-глюонная плазма и др.).

Очень трудно в ограниченное время лекции сделать полный обзор достижений последних лет. Выбор примеров (отчасти субъективный) имел целью дать общее представление о тенденциях в физике высоких энергий. Следуя «схеме» Салама, перейдем к математической подоплеке стандартной модели, оставив пока в стороне загадки ранней космологии и состояние ускорительного арсенала современной физики элементарных частиц.

1.4. Математический взгляд на современную физику высоких энергий и появление новых загадок Говоря о влиянии чистой математики на развитие физики высоких энергий, надо понимать, что речь идет об углублении и совершенствовании математического аппарата теории частиц. Ранее чисто математическая теория групп, методы математической физики и многие другие математические теории теперь стали среди всего прочего аппаратом и языком для физиков.

В математическом отношении СМ представляет собой калибровочную квантовую теорию поля (со всеми ее преимуществами и недостатками типа расходимостей и перенормировок) с группой симметрии Калибровочные теории замечательны тем, что в них практически однозначно фиксируется структура лагранжиана взаимодействия.

При этом переносчиками взаимодействия являются векторные частицы, число которых равно числу параметров группы симметрии.

Данные частицы не обладают какой-либо составной структурой, т. е.

являются столь же элементарными, как, например, кварки и лептоны.

Группа (1) зависит от 8+3+1 = 12 параметров. Восьмерка отвечает сомножителю SU (3)C - группе цветовой симметрии, лежащей в основе КХД. Соответствующий октет векторных бозонов, называемых глюонами, осуществляет взаимодействие между цветными кварками.

Симметрия SU (3)C считается точной, а глюоны - безмассовыми.

Установлено, что на малых расстояниях (при больших передаваемых импульсах) эффективное кварк-глюонное взаимодействие убывает («асимптотическая свобода»). Поэтому в данной области можно применять для расчетов аппарат теории возмущений, например диаграммную технику Фейнмана, и получать надежные количественные предсказания.

На расстояниях 1013 см хромодинамические силы должны быть большими хотя бы потому, что им надлежит связать кварки в адроны и обеспечить «сильное» взаимодействие последних. Теория возмущения в данном случае неприменима. «КХД на больших расстояниях», как обычно называют теорию кварк-глюонных взаимодействий в этой области, - предмет интенсивных исследований как в плане теоретическом, так и в плане экспериментальном. Проблемой номер один, являющейся откровенным вызовом теоретикам на протяжении уже многих лет, здесь можно считать разгадку механизма конфайнмента, т. е. объяснение причины удержания кварков внутри адронов и невозможности существования их в свободном состоянии.

Обратимся теперь к теории электрослабых взаимодействий (ЭСВ) в рамках стандартной модели. Эта теория была сформулирована Вайнбергом, Саламом и Глэшоу. Группа калибровочной симметрии ЭСВ включает в себя второй и третий сомножители из (1):

и задается, соответственно, числом параметров, равным 3 + 1 = 4.

Значит, калибровочных векторных бозонов здесь должно быть 4. Это, W ±, Z 0. Фотон, подобно глюонам, является безмассовой частицей, тогда как векторные бозоны W, Z 0 имеют массы:

Последнее обстоятельство указывает на то, что симметрия (2) не может быть точной, а должна неизбежно нарушаться.

Теория ЭСВ включает в себя хиггсовский механизм спонтанного нарушения SU (2)L U (1)-симметрии, который обеспечивает появление масс у W, Z 0, кварков и лептонов без потери калибровочной инвариантности полного лагранжиана ЭСВ. В простейший вариант теории входит один нейтральный хиггсовский скалярный бозон H 0, масса которого, однако, не предсказывается. По современным представлениям, она заключена в интервале Поиск H непременно входит в перспективные экспериментальные программы крупнейших ускорительных лабораторий мира.

По данным 2004 г., интервал, видимо, уже: верхняя граница около 260 ГэВ. - Примеч. сост.

В рамках SU (2)L U (1)-симметрии реализовано объединенное описание электромагнитного и слабого взаимодействий кварков и лептонов. Этот синтез оказался настолько глубоким, что употребление универсального термина «электрослабое взаимодействие» вполне правомерно.

Вообще физика знает немало примеров того, каким плодотворным может быть единый подход к описанию явлений, кажущихся на первый взгляд совсем не связанными и даже разнородными.

Так, благодаря Ньютону земная и небесная гравитация соединились в одном понятии «всемирное тяготение». Фарадей обнаружил, что электрические и магнитные силы есть проявление одной сущности - электромагнетизма. Максвелл объединил электромагнетизм и оптику, поняв, что они описывают явления, имеющие общую природу. Он же, соединив аналитическую механику и термодинамику, развил кинетическую теорию газа.

В СМ кварк-глюонное взаимодействие, с одной стороны, и электрослабое - с другой, существуют совершенно независимо друг от друга. Попытки объединить эти взаимодействия в рамках более общей теоретической схемы с эффектным названием «великое объединение»

пока, к сожалению, не привели к реальному успеху. Тем не менее продолжают разрабатываться и более грандиозные проекты, претендующие на создание «всеобъемлющей теории» («the theory of everything»).

В первую очередь здесь имеются в виду уже упоминавшиеся суперструнные теории, в которых осуществляется синтез кварк-глюонного электрослабого и гравитационного взаимодействий, причем описание последнего согласуется с требованием квантовой механики.

В конечном счете теория «суперструны» объединила СМ и гравитацию, используя понятие крошечной струны вместо точечных частиц. Это еще одно из интересных направлений выхода за пределы стандартных представлений о физике микромира.

Несомненный интерес представляет построение теории, использующей понятие «фундаментальной длины» (Тамм, Кадышевский и др.), - это тоже одно из направлений исследований вне привычных рамок.

Что может служить надежным ориентиром для выхода за рамки СМ? На каких расстояниях (при каких энергиях) СМ заведомо перестанет «работать»? Для какой более общей теории СМ является низкоэнергетическим пределом? Только будущие эксперименты в состоянии дать ответы на эти вопросы. Они, как известно, могут быть двоякого рода. Первый предполагает продвижение в область малых расстояний с помощью ускорителей, разгоняющих частицы до более высоких энергий, второй - прецизионные измерения при уже достигнутых энергиях тех величин, в значение которых вносят вклад процессы, происходящие на малых расстояниях.

Твердого и надежного теоретического фундамента «физики за пределами СМ» не существует. Здесь можно пока говорить лишь об определенных направлениях исследований. Среди них наиболее популярны:

Суперсимметрия, составные кварки и лептоны, «великое объединение», суперструны, техницвет и некоторые другие.

Для суперструнных теорий характерным масштабом является планковская масса MP = 1019 ГэВ. «Великое объединение» взаимодействий должно наступать при энергиях порядка 1015 ГэВ.

О ряде возможных теоретических схем мы уже говорили выше.

Скажем несколько слов о суперсимметрии (СУСИ), которой в последние два десятилетия уделяется очень много внимания. СУСИ - это новая разновидность симметрии в мире элементарных частиц, основанная на объединенном описании бозонов и фермионов. В рамках СУСИ каждой частице сопоставляется суперчастица, спин которой отличается на 1/2. Так, фотону, W - и Z-бозонам, обладающим спином 1, соответствуют дираковские суперчастицы «фотино», «вино» W и «зино» Z; кваркам и лептонам отвечают скалярные «скварки» и «слептоны», скалярным «хиггсам» - «схиггсы» со спином 1/2.

Все частицы и суперчастицы, входящие в один супермультиплет, должны иметь одинаковую массу. Однако ничего похожего на вырождение спектра масс у имеющихся фермионов и бозонов не наблюдается. Более того, если даже не принимать во внимание различия в массах, следует констатировать, что известные нам фермионы не могут быть интерпретированы как суперпартнеры существующих бозонов.

Отсюда при оптимистическом отношении к самой концепции СУСИ следуют два вывода:

Суперсимметрия элементарных частиц реализуется в нарушенной форме с большим расщеплением масс в супермультиплетах;

суперчастицы нужно открывать.

Несомненно, что обнаружение суперчастиц явилось бы ярким сигналом новой, нестандартной физики. Пока, однако, их поиск не увенчался успехом. Из имеющихся на сегодня данных получаются лишь оценки масс этих объектов:

Как теоретическая схема СУСИ удовлетворяет самым высоким эстетическим требованиям. Суперструнные теории своей привлекательностью во многом обязаны заложенной в них суперсимметрии.

Соединение идеи СУСИ с калибровочным принципом привело к нетривиальному обобщению теории тяготения - супергравитации. В рамках универсального суперсимметричного описания фермионов и бозонов стираются различия между структурными составляющими материи, с одной стороны, и переносчиками взаимодействий - с другой. Наконец, в суперсимметричных теориях поля теряет свою остроту проблема ультрафиолетовых расходимостей: либо они здесь совсем исчезают, либо соответствующая процедура перенормировки значительно упрощается.

Ранее было сказано, что с точностью до 1014 см кварки и лептоны можно считать элементарными бесструктурными объектами и что именно такое представление об этих фермионах заложено в СМ.

Однако повторяемость поколений и само обилие кварков и лептонов (в трех поколениях кварков фигурирует 18 кварков (с учетом цвета) и лептонов), быть может, является намеком на их сложную природу.

Соответствующих моделей предложено немало. Кварки и лептоны в них строятся из небольшого количества более фундаментальных фермионов (пракварков, субкварков, преонов... - общепринятого названия для этих «конституэнтов» пока нет).

Еще одна загадка в физике частиц относится к проблеме асимметрии материи-антиматерии во Вселенной. Есть два условия, которые могут объяснить это, - нестабильность барионов - сильновзаимодействующих частиц (предмет исследования больших неускорительных экспериментов) и СР-нарушения (они будут исследованы в следующей генерации экспериментов с интенсивными K-мезонными пучками на новых установках, позволяющих наблюдать СР-нарушения в распадах B-мезонов). Существует также гипотеза о существовании другой Вселенной, где в отличие от нашей преобладают античастицы.

Физика частиц может также дать ответ на загадку темной материи во Вселенной. Все наблюдения требуют новых форм небарионной темной материи. Это могут быть новые суперсимметричные частицы и/или массивные нейтрино. Существуют и другие возможности.

До сих пор нет ясного ответа на вопрос, есть ли у нейтрино масса. Эксперименты по прямому наблюдению массы нейтрино или трансформации одного нейтрино в другое («нейтринные осцилляции»

Понтекорво и др.) планируются в программах будущих исследований на ускорителях.

В заключение этой части можно кратко резюмировать, что прошедшие несколько лет дали точное подтверждение стандартной модели. Однако существует много загадок, которые дают как теория, так и эксперименты, а усилия направлены сегодня на выход из создавшегося положения. Направления «выхода» неоднозначны, и, не претендуя на полноту, мы рассмотрели лишь некоторые (будем надеяться, что основные) тенденции.

Теперь вернемся к самому началу...

По современным представлениям, основанным на так называемой стандартной космологической модели, в первую микросекунду своего существования Вселенная была настолько горячей, что могла состоять лишь из элементарных частиц, связанных фундаментальными силами. Это была сотворенная самой природой уникальная лаборатория физики высоких энергий.

Ускоряя частицы и сталкивая их друг с другом в современных земных лабораториях, мы, в принципе, многое можем узнать о тех фундаментальных процессах, которые изначально происходили во Вселенной. При этом чем больше энергия сталкивающихся частиц, тем более ранний период истории Вселенной попадает в поле нашего зрения.

Однако известно, что габариты ускорителей довольно быстро растут с увеличением предельной энергии, на которую они рассчитаны.

Здесь наши возможности будут довольно скоро исчерпаны, если не появятся принципиально новые идеи и технологические решения.

Напомню, что ускорение частиц до энергии 1015 ГэВ, отвечающей «великому объединению» сильного и электрослабого взаимодействий, потребовало бы сооружения ускорителя размером с Солнечную систему. А если бы мы хотели продвинуться до «планковской» энергии 1019 ГэВ (на этом рубеже становятся существенными квантовогравитационные эффекты), то пришлось бы строить ускоритель, кольцо которого имело бы протяженность порядка 10 св. лет.

Подобные машины могут существовать лишь в воображении писателей-фантастов. Однако теоретическая мысль смело проникает и в область практически недостижимых энергий. При этом реалистичность и жизнеспособность моделей, описывающих взаимодействие элементарных частиц во всей области энергий, определяются, в частности, при «сшивании» этих моделей со стандартной космологической моделью ранней Вселенной. В результате в физику высоких энергий вносятся ценные эвристические идеи и ограничения.

Это и имеет в виду Салам, рассматривая раннюю космологию как одну из движущих сил современной физики элементарных частиц. Приведу примеры, иллюстрирующие правомерность такой точки зрения. Некоторые из них невольно будут перекликаться со сказанным выше.

На основании астрофизических оценок распространенности первичного 4 Не можно судить о количестве различных типов легких нейтрино и, следовательно, о числе поколений лептонов и кварков. Наблюдаемая барионная асимметрия мира, возможно, связана с возникновением в ранней Вселенной преобладания кварков над антикварками во взаимодействиях, нарушающих закон сохранения барионного заряда и СР-симметрию.

Весьма важной и глубокой проблемой, в решении которой заинтересованы как космология, так и теория элементарных частиц, является оценка космологической постоянной. Для самосогласованного описания ранней Вселенной введение этого параметра сейчас признается необходимым. С другой стороны, по астрономическим данным, в современную эпоху величина очень мала (|| 1056 см2), если вообще не равна нулю.

В квантовой теории поля, не использующей суперсимметрию, постоянная выражается через энергию вакуума и формально является бесконечной величиной. Если в соответствующие расходящиеся фейнмановские интегралы вводить разумное обрезание, то полученная в результате оценка || будет отличаться от астрономической на 50– 100 порядков. Однако в суперсимметричной теории поля происходит сокращение всех расходящихся вакуумных диаграмм, что эквивалентно = 0. В этой связи возникает вопрос: можно ли, отказавшись от точной суперсимметрии, подобрать такой механизм ее нарушения, чтобы космологическая постоянная была отличной от нуля, но малой величиной?

Отметим, что ценная информация для физики элементарных частиц поступает и из астрофизических наблюдений, не имеющих прямого отношения к ранней космологии. Так, своеобразным стимулом для поиска новых нейтральных частиц служит вывод астрофизиков о том, что около 95 % массы нашей Вселенной составляет таинственное «темное вещество» («dark matter»). Особое место занимает нейтринная астрофизика, для которой событием первостепенной важности явилось наблюдение в феврале 1987 г. вспышки сверхновой SN1987A в Большом Магеллановом облаке.

Итак, ключ к решению некоторых актуальных проблем физики микромира может быть найден при изучении макрокосмоса, и наоборот, отдельные яркие фрагменты физической картины макрокосмоса основаны на закономерностях, обнаруженных при исследовании микромира.

2. УСКОРИТЕЛИ ЗАРЯЖЕННЫХ ЧАСТИЦ -

ГЛАВНЫЙ ИНСТРУМЕНТ ИССЛЕДОВАНИЯ

МАТЕРИАЛЬНОГО МИРА

(СОВРЕМЕННЫЙ УСКОРИТЕЛЬНЫЙ АРСЕНАЛ)

Ускорители - это источники ускоренных частиц (электронов, протонов и т. д.), которые «просвечивают» (как свет в микроскопе) физическую материю, атомные ядра или элементарные частицы, вызывая сложные взаимодействия, зависящие от типа ускоренных частиц, мишени, энергии ускоренных частиц и других условий эксперимента.

Помимо ускорителей источником частиц (в том числе высоких энергий) может служить поток частиц, рожденных в космосе, - так называемые космические лучи. Однако интенсивность «космических»

источников мала и быстро уменьшается с ростом энергии.

В настоящее время ускорители применяются для решения практических задач (материаловедение, стерилизация медицинской техники, дефектоскопия, субъядерные фильтры, терапия опухолей, сохранение сельскохозяйственных продуктов, экологические задачи и т. д.), но самые мощные и дорогостоящие ускорители создаются для научных целей. Длина магнитной дорожки ускорителя (по которой, двигаясь, ускоряются элементарные частицы) сегодня достигает уже многих километров, а стоимость ускорителя с необходимой исследовательской аппаратурой исчисляется многими миллионами рублей. Сооружение ускорительной установки для фундаментальных исследований является событием, требующим привлечения больших материальных и людских ресурсов, а также разработки новых приборов и технологий.

Не один год обсуждается возможность сооружения VBA - «очень большого ускорителя» - одного для всего физического содружества.

Однако для научных нужд требуются различные ускорительные комплексы - для ускорения электронов, протонов, тяжелых ионов, со встречными пучками и неподвижной мишенью. Поэтому в настоящее время международное сообщество физиков идет по пути согласования типов ускорителей, которые должны быть построены в различных регионах, участия различных стран в разработке и сооружении ускорителей и особенно исследовательской аппаратуры - детекторов.

Еще раз подчеркнем: с помощью ускорителей при соударении ускоренных частиц и частиц мишени осуществляются процессы при достаточно высоких энергиях, которые могут быть достигнуты человеком в земных условиях. Заряженные частицы ускоряются в вакуумной камере. Для формирования траектории частиц создаются многокилометровые кольцевые магнитные системы, и ускорение частиц осуществляется высокочастотным электрическим полем.

Вследствие установленной Альбертом Эйнштейном эквивалентности массы и энергии максимальная энергия процесса, происходящего при столкновении частиц, определяет и максимальную массу материального объекта, который может быть порожден в результате этого процесса. Поэтому уже в самом проекте ускорителя (предельная энергия, встречные пучки или неподвижная мишень, интенсивность пучков) закладываются ограничения на параметры частиц, которые могут быть на нем изучены.

Говоря о развитии физики и техники ускорителей заряженных частиц, хочется отметить выдающийся вклад отечественных специалистов: физиков, ускорительщиков, инженеров, и среди них Г. И. Будкера, В. И. Векслера, А. И. Алиханова, А. И. Алиханьяна, А. Л. Минца, А. Н. Скринского, А. П. Комара, А. А. Логунова, A. M. Балдина, М. А. Маркова, Г. Н. Флерова, М. Г. Мещерякова, 4 А. Н. Cисакян В. П. Джелепова, В. П. Саранцева и др. (С одной стороны, трудно избежать упоминаний имен при изложении материала, с другой стороны, многие фамилии крупных ученых невольно остаются за строкой. Приношу извинения людям и памяти людей, с которыми так получилось.) В приведенных ниже таблицах и рисунках даны характеристики параметров крупнейших ускорителей мира (действующих и строящихся) и показаны возможности современного ускорительного арсенала.

Рис. 2 дает сравнение шкалы энергий с предполагаемой картиной возникновения единых теорий. Конечно, такая картинка носит гипотетический характер.

Сегодня мы располагаем энергиями LEP и тэватрона (1011 1012 эВ) и уже достигли объединения электромагнитных и слабых сил.

В районе 1024 эВ предсказывается великое объединение, а в области 1028 эВ - полное объединение всех существующих сил природы.

На рис. 3 представлен график, показывающий связь достигнутых на ускорителях рекордных энергий с календарным временем. Следует подчеркнуть, что за прошедшие полвека на глазах одного поколения достигнут гигантский прогресс.

Рис. 4 связывает «календарь» с достижениями ускорительной техники. Ось ординат - это энергетическая шкала, а различные «веточки» и точки отвечают типу ускорителя, благодаря которому эти энергии могут быть достигнуты.

На рис. 5 показаны достижения энергии и светимости - важнейших параметров - наиболее крупных действующих и проектируемых ускорительных машин.

Развитие физики высоких энергий и ускорителей Из рис. 6 видны годы начала физических экспериментов на крупнейших ускорителях мира.

На рис. 7 показано, при каких энергиях становятся заметными сечения рождения ряда интенсивно изучаемых сейчас частиц (Z - энергии LEP; J/ - энергии BNL и т. д.).

Развитие физики высоких энергий и ускорителей Из рис. 8 можно сделать вывод, при каких светимостях работают крупнейшие ускорители мира (какие частицы при этом рождаются и могут быть изучены).

Высокие энергии требуют (к сожалению) и большого размера кольца ускорителя (если не появятся принципиально новые методы ускорения) (см. рис. 9).

В табл. 2 приведены параметры проектируемых линейных коллайдеров.

102 Лекции по физике частиц Рис. 10. Тоннель LEP-коллайдера Nominal luminosity, 1033 cm2 ·s Actual luminosity, 1033 cm2 ·s No. of particles/bunch at IP (1010) Main linac gradient, unloaded/loaded, MV/m 25/25 21/17 31/- 40/32 73/58 50/37 100/91 80/ x /y, mrad · x /, mm d before pinch, nm Disruptions Dx /Dy n (no. of ’s per e) Npairs (p = 20 MeV/c, min = 0.15) Nhadrons /crossing Njets · 102 s (p = 3.2 GeV/c) Рис. 11. Тоннель SPS (SuperProton Synchrotron)

3. МЕЖДУНАРОДНОЕ СОТРУДНИЧЕСТВО

УЧЕНЫХ - ФАКТОР СТАБИЛЬНОСТИ НАУЧНЫХ

ПРОЕКТОВ. ОИЯИ - ПРИМЕР СОТРУДНИЧЕСТВА

Объединение усилий ученых в области физики высоких энергий - это не только дань традиции сотрудничества физиков, но и настоятельная необходимость, примета времени. Сегодня уже все три составляющие опыта по физике высоких энергий (ускоритель, детектор, электронно-вычислительная машина) - это уникальные дорогостоящие установки. Чтобы не отстать от стремительного прогресса в этой области науки, сегодня есть только один способ - объединять усилия.

От ускорителей следующего поколения физика ждет решения ряда фундаментальных проблем, в том числе:

объединения существующих в природе взаимодействий (электрослабого, сильного и гравитационного);

создания систематики элементарных частиц (т. е. в конечном счете раскрытия их структуры).

Развитие физики высоких энергий и ускорителей Достижение этих результатов окупило бы колоссальные интеллектуальные и материальные затраты, на которые общество пошло ради них. Была бы построена (на данном витке познания) картина микромира, это послужило бы гигантским толчком научно-технического прогресса. Достаточно вспомнить последствия объединения электрических и магнитных сил в электромагнитное взаимодействие, расщепление атома и ядра... Следует подчеркнуть, что кроме своей генеральной задачи, какой является проблема формирования наших представлений о микромире, физика высоких энергий таит в себе богатые возможности воздействия на технический прогресс как благодаря открытиям в рамках физики, так и благодаря ее влиянию на другие науки. Эту совокупность аспектов рассматриваемой проблемы можно условно отнести к прямым эффектам от фундаментальных исследований в физике элементарных частиц. Но следует учесть, что кроме этого существуют эффекты и косвенного влияния этих исследований на технический прогресс, которым весьма трудно дать экономическую оценку, в то время как польза от них чрезвычайно велика. Дело в том, что развитие фундаментальной физики сопровождается появлением принципиально новой очень современной физической аппаратуры, принципиально новой техники и методики, которые находят применение во многих областях науки и техники.

Не будет преувеличением ожидать, что раскрытие тайн микромира, углубление его связи с космологией, решение практических задач в рамках широкого международного сотрудничества покажут, какие сложные проблемы можно решать объединенными усилиями ученых.

Роль международного сотрудничества ученых была еще раз понята в 1993 г. Печальный опыт закрытия SSC - проекта века в Далласе, - проанализированный группой американских специалистов во главе с С. Дреллом, показывает, что международность научных проектов является мощным стабилизирующим фактором. SSC, несмотря на широкое сотрудничество, создавался в рамках национальной программы. «Нет национальной науки - как нет национальной таблицы умножения. Если наука национальна - это уже не наука», - это чеховское высказывание процитировали специалисты в своем отчете о закрытии SSC.

В историю сотрудничества между физиками-ядерщиками Востока и Запада вписано немало ярких страниц, демонстрирующих его высокую эффективность. В этом отношении показательными являются примеры ЦЕРН и ОИЯИ, сотрудничество в рамках этих организаций и между ними.

ОИЯИ и ЦЕРН - Европейский центр ядерных исследований* имеют тесные научные связи. Эти научные центры чрезвычайно плоВ сентябре 2004 г. ЦЕРН исполняется 50 лет.

дотворно сотрудничают между собой с начала своего существования.

Хорошим примером является участие Объединенного института в перспективной научной программе по реализации проекта большого адронного коллайдера (LHC), создаваемого в ЦЕРН. Помимо этого, несомненной заслугой ОИЯИ и ЦЕРН является то, что всей своей деятельностью, начавшейся в первое послевоенное десятилетие, они способствовали делу сближения народов, объединению усилий ученых десятков стран на ниве «мирного атома».

Приведу в заключение лишь очень краткую «визитную карточку»

нашего Института.

За четыре десятилетия своей деятельности Объединенный институт* стал крупнейшим многоплановым центром фундаментальных ядерных исследований, объединяющим усилия ученых в их стремлении понять, как устроен окружающий нас мир.

Членами Института в настоящее время являются 18 государств:

Азербайджан, Армения, Белоруссия, Болгария, Вьетнам, Грузия, Казахстан, КНДР, Куба, Молдавия, Монголия, Польша, Россия, Румыния, Словакия, Узбекистан, Украина и Чехия.

В Институте работают около 6000 человек (вместе с обслуживающими подразделениями), из них более 1000 - научные сотрудники, около 2000 - инженерно-технический персонал. В составе Института 7 крупных лабораторий, каждая из которых по масштабам и объему проводимых исследований сопоставима с большим институтом.

ОИЯИ располагает уникальными в своем классе источниками излучения частиц и ядер в широком диапазоне энергий. Помимо синхроциклотрона и синхрофазотрона здесь построены и действуют ускорители тяжелых ионов У-200 и У-400. В 1993 г. получен выведенный пучок ионов из циклотрона У-400М. В 1994 г. введен в действие сверхпроводящий ускоритель релятивистских ядер нуклотрон, ведутся исследования с помощью импульсных реакторов на быстрых нейтронах ИБР-30 (c 1969 г.) и ИБР-2 (c 1984 г.).

Перспектива фундаментальных исследований связана с реализуемой в Институте программой создания современных базовых установок. В 1994 г. началась реализация проекта ИРЕН, направленного на создание высокопоточного импульсного источника резонансных нейтронов. Разрабатываются проект с-тау-фабрики - электронпозитронного коллайдера с универсальным детектором и проект специализированного источника синхротронного излучения.

Можно было бы много говорить о научных направлениях ОИЯИ и его широком сотрудничестве, но вы, наверное, обратили внимание, что среди имен, упомянутых мною в далеко не полном списке ученых, ОИЯИ (как международная организация) на полтора года младше ЦЕРН (день подписания Соглашения об образовании ОИЯИ 26 марта 1956 г.). - Примеч. сост.

внесших значительный вклад в развитие физики высоких энергий, было немало имен дубненских физиков.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Перенесемся теперь мысленно в 1928 г.... Профессор Макс Борн, встречая группу посетителей Геттингенского университета, говорил:

«Физика, насколько мы ее понимаем, закончится через 6 месяцев».

Надо сказать, что у Борна была к тому времени очень высокая репутация как физика-теоретика и ему никак нельзя было отказать в проницательности. Именно он разъяснил Гейзенбергу, открывшему матричную форму квантовой механики, что тот имеет дело не с чем иным, как с матрицами. Ему же принадлежала вероятностная трактовка квантово-механической волновой функции.

Иллюзия «конца физики» возникла у Борна не случайно. Незадолго до этого Дирак открыл свое замечательное уравнение, которое, как полагал автор, описывает сразу и электрон и протон. Поскольку в то время только эти частицы и были известны и поскольку уравнение Дирака в принципе решало проблему согласования друг с другом требований квантовой механики и теории относительности, Борну показалось, что физика как наука себя исчерпала.

С тех пор прошло не 6 месяцев, а почти 70 лет. Физика не только не закончилась, а, наоборот, все эти годы неуклонно, иногда непредсказуемо, развивалась. Явным лидером ее стала физика высоких энергий.

Именно в этот период времени возникли и усовершенствовались ускорители, произошла настоящая революция в развитии физических измерительных средств. В итоге совместными усилиями ускорительщиков, экспериментаторов и теоретиков было открыто множество важных и глубоких закономерностей микромира. И прав был Паскаль, когда сказал: «Скорее воображение устанет постигать, чем Природа поставлять». Вот этим я и хотел бы закончить.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Salam A. // Particle Physics. 1987. IC/87/402.

2. Фейнман Р. КЭД - странная теория света и вещества. М.: Наука, 1988. (Библиотечка «Квант», вып. 66).

3. Howking S. W. Brief History of Time. Bantom Books, 1988.

4. Окунь Л. Б. Лептоны и кварки. М.: Наука, 1981.

5. Rubbia C. The «Future» in High Energy Physics: CERN-EP/88-130.

6. Bjorken J. D. Topics in B-Physics // Fermilab-Conf-88-134-T.

7. Кадышевский В. Г. Лекция на Междунар. школе молодых ученых по ускорителям заряженных частиц, Дубна, 1988.

Похожие работы:

«1 2 3 Содержание 5. Пояснительная записка 5.1 ель и задачи медицинской биофизики и её место в учебном процессе 5.1.1 Цель преподавания медицинской биофизики 5.1.2 Задачи изучения медицинской биофизики 5.1.3 Место дисциплины в структуре ООП. 5.1.4 Междисциплинарные связи 5.1.5 Матрица компетенции дисциплины. 5.1.6 Виды контроля. Формы текущего контроля используемые в работе 6. Структура и содержание дисциплины 6.1 Объем дисциплины и виды учебной работы 6.2 Наименование тем, их содержание, объем...»

«МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ ГОСУДАРСТВЕННОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ Воронежский государственный университет УТВЕРЖДАЮ Ректор Д.А. Ендовицкий 2011 г. м.п. ДОПОЛНИТЕЛЬНАЯ ПРОФЕССИОНАЛЬНАЯ ОБРАЗОВАТЕЛЬНАЯ ПРОГРАММА повышения квалификации научно-педагогических работников государственных учреждений высшего профессионального образования и государственных научных организаций, действующих в системе высшего и послевузовского...»

«Федеральное агентство железнодорожного транспорта Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования Уральский государственный университет путей сообщения (УрГУПС) СЕРИЯ БИБЛИОГРАФИЧЕСКИХ УКАЗАТЕЛЕЙ ТРУДЫ СОТРУДНИКОВ УрГУПС Сергей Петрович БАУТИН ЮБИЛЕЙНЫЙ БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ УКАЗАТЕЛЬ НАУЧНЫХ ПУБЛИКАЦИЙ ЗА 1973–2012 гг. Екатеринбург Издательство УрГУПС 2012 ББК Ч 755.3 Б29 Серия основана в 2005 г. Баутин Сергей Петрович: юбилейный...»

«Новости пал еонтологии и стратиграфии, 201 О, вып. 14, c.111-140 Приложение к J/СУРНалу Геология и геофизика, Т. 51 УДК 575.321:564. 1 НОВЫЕ ДАННЫЕ ПО СИСТЕМАТИКЕ ЮРСКИХ И МЕЛОВЫХ ДВУСТВОРЧАТЫХ МОЛЛЮСКОВ СЕМЕЙСТВА OXYTOMIDAE ICHlКAWA, 1958 о. А. Лутиков 1, Б. Н. Шурыгин 2 /Научно-исследовательский институт палеонтологии, стратиграфии и седиментологии, Новосибирск, ул. Б. Хмельницкого, оф. 14; Россия 630110, 60, 2Институт нефтегазовой геологии и геофизики ИМ. А.А. Трофимука СО РАД...»

«iiexs ieuex reweveex howmnyn hrm ©oryi iuyh ueqs §xhrexy ¦vseuex reeeywxis rewe hssvis xhs wesx eFHIFHP { 4hiferenil hvsrowmner4 msngitow$ym fizikm$emtikkn gitow$yownneri doktori gitkn sti!ni hymn tenxosow$yn i¤weqs iiex { PHII ЕРЕВАНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ Думанян Ваграм Жораевич О ЗАДАЧЕ ДИРИХЛЕ ДЛЯ ОБЩЕГО ЭЛЛИПТИЧЕСКОГО УРАВНЕНИЯ ВТОРОГО ПОРЯДКА АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени доктора физико - математических наук по специальности 01.01.02 – Дифференциальные...»

«14-Геофизика: земная кора, океан, атмосфера Абдрахимова Полина Викторовна, 5 курс Уфа, Башкирский государственный университет, физический Особенности температурного поля в многопластовой системе при индукционном нагреве колонны Шарафутдинов Рамиль Файзырович, д.ф.-м.н. e-mail: [email protected] стр. 457 Абдрашитов Вакиль Хайдарович, магистрант 2 года обучения Уфа, Башкирский государственный университет, физико-технический институт Экспериментальное изучение распределения температуры при...»

«КРАТЧАЙШАЯ ИСТОРИЯ ВРЕМЕНИ СТИВЕН ХОКИНГ Леонард Млодинов КРАТЧАЙШАЯ ИСТОРИЯ ВРЕМЕНИ санкт-петербург АМФОРА 2011 Стивен Хокинг, Леонард Млодинов: Кратчайшая история времени УДК 524.8 ББК 22.68 X Х70 STEPHEN HAWKING & LEONARD MLODINOW A Briefer History of Time Перевел с английского Бакиджан Оралбеков Научный редактор А. Г. Сергеев Издательство выражает благодарность литературным агентствам Writers House LLC и Synopsis за содействие в приобретении прав Защиту интеллектуальной собственности и прав...»

« государственный университет УТВЕРЖДАЮ Декан физико-технического факультета Б.Б. Педько 2012 г. Учебно-методический комплекс по дисциплине ОБЩИЙ ФИЗИЧЕСКИЙ ПРАКТИКУМ. МОЛЕКУЛЯРНАЯ ФИЗИКА для студентов 1 курса очной формы обучения направления 010700.62 Физика, специальностей 010801.65 Радиофизика и электроника, 010704.65 Физика конденсированного...»

«Федеральное агентство по образованию Российской Федерации НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ЯДЕРНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ МИФИ С. Н. Борисов Пособие по физике В помощь учащимся 8-го класса Москва 2009 УДК 53(075) ББК 22.3я7 Б82 Борисов С.Н. Пособие по физике. В помощь учащимся 8-го класса. – М.: НИЯУ МИФИ, 2009. – 84 с. В настоящем пособии представлено пять тем, которые изучаются в курсе физики 8-го класса. По каждой теме представлен необходимый теоретический материал, рассмотрены примеры решения задач....»

«Б.М. Синельников, А.Г. Храмцов, И.А. Евдокимов, С.А. Рябцева, А.В. Серов Лактоза и ее производные Научный редактор академик РАСХН А.Г. Храмцов Издано при содействии НКО Российский Союз предприятий молочной отрасли (Молочный Союз России) Санкт-Петербург 2007 УДК 637.044+637.345 ББК 36.95 Лак19 Рецензенты: К. К. Полянский - эксперт в области научно-технической сферы Министерства образования и науки РФ, д-р техн. наук, проф., зав. каф. Воронежского государственного аграрного университета;...»

« Вернадского Москва Наука 1993 УДК 614.7 Диоксины как экологическая опасность: ретроспектива и перспективы / Л.А.Федоров. М.: Наука. 1993. - 266 с. - ISBN 5-02-001674-8 В монографии кратко рассмотрены некоторые аспекты проблемы высокотоксичных сенобиотиков типа полигалогенированных дибензо-n-диоксинов, полигалогенированных дибензофуранов и...»

«2012 Что такое ядерная медицина Кузьмина Н.Б. Центр ядерной медицины НИЯУ МИФИ Содержание Введение Что такое ядерная медицина? Однофотонная эмиссионная компьютерная томография Позитронно-эмиссионная томография ПЭТ для животных Компьютерная томография Магнитно-резонансная томография Радионуклидная и лучевая терапия Технологии Производство радиофармпрепаратов Ускорители заряженных частиц для производства изотопов и лучевой терапии.18 Информационные технологии в ядерной медицине Перспективы...»

«1961 г. Декабрь Т. LXXV, вып. 4 УСПЕХИ ФИЗИЧЕСКИХ ПАУК УКАЗАТЕЛЬ СТАТЕЙ, ОПУБЛИКОВАННЫХ В УСПЕХАХ ФИЗИЧЕСКИХ НАУК, ТОМА I - L X X V (1918-1961 гг.)*) 630 I. А л ф а в и т н ы й указатель авторов II. П р е д м е т н ы й указатель 707 727 Акустика 707 Кристаллическое состояние вещества 728 Архитектурная акустика.... 707 Люминесценция Астрофизика 708 Магнитные свойства веществ... Атом 708 Магнитогидродинамика Атомного ядра деление 709 Магнитооптические явления... Атомного ядра масса 709...»

«МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РФ Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования Тверской государственный университет УТВЕРЖДАЮ Декан биологического факультета _ С.М. Дементьева 2012 г. Учебно – методический комплекс по дисциплине Активные методы экологического образования для студентов 5 курса очной формы обучения специальность 020801.65 ЭКОЛОГИЯ специализация Биоразнообразие и охрана природы Обсуждено на заседании кафедры 2012 г....»

«1 Министерство образования и науки РФ Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования Владимирский государственный университет имени Александра Григорьевича и Николая Григорьевича Столетовых Факультет радиофизики, электроники и медицинской техники Отчёт за 2012 / 13 учебный год Владимир 2013 г. 1 2 ОТЧЕТ о работе ФРЭМТ в 2012/2013 учебном году I. Выполнение плана работы Совета ФРЭМТ за 2012/2013 уч. год. В связи с образованием Института...»

«1945 УСПЕХИ ФИЗИЧЕСКИХ НАУК Т. XXVII, вып. 1 УСКОРЕНИЕ ЭЛЕКТРОНОВ С ПОМОЩЬЮ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОЙ ИНДУКЦИИ (БЕТАТРОН КЕРСТА) А. П. Гринберг В 1940 г. американский физик Дональд Керст построил в Иллинойсском университете (г. Эрбана) индукционный ускоритель электронов. Технический арсенал физики обогатился новым замечательным прибором, новым методом. Керст впервые успешно осуществил на практике давно уже возникшую идею об использовании явления электромагнитной индукции для ускорения электронов, и это...»

«Большая библиотека редких книг на www:goldbiblioteca.ru Мистерии Бхагавата-пураны Песни 1-12 песни: I II III IV V VI VII VIII IX X XI XII “Бхагавата Пурана - зрелый плод древа ведической литературы.” (1.1.3.) “ИНСТИТУТ ПРАКТИЧЕСКОЙ МЕТАФИЗИКИ” Санкт-Петербург 2001 Сурендра Мохан дас (Неаполитанский С. М.) Мистерии Бхагаваты Пураны (Песни 1-12). - СПб.: “Институт практической метафизики”, 2001. - 432 с. В книге дается подробное изложение одного из самых известных и авторитетных ведических...»

«УДК 91:327 Лысенко А. В. Математическое моделирование как метод исследования феномена автономизма в политической географии Таврический национальный университет имени В. И. Вернадского, г. Симферополь е-mail: [email protected] Аннотация. В статье рассматривается возможность использования математического моделирования как метода исследования политической географии, раскрывается понятие территориального автономизма, а также факторы его генезиса. Ключевые слова: математическое моделирование,...»

« Мамин-Сибиряк) Введение Крупнейший физик и мыслитель современности М. Планк сказал: Наука представляет собой внутреннее единое целое. Ее разделение на отдельные области обусловлено не столько природой вещей, сколько ограниченностью способности человеческого познания. В действительности существует непрерывная цепь от физики и химии через биологию...»

«МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ УКРАИНЫ ДОНЕЦКИЙ НАЦИОНАЛЬНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ НАУЧНАЯ БИБЛИОТЕКА ДонНУ Серия Видатні вчені Донецького національного університету Основана в 2005 году АНАТОЛИЙ ИВАНОВИЧ БАЖИН Биобиблиографический указатель к 70-летию со дня рождения Донецк Юго-Восток 2010 1 ББК В253.3я1 УДК 532(09) Бажин Составители: Клименко Л. Е., ведущий библиограф научной библиотеки ДонНУ Макарова Т. И., главный библиограф научной библиотеки ДонНУ Научный редактор: Бажин А. И., доктор...»

Сумский государственный университет

по физике

История открытия элементарных частиц

Преподаватель

Нефедченко В.Ф.

От электрона до нейтрино. 5

Электрон. 5

Нейтрон. 8

Позитрон. 10

Пионы и Мюоны. Открытие мезона. 12

Нейтрино. 17

От странности до очарования. 19

Открытие странных частиц. 19

Резонансы. 21

«Очарованные» частицы. 22

Заключение. 23

Литература. 26

Введение.

В середине и второй половине ХХ века в тех разделах физики, которые заняты изучением фундаментальной структуры материи, были получены поистине удивительные результаты. Прежде всего, это проявилось в открытии целого множества новых субатомных частиц. Их обычно называют элементарными частицами, но далеко не все из них действительно элементарны. Многие из них в свою очередь состоят из еще более элементарных частичек.

Открытие элементарных частиц явилось закономерным результатом общих успехов в изучении строения вещества, достигнутых физикой в конце 19 в. Оно было подготовлено всесторонними исследованиями оптических спектров атомов, изучением электрических явлений в жидкостях и газах, открытием фотоэлектричества, рентгеновских лучей, естественной радиоактивности, свидетельствовавших о существовании сложной структуры материи.

Мир субатомных частиц поистине многообразен. К ним относятся протоны и нейтроны, составляющие атомные ядра, а также обращающиеся вокруг ядер электроны. Но есть и такие частицы, которые в окружающем нас веществе практически не встречаются. Время их жизни чрезвычайно мало, оно составляет мельчайшие доли секунды. По истечении этого чрезвычайно короткого времени они распадаются на обычные частицы. Таких нестабильных короткоживущих частиц поразительно много: их известно уже несколько сотен.

В 60-70-е годы физики были совершенно сбиты с толку многочисленностью, разнообразием и необычностью вновь открытых субатомных частиц. Казалось, им не будет конца. Совершенно непонятно, для чего столько частиц. Являются ли эти элементарные частицы хаотическими и случайными осколками материи? Или, возможно, они таят в себе ключ к познанию структуры Вселенной? Развитие физики в последующие десятилетия показало, что в существовании такой структуры нет никаких сомнений. В конце ХХ в. физика начинает понимать, каково значение каждой из элементарных частиц.

Миру субатомных частиц присущ глубокий и рациональный порядок. В основе этого порядка - фундаментальные физические взаимодействия.

Элементарные частицы в точном значении этого термина - первичные, далее неразложимые частицы, из которых, по предположению, состоит вся материя. В понятии “Элементарные частицы” в современной физике находит выражение идея о первообразных сущностях, определяющих все известные свойства материального мира, идея, зародившаяся на ранних этапах становления естествознания и всегда игравшая важную роль в его развитии.

Понятие “Элементарные частицы” сформировалось в тесной связи с установлением дискретного характера строения вещества на микроскопическом уровне. Обнаружение на рубеже 19-20 вв. мельчайших носителей свойств вещества - молекул и атомов - и установление того факта, что молекулы построены из атомов, впервые позволило описать все известные вещества как комбинации конечного, хотя и большого, числа структурных составляющих - атомов. Выявление в дальнейшем наличия составных слагающих атомов - электронов и ядер, установление сложной природы ядер, оказавшихся построенными всего из двух типов частиц (протонов и нейтронов), существенно уменьшило количество дискретных элементов, формирующих свойства вещества, и дало основание предполагать, что цепочка составных частей материи завершается дискретными бесструктурными образованиями - элементарными частицами. Такое предположение, вообще говоря, является экстраполяцией известных фактов и сколько-нибудь строго обосновано быть не может. Нельзя с уверенностью утверждать, что частицы, элементарные в смысле приведённого определения, существуют. Протоны и нейтроны, например, длительное время считавшиеся элементарными частицами, как выяснилось, имеют сложное строение. Не исключена возможность того, что последовательность структурных составляющих материи принципиально бесконечна. Может оказаться также, что утверждение “состоит из...” на какой-то ступени изучения материи окажется лишённым содержания. От данного выше определения “элементарности” в этом случае придется отказаться. Существование элементарных частиц - это своего рода постулат, и проверка его справедливости - одна из важнейших задач физики.

От электрона до нейтрино

Исторически первой открытой элементарной частицей был электрон - носитель отрицательного элементарного электрического заряда в атомах.

Это самая «старая» элементарная частица. В идейном плане он вошел в физику в 1881 г., когда Гельмгольц в речи в честь Фарадея указал, что атомная структура вещества вместе с законами электролиза Фарадея неизбежно приводит к мысли, что электрический заряд всегда должен быть кратен некоторому элементарному заряду, - т. е. к выводу о квантовании электрического заряда. Носителем отрицательного элементарного заряда, как мы теперь знаем, и является электрон.

Максвелл же, создавший фундаментальную теорию электрических и магнитных явлений и использовавший существенным образом экспериментальные результаты Фарадея, не принимал гипотезы атомного электричества.

Между тем «временная» теория о существовании электрона была подтверждена в 1897 г. в экспериментах Дж. Дж. Томсона, в которых он отождествил так называемые катодные лучи с электронами и измерил заряд и массу электрона. Частицы катодных лучей Томсон называл «корпускулами» или изначальными атомами. Слово «электрон» первоначально использовалось для обозначения величины заряда «корпускулы». И только со временем электроном стали называть саму частицу.

Однако идея об электроне не сразу получила признание. Когда на лекции в Королевском обществе Дж. Дж. Томсон – первооткрыватель электрона – высказал предположение, что частицы катодных лучей следует рассматривать как возможные компоненты атома, некоторые его коллеги искренне считали, что он мистифицирует их. Сам Планк признавался в 1925 г., что не верил тогда, в 1900г., до конца в гипотезу об электроне.

Можно сказать, что после опытов Милликена, измерившего в 1911г. заряды индивидуальных электронов, эта первая элементарная частица получила право на существование.

Прямое экспериментальное доказательство существования фотона было дано Р. Милликеном в 1912-1915 гг. в его исследованиях фотоэффекта, а также А. Комптоном в 1922 г., обнаружившим рассеяние рентгеновских лучей с изменением их частоты.

Фотон – в некотором смысле особая частица. Дело в том, что масса его покоя в отличие от других частиц (кроме нейтрино) равна нулю. Поэтому его стали считать частицей не сразу: вначале полагали, что наличие конечной и отличной от нуля массы покоя – обязательная черта элементарной частицы.

Фотон – это «оживленный» планковский квант света, т. е. квант света, несущий импульс.

Кванты света ввел Планк в 1901 г. для того, чтобы объяснить законы излучения абсолютно черного тела. Но он был не частицами, а только минимально возможными «порциями» энергии света той или иной частоты.

Хотя предположение Планка о квантовании энергии света абсолютно противоречило всей классической теории, сам Планк понял это не сразу. Ученый писал, что он «… пытался как-то ввести величину h в рамки классической теории. Однако вопреки всем таким попыткам эта величина оказалась весьма строптивой». Впоследствии эта величина получила название постоянной Планка (h=6*10 -27 эрг.с).

После введения постоянной Планка ситуация не стала более ясной.

«Живыми» фотоны или кванты сделала теория относительности Эйнштейна, который в 1905 г. показал, что кванты должны иметь не только энергию, но и импульс, и что они являются в полном смысле частицами, только особенными, так как масса покоя их равна нулю, и двигаются они со скоростью света.

Итак вывод о существовании частицы электромагнитного поля - фотона - берёт своё начало с работы М. Планка (1900). Предположив, что энергия электромагнитного излучения абсолютно чёрного тела квантована, Планк получил правильную формулу для спектра излучения. Развивая идею Планка, А. Эйнштейн (1905) постулировал, что электромагнитное излучение (свет) в действительности является потоком отдельных квантов (фотонов), и на этой основе объяснил закономерности фотоэффекта.

Протон был открыт Э. Резерфордом в 1919 г. в исследованиях взаимодействия альфа-частиц с атомными ядрами.

Точнее открытие протона связано с открытием атомного ядра. Оно было сделано Резерфордом в результате бомбардировки атомов азота высоко энергетическими α-частицами. Резерфорд заключил, что «ядро атома азота распадается вследствие громадных сил, развивающихся при столкновении с быстрой α-частицей, и что освобождающийся водородный атом образует составную часть ядра азота». В 1920 г. ядра атома водорода были названы Резерфордом протонами (протон по-гречески означает простейший, первичный). Были и другие предложения по поводу названия. Так, например, предлагалось название «барон» (барос по-гречески означает тяжесть). Однако оно подчеркивало только одну особенность ядра водорода – его массу. Термин «протон» был существенно глубже и содержательнее, отражая фундаментальность протона, ибо протон – это простейшее ядро – ядро самого легкого изотопа водорода. Это, несомненно, один из наиболее удачных терминов в физике элементарных частиц. Таким образом, протоны - это частицы с единичным положительным зарядом и массой, в 1840 раз превышающей массу электрона.

Существование элементарных частиц ученые обнаружили при исследовании ядерных процессов, поэтому вплоть до середины XX века физика элементарных частиц была разделом ядерной физики. В настоящее время эти разделы физики являются близкими, но самостоятельными, объединенными общностью многих рассматриваемых проблем и применяемыми методами исследования. Главная задача физики элементарных частиц – это исследование природы, свойств и взаимных превращений элементарных частиц.

Представление о том, что мир состоит из фундаментальных частиц , имеет долгую историю. Впервые мысль о существовании мельчайших невидимых частиц, из которых состоят все окружающие предметы, была высказана за 400 лет до нашей эры греческим философом Демокритом. Он назвал эти частицы атомами, т. е. неделимыми частицами. Наука начала использовать представление об атомах только в начале XIX века, когда на этой основе удалось объяснить целый ряд химических явлений. В 30-е годы XIX века в теории электролиза, развитой М. Фарадеем, появилось понятие иона и было выполнено измерение элементарного заряда. Конец XIX века ознаменовался открытием явления радиоактивности (1896 г., А. Беккерель), а также открытиями электронов (1897 г., Дж. Томсон) и α-частиц (1899 г., Э. Резерфорд). В 1905 году в физике возникло представление о квантах электромагнитного поля – фотонах (А. Эйнштейн).

В 1911 году было открыто атомное ядро (Э. Резерфорд) и окончательно было доказано, что атомы имеют сложное строение. В 1919 году Резерфорд в продуктах расщепления ядер атомов ряда элементов обнаружил протоны. В 1932 году Дж. Чедвик открыл нейтрон. Стало ясно, что ядра атомов, как и сами атомы, имеют сложное строение. Возникла протон-нейтронная теория строения ядер (Д. Д. Иваненко и В. Гейзенберг). В том же 1932 году в космических лучах был открыт позитрон (К. Андерсон). Позитрон – положительно заряженная частица, имеющая ту же массу и тот же (по модулю) заряд, что и электрон. Существование позитрона было предсказано П. Дираком в 1928 году. В эти годы были обнаружены и исследованы взаимные превращения протонов и нейтронов и стало ясно, что эти частицы также не являются неизменными элементарными «кирпичиками» природы. В 1937 году в космических лучах были обнаружены частицы с массой в 207 электронных масс, названные мюонами (μ-мезонами ). Затем в 1947–1950 годах были открыты пионы (т. е. π-мезоны ), которые, по современным представлениям, осуществляют взаимодействие между нуклонами в ядре. В последующие годы число вновь открываемых частиц стало быстро расти. Этому способствовали исследования космических лучей, развитие ускорительной техники и изучение ядерных реакций.

В настоящее время известно около 400 субъядерных частиц, которые принято называть элементарными. Подавляющее большинство этих частиц являются нестабильными . Исключение составляют лишь фотон, электрон, протон и нейтрино. Все остальные частицы через определенные промежутки времени испытывают самопроизвольные превращения в другие частицы. Нестабильные элементарные частицы сильно отличаются друг от друга по временам жизни. Наиболее долгоживущей частицей является нейтрон. Время жизни нейтрона порядка 15 мин. Другие частицы «живут» гораздо меньшее время. Например, среднее время жизни μ-мезона равно 2,2·10 –6 с, нейтрального π-мезона – 0,87·10 –16 с. Многие массивные частицы – гипероны – имеют среднее время жизни порядка 10 –10 с.

Существует несколько десятков частиц со временем жизни, превосходящим 10 –17 с. По масштабам микромира это значительное время. Такие частицы называют относительно стабильными . Большинство короткоживущих элементарных частиц имеют времена жизни порядка 10 –22 –10 –23 с.

Способность к взаимным превращениям – это наиболее важное свойство всех элементарных частиц. Они способны рождаться и уничтожаться (испускаться и поглощаться). Это относится также и к стабильным частицам с той только разницей, что превращения стабильных частиц происходят не самопроизвольно, а при взаимодействии с другими частицами. Примером может служить аннигиляция (т. е. исчезновение ) электрона и позитрона, сопровождающаяся рождением фотонов большой энергии. Может протекать и обратный процесс – рождение электронно-позитронной пары, например, при столкновении фотона достаточно большой энергии с ядром. Такой опасный двойник, каким для электрона является позитрон, есть и у протона. Он называется антипротоном . Электрический заряд антипротона отрицателен. В настоящее время античастицы найдены у всех частиц. Античастицы противопоставляются частицам потому, что при встрече любой частицы со своей античастицей происходит их аннигиляция, т. е. обе частицы исчезают, превращаясь в кванты излучения или другие частицы.

Античастица обнаружена даже у нейтрона. Нейтрон и антинейтрон отличаются только знаками магнитного момента и так называемого барионного заряда. Возможно существование атомов антивещества , ядра которых состоят из антинуклонов, а оболочка – из позитронов. При аннигиляции антивещества с веществом энергия покоя превращается в энергию квантов излучения. Это огромная энергия, значительно превосходящая ту, которая выделяется при ядерных и термоядерных реакциях.

В многообразии элементарных частиц, известных к настоящему времени, обнаруживается более или менее стройная система классификации. В табл. 6.9.1 представлены некоторые сведенья о свойствах элементарных частиц со временем жизни более 10 –20 с. Из многих свойств, характеризующих элементарную частицу, в таблице указаны только масса частицы (в электронных массах), электрический заряд (в единицах элементарного заряда) и момент импульса (так называемый спин ) в единицах постоянной Планка ħ = h / 2π. В таблице указано также среднее время жизни частицы.

Элементарные частицы объединяются в три группы: фотоны , лептоны и адроны .

К группе фотонов относится единственная частица – фотон, которая является носителем электромагнитного взаимодействия.

Следующая группа состоит из легких частиц – лептонов . В эту группу входят два сорта нейтрино (электронное и мюонное), электрон и μ-мезон. К лептонам относятся еще ряд частиц, не указанных в таблице. Все лептоны имеют спин

Третью большую группу составляют тяжелые частицы, называемые адронами . Эта группа делится на две части. Более легкие частицы составляют подгруппу мезонов . Наиболее легкие из них – положительно и отрицательно заряженные, а также нейтральные π-мезоны с массами порядка 250 электронных масс (табл. 6.9.1). Пионы являются квантами ядерного поля, подобно тому, как фотоны являются квантами электромагнитного поля. В эту подгруппу входят также четыре K-мезона и один η 0 -мезон. Все мезоны имеют спин, равный нулю.

Вторая подгруппа – барионы – включает более тяжелые частицы. Она является наиболее обширной. Самыми легкими из барионов являются нуклоны – протоны и нейтроны. За ними следуют так называемые гипероны. Замыкает таблицу омега-минус-гиперон, открытый в 1964 г. Это тяжелая частица с массой в 3273 электронных масс. Все барионы имеют спин

Обилие открытых и вновь открываемых адронов навела ученых на мысль, что все они построены из каких-то других более фундаментальных частиц. В 1964 г. американским физиком М. Гелл-Маном была выдвинута гипотеза, подтвержденная последующими исследованиями, что все тяжелые частицы – адроны – построены из более фундаментальных частиц, названных кварками . На основе кварковой гипотезы не только была понята структура уже известных адронов, но и предсказано существование новых. Теория Гелл-Мана предполагала существование трех кварков и трех антикварков, соединяющихся между собой в различных комбинациях. Так, каждый барион состоит из трех кварков, антибарион – из трех антикварков. Мезоны состоят из пар кварк–антикварк.

С принятием гипотезы кварков удалось создать стройную систему элементарных частиц. Однако предсказанные свойства этих гипотетических частиц оказались довольно неожиданными. Электрический заряд кварков должен выражаться дробными числами, равными и элементарного заряда.

Многочисленные поиски кварков в свободном состоянии, производившиеся на ускорителях высоких энергий и в космических лучах, оказались безуспешными. Ученые считают, что одной из причин ненаблюдаемости свободных кварков являются, возможно, их очень большие массы. Это препятствует рождению кварков при тех энергиях, которые достигаются на современных ускорителях. Тем не менее, большинство специалистов сейчас уверены в том, что кварки существуют внутри тяжелых частиц – адронов.

III Микромир

Движение и физическое взаимодействие.

Основополагающие принципы современной физики и квантовой механики: принцип симметрии, принцип дополнительности и соотношения неопределенностей, принцип суперпозиции, принцип соответствия. «Апофатизм» в описании структуры и механики микромира.

Богословское осмысление тенденций к построению «Теории Всего».

Литература для изучения:

1. Барбур И. Религия и наука: история и современность. – М.: Библейско-Богословский институт св. ап. Андрея, 2001. – C. 199-216; 230-238; 253-256. (Электронный ресурс: http://www.mpda.ru/publ/text/59427.html)

2. Горелов А.А. Концепции современного естествознания. – М.: Высшее образование, 2006. – C. 110-120.

3. Грин Б. Элегантная вселенная. Суперструны, скрытые размерности и поиски окончательной теории: Пер. с англ. – М.: КомКнига, 2007.

4. Грин Б. Ткань космоса: Пространство, время и текстура реальности: Пер. с англ. – М.: URSS, 2009.

5. Осипов А.И. Путь разума в поисках истины. – СПб.: Сатис, 2007. - С. 100-110.

6. Садохин А.П. Концепции современного естествознания: курс лекций. – М.: Омега-Л, 2006. – С. 64-78.

7. Фейнман Р ., Характер физических законов. – М.: Наука, 1987. (Электронный ресурс: http://vivovoco.rsl.ru/VV/Q_PROJECT/FEYNMAN/CONT.HTM)

История открытия элементарных частиц: атомы, адроны, кварки, струны.

Согласно древнегреческим философам Левкиппу (Λεύκιππος, V век до р. Х.) и Демокриту (Δημόκριτος; ок. 460 до н. э. - ок. 370 до р. Х.) – основоположникам атомизма, в основе мира лежат атомы - мельчайшие неделимые частицы, которые сцепляются и образуют все живое и неживое.

К XVIII в. стало понятно, что атом является элементарной химически неделимой частицей, в то время как молекула , - элементарная частица вещества, сохраняющая его свойства, - состоит из определенных «сортов» атомов. Атомы одного вида получили названия элементов. В 1869 г. Дмитрий Иванович Менделеев создал свою Периодическую систему, включающую 64 элемента (на октябрь 2009 года известно 117 химических элементов с порядковыми номерами с 1 по 116 и 118, из них 94 обнаружены в природе (некоторые - лишь в следовых количествах), остальные 23 получены искусственно в результате ядерных реакций).

Однако уже в 1910-х гг. физики приходят к выводу о делимости атома (ἄτομος - неделимый!). Создаются ряд моделей атома, из которых признание завоевала «планетарная» модель атома с внесенными поправками-постулатами (Э. Резерфорд, Ernest Rutherford; 1871 – 1937, Н. Бор, Niels Bohr; 1885 - 1962).

Планетарная модель атома весьма скоро была признана непригодной из-за принципиального противоречия с фактом линейчатого характера спектра излучения: электрон, вращающийся вокруг положительно заряженного ядра, непрерывно излучает, т.е., теряет энергию и скоро неизбежно должен «падать» на ядро. Положение исправили постулаты Бора, в которых электрон не мог непрерывно терять энергию, излучение происходит в результате скачкообразного перехода на нижележащую орбиту. Создание квантовой теории атома в 20-х годах показало, что от постулатов Бора необходимо отказаться. Представление о ядре атома в то же время оставалось все таким же, как после опытов Резерфорда по рассеиванию альфа-частиц в начале ХХ в.: ядро состоит из протонов и некоторого, меньшего числа электронов. Нейтрон был открыт английским физиком Дж. Чедвиком (James Chadwick; 1891 - 1974) в 1932 году. Тут наступил следующий акт драмы. Считалось, что электрон, который вылетает из ядра при бета-распаде, - это один из электронов, которые находились в ядре. Но теперь уже было известно, что ядро состоит из протонов и нейтронов. Откуда же берется электрон? Выдающийся итальянский физик Э. Ферми (Enrico Fermi; 1901 - 1954) выдвинул парадоксальную гипотезу. Электронов в ядре нет, при распаде происходит рождение электрона, а нейтрон превращается в протон. Такое решение вопроса казалось настолько неприемлемым, что солидный журнал Nature отказался опубликовать статью Ферми на эту тему. Это первый прецедент рождения частицы из энергии. Цепочка странных идей не этом не оборвалась. Японский физик-теоретик Хидэки Юкава (1907 - 1981) построил простую физическую модель, в которой в результате обмена нуклонов частицей с ненулевой массой возникает сила, удерживающая нуклоны в ядре. Юкава также рассчитал массу этой «виртуальной» частицы. Однако по понятиям физиков того времени частицу можно признать существующей, если она обнаружена также в свободном состоянии. Были предприняты поиски частицы Юкавы в космических лучах, и, казалось бы, частица была найдена. Однако найденная частица имела меньшую массу, чем частица Юкавы. Кроме того, появились данные, что найденная частица подобна электрону, но тяжелее. В дальнейшем частица была названа мю-мезоном (греч. μέσος - средний). Поиски продолжались, и в сороковых годах была найдена другая полностью подходящая частица (ее назвали пи-мезоном). В 1948 году Юкава получил Нобелевскую премию.

Таким образом, физики осознали возможность существования частиц в виртуальном состоянии, т.е., при расщеплении ядра частица не обнаруживается, но реально обеспечивает взаимное притяжение нуклонов в ядре. Оказалось, что неделимы не только атомы, но и «кирпичики», слагающие их ядра, - протоны и нейтроны.

В 1960-х гг. было доказано, что и эти частицы состоят из еще более маленьких частиц с дробным положительным или отрицательным зарядом (1 /3 е или 2/3 е ) - кварков . Гипотеза о том, что «элементарные» частицы построены из специфических субъединиц, была впервые выдвинута американскими физиками М. Гелл-Манном (Murray Gell-Mann; род. в 1929 г.) и Дж. Цвейгом (род. в 1937 г.) в 1964 году. В период с 1969 по 1994 гг. удалось экспериментально обосновать, по крайней мере косвенно, возможность существования кварков.

Слово «кварк» было заимствовано Гелл-Манном из художественного романа Дж. Джойса «Поминки по Финнегану», где в одном из эпизодов звучит фраза «Three quarks for Muster Mark!» (обычно переводится как «Три кварка для м. Марка!»). Само слово «quark» в этой фразе предположительно является звукоподражанием крику морских птиц или означает на немецком сленге что-то в роде «чепуха».

Кварки не существуют автономно, «сами по себе», а только в системе – «элементарной» частице (протон, нейтрон и т. д.), и описываются такими специфическими параметрами как «аромат» (6 видов, см. схему) и «цвет» («красный, «синий», «зеленый», «антикрасный», «антисиний», «антизеленый»). Суммарный заряд 2-х или 3-х кварков, объединенных в систему должен быть целочисленным (0 или 1). Сумма цветов также равна «нулю» (белый).

Кварки «сцепляются» между собой благодаря сильному физическому взаимодействию. Высказано предположение, что кварки участвуют также в электромагнитных и слабых взаимодействиях. Причем в первом случае кварки не меняют свой цвет и аромат, а во втором – меняют аромат, сохраняя цвет.

Всего же на протяжении ХХ века было обнаружено около 400 элементарных частиц. Одни из них, как было сказано выше, имеют определенную структуру (протон, нейтрон), другие являются бесструктурными (электрон, нейтри­но, фотон, кварк).

Элементарные частицы обладают довольно большим количеством параметров, поэтому существует несколько стандартных типов их классификаций, приводимые ниже.

1. По массе покоя частицы (масса покоя, определяемая по отношению к массе покоя электрона, считающегося самой лег­кой из всех частиц, имеющих массу):

фотоны (φῶς, φωτός - свет) - частицы, не имеющие массы покоя и движущие­ся со скоростью света;

лептоны (λεπτός - легкий) - легкие частицы (элект­рон и разные виды нейтрино);

мезоны (μέσος - средний, промежуточный) - сред­ние частицы с массой от одной до тысячи масс электрона;

барионы (βαρύς - тяжелый) - тяжелые частицы с мас­сой более тысячи масс электрона (протоны, нейтроны, ги­пероны, многие резонансы).

2. По электрическому заряду, всегда кратному фундаментальной единице заряда - заряду электрона (-1), который рассматрива­ется в качестве единицы отсчета зарядов. Заряд частиц может быть отрицательным, положительным или нулевым. Как было сказано выше, для кварков характерен дробный электрическим заряд.

3. По типу физического взаимодействия (см. ниже), в котором принимают участие те или иные элементарные частицы. По данному показателю их можно раз­делить на три группы:

· адроны (ἁδρός - тяжелый, крупный, сильный), участвующие в электромагнитном, сильном и слабом взаимодействиях (мезоны и барионы);

· лептоны, участвующие только в электромагнитном и сла­бом взаимодействиях;

· частицы - переносчики взаимодействий (фотоны - переносчики электромагнитного взаимодействия, глюоны - пе­реносчики сильного взаимодействия, тяжелые векторные бозо­ны - переносчики слабого взаимодействия, гипотетические гравитоны - частицы, обеспечивающие гравитационное взаимодействие).

4. По времени жизни частиц:

· стабильные «долгожители» (фотон, нейтрино, нейтрон, протон, электрон; время жизни –до бесконечности);

· квазистабильные (резонансы) ; время существования составляет 10 -24 -10 -26 с.; распадаются в результате электромагнитного и слабого взаимодействия;

· нестабильные (большинство элементарных частиц; время их жизни - 10 -10 - 10 -24 с).

5. По спину (от англ. spin – веретено, вертеть(ся)) - собственному моменту количества движения (импульса) частицы, ее внутренней степени свободы, обеспечивающей дополнительное физическое состояние. В отличие от классического момента количества движения, который может принимать любые значения, спин принимает только пять воз­можных значений. Он может равняться целому (0, 1, 2) или по­луцелому (1/2 (электрон, протон, нейтрон), 3/2 (омега-гиперон)) числу. Частицы с полуцелым спином называются фермионами , а с целым - бозонами (фотоны со спином 1; мезоны - 0; грави­тоны - 2).

Каждая частица имеет свою античастицу (вещество и антивещество). При их встрече происходит взаимное уничтожение (аннигиляция) и выделяется большое количество энергии.

Найденные закономерности в свойствах элементарных частиц и подразделение их на «семейства» или «поколения» позволили поставить вопрос о наличии внутренних глубинных закономерностях, определяющих их свойства (см. схему).

Существуют теории, объясняющие структуру микромира (например, Стандартная модель). В 1970-х гг. появилась весьма оригинальная теория струн (Джон Хенри Шварц, Schwartz, р. 1941; Г. Венециано,Gabriele Veneziano; род. 1942; М. Грин, Michael Greene, и др.). Теория струн - направление математической физики, изучающее не точечные частицы, как многие разделы физики, а одномерные протяженные геометрические объекты - квантовые струны . Теория основана на гипотезе, предполагающей, что все фундаментальные частицы и их взаимодействия возникают в результате колебаний (возбужденных состояний) и взаимодействий ультрамикроскопических энергетических квантовых струн на масштабах порядка т.н. планковской длины 10 −33 м, подобно тому, как звуки разной частоты порождаются вибрацией струны музыкального инструмента. Более того, само пространство и время рассматриваются как производные определенных модусов колебаний струн. Вселенная, состоящая из бесчисленного количества этих колеблющихся струн, подобна звучащей «космической симфонии». Несмотря на разрешение целого ряда существующих проблем, теория струн остается в настоящее время в основном математической абстракцией, требующей экспериментального подтверждения.

К физике атомного ядра тесно прилегает физика элементарных частиц. Эта область современной науки базируется на квантовых представлениях и в своем развитии всё дальше проникает в глубину материи, открывая загадочный мир ее первооснов. В физике элементарных частиц чрезвычайно велика роль теории. В силу невозможности прямого наблюдения таких материальных объектов их образы ассоциируются с математическими уравнениями, с наложенными на них запрещающими и разрешающими правилами.

По определению элементарные частицы – это первичные, неразложимые образования, из которых, по предположению, состоит вся материя. На самом же деле этот термин употребляется в более широком смысле – для обозначения обширной группы микрочастиц материи, структурно не объединенных в ядра и атомы. Большинство объектов исследования физики элементарных частиц не отвечают строгому определению элементарности, поскольку представляют собой составные системы. Поэтому частицы, удовлетворяющие этому требованию, принято называть истинно элементарными .

Первой элементарной частицей, открытой в процессе изучения микромира еще в конце XIX в., был электрон . Следующим был открыт протон (1919), затем пришла очередьнейтрона , открытого в 1932 г. Существованиепозитрона теоретически было предсказано П. Дираком в 1931 г., и в 1932 г. этот положительно заряженный «двойник» электрона был обнаружен в космических лучахКарлом Андерсоном . Предположение о существовании в природенейтрино было выдвинуто В. Паули в 1930 г., а экспериментально оно было обнаружено только в 1953 г. В составе космических лучей в 1936 г. были найденымю-мезоны (мюоны ) – частицы обоих знаков электрического заряда с массой около 200 масс электрона. Во всем остальном свойства мюонов очень близки к свойствам электрона и позитрона. Также в космических лучах в 1947 г. были открыты положительный и отрицательныйпи-мезоны , существование которых было предсказано японским физикомХидэки Юкавой в 1935 г. В дальнейшем выяснилось, что существует также нейтральный пи-мезон.

В начале 50-х гг. была открыта большая группа частиц с весьма необычными свойствами, что побудило назвать их «странными» . Первые частицы этой группы были обнаружены в космических лучах, этоК-мезоны обоих знаков иL -гиперон (лямбда-гиперон). Отметим, что мезоны получили свое название от греч. «средний, промежуточный» в силу того, что массы первых открытых частиц этого типа (пи-мезоны, мю-мезоны) имеют массу, промежуточную между массой нуклона и электрона. Гипероны же ведут свое название от греч. «сверх, выше», поскольку их массы превышают массу нуклона. Последующие открытия странных частиц делались уже на ускорителях заряженных частиц, которые стали основным инструментом изучения элементарных частиц.

Так были открыты антипротон , антинейтрон и ряд гиперонов. В 60-е гг. было обнаружено значительное число частиц с крайне малым временем жизни, которые получили названиерезонансов . Как выяснилось, к резонансам относится большинство известных элементарных частиц. В середине 70-х гг. было открыто новое семейство элементарных частиц, получивших романтическое название«очарованных », а в начале 80-х – семейства« красивых » частиц и так называемыхпромежуточных векторных бозонов . Открытие этих частиц явилось блестящим подтверждением теории, основанной накварковой модели элементарных частиц, которая предсказала существование новых частиц задолго до их обнаружения.

Таким образом, за время после открытия первой элементарной частицы – электрона – в природе выявлено множество (около 400) микрочастиц материи, и процесс открытия новых частиц продолжается. Оказалось, что мир элементарных частиц устроен весьма и весьма сложно, а их свойства разнообразны и зачастую крайне неожиданны.

Все элементарные частицы являются материальными образованиями чрезвычайно малых масс и размеров. Большинство из них имеют массы порядка массы протона (~10 –24 г) и размеры порядка 10 –13 м. Это определяет сугубо квантовую специфику их поведения. Важное квантовое свойство всех элементарных частиц (включая и относящийся к ним фотон) состоит в том, что все процессы с ними происходят в виде последовательности актов их испускания и поглощения (способность рождаться и уничтожаться при взаимодействии с другими частицами). Процессы с участием элементарных частиц относятся ко всем четырем видам фундаментального взаимодействия: сильному, электромагнитному, слабому и гравитационному.Сильным взаимодействием обусловлена связь нуклонов в атомном ядре.Электромагнитное взаимодействие обеспечивает связь электронов с ядрами в атоме, а также связь атомов в молекулах.Слабое взаимодействие вызывает, в частности, распад квазистабильных (т. е. относительно долгоживущих) частиц, имеющих время жизни в пределах 10 –12 ÷ 10 –14 с.Гравитационное взаимодействие на характерных для элементарных частиц расстояниях ~10 –13 см, в силу малости их массы, имеет крайне малую интенсивность, однако может оказаться существенным на сверхмалых расстояниях. Интенсивности взаимодействий: сильного, электромагнитного, слабого и гравитационного – при умеренной энергии процессов относятся соответственно как 1: 10 –2: 10 –10: 10 –38 . Вообще же с ростом энергии частиц это соотношение изменяется.

Элементарные частицы классифицируют по различным признакам, и надо сказать, что в целом принятая их классификация достаточно сложна.

В зависимости от участия в различных видах взаимодействия все известные частицы делят на две основные группы: адроны илептоны .

Адроны участвуют во всех видах взаимодействия, включая сильное. Они получили свое название от греч. «большой, сильный».

Лептоны не участвуют в сильном взаимодействии. Их название происходит от греч. «легкий, тонкий», поскольку массы известных до середины 70-х гг. частиц этого класса были заметно меньше масс всех других частиц (кроме фотона).

К адронам относятся все барионы (группа частиц с массой не меньше массы протона, названных так от греч. «тяжелый») имезоны . Самым легким барионом являетсяпротон .

Лептонами являются, в частности, электрон ипозитрон ,мюоны обоих знаков,нейтрино трех видов (легкие, электрически нейтральные частицы, участвующиетолько в слабом и гравитационном взаимодействиях ). Предполагается, что нейтрино столь же распространены в природе, как и фотоны, к их образованию приводит множество различных процессов. Отличительной особенностью нейтрино является его огромная проникающая способность, особенно при низких энергиях. Завершая классификацию по видам взаимодействия, следует отметить, чтофотон принимает участие только в электромагнитном и гравитационном взаимодействиях . Кроме того, в соответствии с теоретическими моделями, направленными на объединение всех четырех видов взаимодействия, существует гипотетическая частица, переносящая гравитационное поле, которая получила названиегравитон . Особенность гравитона состоит в том, что он (согласно теории) участвуеттолько в гравитационном взаимодействии . Заметим, что теория связывает с квантовыми процессами гравитационного взаимодействия еще две гипотетические частицы –гравитино игравифотон . Экспериментальное обнаружение гравитонов, т. е., по сути, гравитационного излучения, крайне затруднено из-за его чрезвычайно слабого взаимодействия с веществом.

В зависимости от времени жизни элементарные частицы разделяют на стабильные, квазистабильные инестабильные (резонансы ).

Стабильными частицами являются электрон (его время жизни τ > 10 21 лет), протон (τ > 10 31 лет), нейтрино и фотон. Квазистабильными считаются частицы, распадающиеся за счет электромагнитного и слабого взаимодействий, их время жизни τ > 10 –20 c.Резонансы – частицы, распадающиеся в результате сильного взаимодействия, их время жизни находится в интервале 10 – 22 ÷10 – 24 с.

Распространенным является еще один вид подразделения элементарных частиц. Системы частиц с нулевым и целым спином подчиняются статистике Бозе –Эйнштейна , поэтому такие частицы принято называтьбозонами . Совокупность же частиц с полуцелым спином описываетсястатистикой Ферми –Дирака , отсюда и название таких частиц –фермионы .

Каждая элементарная частица характеризуется определенным набором дискретных физических величин – квантовых чисел . Общими для всех частиц характеристиками являютсямасса m ,время жизни τ,спин J иэлектрический заряд Q . Спин элементарных частиц принимает значения, равные целым или полуцелым кратным постоянной Планка. Электрические заряды частиц являются целыми кратными величине заряда электрона, считающегосяэлементарным электрическим зарядом .

Кроме того, элементарные частицы дополнительно характеризуются так называемыми внутренними квантовыми числами . Лептонам приписывается специфическийлептонный заряд L = ±1, адроны с полуцелым спином несутбарионный заряд В = ±1 (адроны с В = 0 образуют подгруппу мезонов).

Важной квантовой характеристикой адронов является внутренняя четность Р , принимающая значение ±1 и отражающая свойство симметрии волновой функции частицы относительно пространственной инверсии (зеркального отображения). Несмотря на несохранение четности при слабом взаимодействии, частицы с хорошей точностью принимают значения внутренней четности, равные либо +1, либо – 1.

Адроны, кроме того, подразделяются на обычные частицы (протон, нейтрон, пи-мезоны), странные частицы (К -мезоны, гипероны, некоторые резонансы), «очарованные» и «красивые» частицы. Им соответствуют особые квантовые числа:странность S ,очарование С икрасота b . Эти квантовые числа введены в соответствии скварковой моделью для истолкования специфических процессов, характерных для этих частиц.

Среди адронов имеются группы (семейства) частиц с близкими массами, одинаковыми внутренними квантовыми числами, но различающиеся электрическим зарядом. Такие группы называются изотопическими мультиплетами и характеризуются общим квантовым числом –изотопическим спином , принимающим, как и обычный спин, целые и полуцелые значения.

В чем состоит уже неоднократно упоминавшаяся кварковая модель адронов ?

Обнаружение закономерности группировки адронов в мультиплеты послужило основанием для предположения о существовании особых структурных образований, из которых построены адроны, – кварков . Допуская существование таких частиц, можно считать, что все адроны являются комбинациями кварков. Эта смелая и эвристически продуктивная гипотеза была выдвинута в 1964 г. американским физикомМарри Гелл-Маном . Суть ее состояла в предположении о наличии трех фундаментальных частиц с полуцелым спином, являющихся материалом для построения адронов:u -,d - иs -кварков. В дальнейшем на основе новых экспериментальных данных кварковая модель строения адронов пополнилась еще двумя кварками: «очарованным» (с ) и «красивым» (b ). Считается возможным существование и других типов кварков. Отличительная особенность кварков состоит в том, что они обладаютдробными значениями электрического и барионного зарядов, не встречающимися ни у одной из известных частиц. С кварковой моделью согласуются все экспериментальные результаты по изучению элементарных частиц.

Согласно кварковой модели, барионы состоят из трех кварков, мезоны – из кварка и антикварка . Поскольку некоторые барионы являются комбинацией трех кварков в одном и том же состоянии, что запрещено принципом Паули (см. выше), каждому типу («аромату ») кварка было приписано дополнительное внутреннее квантовое число«цвет» . Кварк каждого типа («аромата» –u, d, s, c, b ) может находиться в трех «цветовых» состояниях. В связи с использованием цветовых понятий теория сильного взаимодействия кварков получила названиеквантовой хромодинамики (от греч. «цвет»).

Можно считать, что кварки являются новыми элементарными частицами, причем они претендуют на роль истинно элементарных частиц для адронной формы материи. Однако остается неразрешенной проблема наблюдения свободных кварков и глюонов. Несмотря на систематические поиски в космических лучах, на ускорителях высокой энергии, обнаружить их в свободном состоянии пока так и не удалось. Имеются веские основания считать, что здесь физика столкнулась с особым явлением природы – так называемым удержанием кварков .

Дело в том, что существуют серьезные теоретические и экспериментальные доводы в пользу предположения о том, что силы взаимодействия кварков с расстоянием не ослабевают. Это означает, что для разделения кварков требуется бесконечно большая энергия, следовательно, появление кварков в свободном состоянии невозможно. Это обстоятельство придает кваркам статус совершенно особых структурных единиц вещества. Возможно, именно начиная с кварков принципиально невозможно опытное наблюдение ступеней дробления материи. Признание кварков в качестве реально существующих объектов материального мира не только олицетворяет собой яркий случай первичности идеи по отношению к существованию материальной сущности. Встает вопрос о пересмотре таблицы фундаментальных мировых постоянных, ибо заряд кварка втрое меньше заряда протона, а следовательно, и электрона.

Начиная с открытия позитрона наука встретилась с частицами антивещества. Сегодня очевидным является то, что для всех элементарных частиц с ненулевыми значениями хотя бы одного из квантовых чисел, таких как электрический заряд Q ,лептонный заряд L ,барионный заряд В ,странность S ,очарование С икрасота b , существуютантичастицы с теми же значениями массы, времени жизни, спина, но с противоположными знаками вышеуказанных квантовых чисел. Известны частицы, тождественные своим античастицам, они называютсяистинно нейтральными . Примерами истинно нейтральных частиц служат фотон и один из трех пи-мезонов (два других являются по отношению друг к другу частицей и античастицей).

Характерной особенностью взаимодействия частиц и античастиц является их аннигиляция при столкновении, т. е. взаимоуничтожение с образованием других частиц и выполнением законов сохранения энергии, импульса, заряда и т. п. Типичным примером аннигиляции пары является процесс превращения электрона и его античастицы – позитрона – в электромагнитное излучение (в фотоны или гамма-кванты). Аннигиляция пар происходит не только при электромагнитном взаимодействии, но и при сильном взаимодействии. При высоких энергияхлегкие частицы могут аннигилировать с образованием более тяжелых частиц – при условии, что полная энергия аннигилирующих частиц превышает порог рождения тяжелых частиц (равный сумме их энергий покоя).

При сильном и электромагнитном взаимодействиях имеет место полная симметрия между частицами и их античастицами, т. е. все процессы, происходящие между первыми, возможны и для вторых. Поэтому антипротоны и антинейтроны могут образовывать ядра атомов антивещества , т. е. из античастиц в принципе вполне может быть построено антивещество. Возникает очевидный вопрос: если каждая частица имеет античастицу, то почему же в изученной области Вселенной отсутствуют скопления антивещества? Действительно, о наличии их во Вселенной, даже где-то «вблизи» Вселенной, можно было бы судить по мощному аннигиляционному излучению, приходящему к Земле из области соприкосновения вещества и антивещества. Однако современная астрофизика не располагает данными, которые позволили бы хотя бы предположить наличие во Вселенной областей, заполненных антивеществом.

Как же произошел во Вселенной выбор в пользу вещества и в ущерб антивеществу, хотя законы симметрии в основном выполняются? Причиной этого феномена, скорее всего, стало именно нарушение симметрии, т. е. флуктуация на уровне основ материи.

Ясно одно: если бы такой флуктуации не возникло, участь Вселенной была бы печальной – вся ее материя существовала бы в виде бесконечного облака фотонов, появившихся в результате аннигиляции частиц вещества и антивещества.

ВОПРОСЫ ДЛЯ САМОКОНТРОЛЯ

1. В чем состоит феномен научных революций? Как он соотносится с общефилософскими законами?

2. Что такое научный метод? Каков его алгоритм? Какую роль при его реализации играет выдвижение гипотез?

3. Изложите смысл принципа соответствия, выдвинутого Н. Бором. Как он определяет судьбу устаревающих теорий?

4. В чем состоит базовая концепция И. Ньютона, положенная им в основу классической физики?

5. Какие обстоятельства привели к смене корпускулярной теории света волновой теорией?

6. Какие взаимодействия между материальными объектами имеют статус фундаментальных?

7. Какое противоречие вызвало необходимость разработки специальной теории относительности?

8. В чем разница между инерциальными и неинерциальными системами отсчета? Как возникла общая теория относительности?

9. В чем состоит принципиальное различие в движении макрообъектов и квантовых частиц? Каким образом атомы вещества испускают кванты излучения?

10. В чем состоит концепция корпускулярно-волнового дуализма материи? Имеется ли у электрона длина волны?

ЗАДАНИЯ ДЛЯ САМОСТОЯТЕЛЬНОЙ РАБОТЫ

1 . Посредством выдвижения и логической проверки гипотез разрешите следующие противоречия:

1.1. Атомное ядро состоит из электрически нейтральных нейтронов и положительно заряженных протонов. Одноименные заряды, как известно, отталкиваются (запишите классическую формулу электростатического закона Кулона, вспомните, какой из законов Ньютона записывается в аналогичной форме).

_____________________________________________________________________________________________________________________

_____________________________________________________________________________________________________________________

1.2. Объясните, каким образом ядро сохраняет стабильность и высокую плотность. Используйте следующие справочные данные:

– плотность ядра имеет порядок 10 13 г/см 3 , что на 11 порядков больше плотности металлов;

– размер атома порядка 10 –8 см, размер ядра – 10 –13 см;

– в природе известно четыре вида фундаментальных взаимодействий: гравитационное, электромагнитное, сильное и слабое;

– интенсивность фундаментальных взаимодействий убывает от сильного к электромагнитному и далее к слабому и гравитационному в соотношении: 1: 10 –2: 10 –8: 10 –38 .

_____________________________________________________________________________________________________________________

_____________________________________________________________________________________________________________________

_____________________________________________________________________________________________________________________

Проверьте все возможные гипотезы и найдите единственную логически непротиворечивую. Начните с выдвижения гипотезы общего вида.

2 . Волновая теория света утвердилась после успешного объяснения широкого круга световых явлений, в том числе явлений дифракции и интерференции, которые в понятиях корпускулярной теории света не могут быть объяснены.

Объясните :

2.1. Каким образом при интерференции происходит гашение света светом, не нарушается ли при этом закон сохранения энергии.

_____________________________________________________________________________________________________________________

_____________________________________________________________________________________________________________________

_____________________________________________________________________________________________________________________

2.2. В чем состоит сходство и в чем – отличие явлений, определяемых явно созвучными терминами «рефракция» и «дифракция».

_____________________________________________________________________________________________________________________

_____________________________________________________________________________________________________________________

_____________________________________________________________________________________________________________________

Ответьте на следующие вопросы :

2.3. Какие явления не могут быть объяснены в понятиях волновой теории света?

_____________________________________________________________________________________________________________________

_____________________________________________________________________________________________________________________

_____________________________________________________________________________________________________________________

2.4. В чем состоит концепция корпускулярно-волнового дуализма и какой общефилософский закон она отражает?

_____________________________________________________________________________________________________________________

_____________________________________________________________________________________________________________________

_____________________________________________________________________________________________________________________

2.5. Какими экспериментами можно осуществить эмпирическую проверку гипотезы о наличии у частиц вещества (например, электронов) волновых свойств?

_____________________________________________________________________________________________________________________

_____________________________________________________________________________________________________________________

_____________________________________________________________________________________________________________________

2.6. Действие какого современного прибора основано на использовании волновых свойств электронов?

_____________________________________________________________________________________________________________________

_____________________________________________________________________________________________________________________

_____________________________________________________________________________________________________________________

3 . В соответствии с классификацией элементарных частиц по их участию в фундаментальных взаимодействиях фотон участвует не только в электромагнитном, но и в гравитационном взаимодействии. Известно также, что масса покоя фотона равна нулю.

Следовательно, если руководствоваться законом всемирного тяготения Ньютона, возникает явное противоречие.

3.1. Разрешите это противоречие, исходя из следующих данных:

– закон всемирного тяготения, точно прогнозируя результат измерения, не вскрывает природы гравитации;

– природу гравитации объясняет общая теория относительности, показывающая, что тяготеющая материя изменяет геометрию пространства-времени.

_____________________________________________________________________________________________________________________

_____________________________________________________________________________________________________________________

_____________________________________________________________________________________________________________________

3.2. Объясните, как определяется масса релятивистской частицы.

_____________________________________________________________________________________________________________________

_____________________________________________________________________________________________________________________

_____________________________________________________________________________________________________________________

3.3. Почему никакая релятивистская частица, кроме ультрарелятивистского фотона, не может достичь скорости света?

_____________________________________________________________________________________________________________________

_____________________________________________________________________________________________________________________

_____________________________________________________________________________________________________________________

ЛИТЕРАТУРА

Основная :

1. Азимов А. Выбор катастроф. – М.: Амфора, 2001.

2. Вернадский В. И. Философские мысли натуралиста. – М., 1988.

3. Дубнищева Т. Я. Концепции современного естествознания. – Новосибирск, 1988.

4. Пригожин И., Стенгерс И. Порядок из хаоса. – М., 1986.

5. Салопов Е. Ф. Концепции современного естествознания. – М.: Владос, 1998.

Дополнительная :

6. Вайнберг С. Первые три минуты. Современный взгляд на происхождение Вселенной – М.: Наука, 1981.

7. Гайденко В. Б., Смирнов Г. А. Западноевропейская наука в Средние века. – М.: Наука, 1989.

8. Капица П. Л. Эксперимент, теория, практика. – М.: Наука, 1981.

9. Кириллин В. А. Страницы истории науки и техники. – М.: Наука. 1986.

10. Клименко И. С., Энгвер Н. Н. Концепции современного естествознания. – М., 2002.

11. Кун Т. Структура научных революций – М.: Прогресс, 1975.

12. Лакатос И. Методология научных исследовательских программ // Вопросы философии. – 1995. – № 4.

13. Лосев А. Ф., Тахо-Годи А. А. Платон. Аристотель. – М.: Молодая гвардия, 1993.

14. Эйнштейн А., Инфельд Л. Эволюция физики. – М.: Молодая гвардия, 1966.

15. Эмсли Дж. Элемент. – М.: Мир, 1993.

ТЕРМИНОЛОГИЧЕСКИЙ СЛОВАРЬ

Адроны (от греч. αδpos – большой, сильный) – класс элементарных частиц, участвующих всильном взаимодействии . К адронам относятся всебарионы имезоны , включаярезонансы .

Алгоритм (от лат. algorithmi – транслитерации имени среднеазиатского ученого аль-Хорезми, оказавшего большое влияние на развитие математики в Европе) – конечный набор правил, позволяющих чисто механически решать любую конкретную задачу из некоторого класса однотипных задач.

Анализ (от лат. analysis – разложение, расчленение) – метод научного исследования, состоящий в мысленном или фактическом разложении целого на составные части (элементы); часто используется как синоним научного исследования вообще; анализ неразрывно связан ссинтезом (соединение элементов в единое целое).

Аннигиляция (от позднелат. annihilatio – исчезновение, превращение в ничто) – один из видов взаимопревращений элементарных частиц, происходящий при столкновении частицы с античастицей; при аннигиляцииматерия не исчезает, а превращается из одной формы в другую, например при аннигиляцииэлектрона ипозитрона возникаюткванты электромагнитного излучения.

Античастицы (от греч. αυτι – против) – элементарные частицы, имеющие ту же массу, спин, время жизни и другие внутренние характеристики, что и их «двойники», но отличающиеся от них знаком некоторых характеристик взаимодействия (например, электрического заряда, магнитного момента).

Атом (от греч. αтομοs – неделимый) – мельчайшая частица химического элемента, сохраняющая его свойства; состоит из тяжелогоядра , обладающего положительным электрическим зарядом, и окружающих его легких частиц –электронов с отрицательными электрическими зарядами, образующих электронные оболочки атома.

Барионы (от греч. βαρυς – тяжелый) – группа «тяжелых» элементарных частиц с полуцелымспином и массой, не меньшей массыпротона ; участвуют во всех известных фундаментальных взаимодействиях. К барионам относятсянуклоны (протон инейтрон ),гипероны , а также многиерезонансы и «очарованные» частицы .

Близкодействие – представление, согласно которому взаимодействие между удаленными друг от друга телами осуществляется через промежуточную среду или промежуточные звенья, передающие взаимодействие от точки к точке с конечной скоростью.

Верификация (от лат. verus – истинный и facio – делаю) – проверка, эмпирическое подтверждение теоретических положений науки путем сопоставления их с наблюдаемыми объектами, данными экспериментов.

Волновая функция – в квантовой механике величина, полностью описывающая состояние микрообъекта и вообще любой квантовой системы. Квадрат волновой функции дает значение вероятностей тех величин, от которых зависит сама волновая функция. Волновую функцию называют также амплитудой вероятности.

Гипотеза (от греч. υποθεσις – основание) – научное предположение, выдвигаемое для объяснения какого-либо явления и требующее проверки на опыте и теоретического обоснования для того, чтобы стать достоверной научной теорией.

Дальнодействие – представление, согласно которому действие тел друг на друга передается мгновенно через пустоту на сколь угодно большие расстояния; открытие электромагнитного поля показало, что концепция дальнодействия неверна.

Детерминизм (от лат. determino – определять) – философское учение об объективной закономерной взаимосвязи и причинной обусловленности всех явлений.

Дискретность (от лат. discretus – разделенный) – прерывность; противопоставляется непрерывности, вместе с ней составляет категории, характеризующие строение материи и процесс ее развития.

Дифракция (от лат. diffractus – разломанный) – отклонение волн, возникающее при их распространении в неоднородных средах, огибание ими препятствий.

Инвариантность (от лат. invariantis – неизменяющийся) – неизменность какой-либо величины при изменении физических условий или по отношению к некоторым преобразованиям, обычно преобразованиям координат и времени.

Интеграция (от лат. integratio – восстановление) – процесс сближения и связи наук, происходящий наряду с процессами ихдифференциации ; вообще – понятие, означающее состояние связанности отдельных частей системы в целое, а также процесс, ведущий к такому состоянию.

Интерференция волн – явление, наблюдающееся при одновременном распространении в пространстве двух или нескольких волн, когда при их сложении в разных точках пространства происходит усиление или ослабление результирующей волны. Интерференция характерна для волн любой природы.

Квант – понятие, введенное М. Планком для обозначения элементарной дискретной порции энергии.

Кварки – гипотетические материальные частицы, из которых, по современным представлениям, состоят всеадроны . В наиболее распространенном варианте теории постулируется существование четырех кварков (и соответствующих антикварков), каждый из которых может находиться в трех состояниях, различающихся квантовым числом – «цветом».

Концепция (от лат. conceptio – система) – определенный способ понимания, трактовки каких-либо явлений, основная точка зрения, руководящая идея для их освещения; ведущий замысел, конструктивный принцип различных видов интеллектуальной деятельности.

Корпускулярно-волновой дуализм – положение о том, что любые микрообъекты материи (фотоны, электроны, протоны и др.) обладают свойствами и частиц (корпускул), и волн.

Лептоны (от греч. λεπτος – легкий) –элементарные частицы с полуцелымспином , не участвующие в сильном взаимодействии. К лептонам относятсяэлектрон ,мюон ,нейтрино и другие частицы.

Мезоны (от греч. μεσος – средний, промежуточный) – нестабильныеэлементарные частицы с нулевым или целымспином , принадлежащие к классуадронов и не имеющие барионного заряда; являются переносчиками ядерных сил.

Нейтрино (итал. neutrino – уменьшительное от «нейтрон») – стабильная, незаряженная элементарная частица с полуцелым спином и, предположительно, нулевой массой; относится клептонам , участвует только в слабом и гравитационном взаимодействии.

Нейтрон (англ. neutron, от лат. neuter – ни тот, ни другой) – электрически нейтральнаяэлементарная частица с полуцелымспином и массой, незначительно превышающей массупротона ; относится к классуадронов и входит в группубарионов . Из нейтронов и протонов построены всеатомные ядра .

Неопределенности принцип – фундаментальное положение квантовой теории, утверждающее, что любая физическая система не может находиться в состояниях, в которых координаты ее центра инерции и импульс одновременно принимают вполне определенные значения.

Нуклон (от лат. nucleus – ядро) – общее названиепротона инейтрона , являющихся составными частямиатомных ядер .

Парадигма (от греч. παραδειγμα – образец) – исходная концептуальная модель постановки проблем и их решения, методов исследования, господствующих в течение определенного исторического периода в научном соообществе.

Позитрон (от лат. positivus – положительный) – элементарная частица с положительным электрическим зарядом,античастица по отношению кэлектрону .

Постулат (от лат. postulatum – требование) – утверждение, принимаемое в рамках какой-либо научной теории за истинное, хотя и не доказуемое ее средствами, и поэтому играющее в ней роль аксиомы.

Протон (от греч. πρωτος – первый) – стабильнаяэлементарная частица с полуцелым спином и массой в 1836 электронных масс.

Соответствия принцип – сформулированный Н. Бором принцип взаимоотношений последовательно меняющих друг друга теорий, заключающийся в том, что всякая новая теория не отвергает полностью предшествующую, а включает ее в себя в качестве частного случая.

Спин (от англ. spin – вращение) – собственный момент импульса (количества движения) микрочастицы, имещий квантовую природу и не связанный с перемещением частицы как целого; измеряется в единицах постоянной Планка.

Фальсификации принцип (от лат. falsifico – подделывать) – принцип разграничения научного и ненаучного знания, состоящий в том, что критерием научности теории является ее фальсифицируемость, т. е. опровержимость.

Фотон (от греч. φωτος – свет) – квант электромагнитного поля, нейтральнаяэлементарная частица с нулевой массой и единичным спином.

Флуктуации (от лат. fluctuatio – колебание) – случайные отклонения от средних значений наблюдаемых величин, характеризующих систему из большого числа частиц; имеют место для любых случайных процессов.

Эволюция (от лат. evolutio – развертывание) – представление об изменениях в природе и обществе, их направленности, порядке и закономерностях.

Электрон – перваяэлементарная частица , открытая в физике, материальный носитель наименьшей массы и наименьшего электрического заряда в природе.

Элементарные частицы

Энтропия (от греч. εν + τροπη – превращение) – функция состояния термодинамической системы. Неравновесные процессы в изолированной системе сопровождаются ростом энтропии. Понятие энтропии широко используется в физике, химии, биологии, теории информации.

Ядро атомное – центральная массивная часть атома, состоящая изнуклонов (протонов и нейтронов), связанных ядерными силами.