Концепции современного естествознания часть II человек и вселенная
|
Скачать 1.95 Mb.
|
|
4. Современные представления об элементарных частицах 4.1. Классификация элементарных частиц Квантовое свойство элементарных частиц выражается в их способности рождаться и уничтожаться (испускаться и поглощаться) в процессах их взаимодействия. Элементарные частицы – это кванты материи и соответствующих физических полей одновременно. Различные процессы с элементарными частицами заметно отличаются по интенсивности протекания, что позволяет ввести понятие о четырех видах взаимодействия, которые принято называть фундаментальными. Сильное взаимодействие или ядерное наблюдается в ядрах и представляет собой взаимное притяжение протонов и нейтронов и наблюдается на расстояниях порядка 10-13 см, поэтому его называют короткодействующим. Именно сильное взаимодействие обеспечивает высокую устойчивость атомного ядра. Электромагнитное взаимодействие примерно в тысячу раз слабее ядерного, но оно также относится к сильнодействующим. Основу этого взаимодействия составляет связь с электромагнитным полем, носителем которого является фотон – квант электромагнитного поля. Это взаимодействие обуславливает взаимосвязь атомных электронов с ядром и связь атомов в молекулах. Это дальнодействующее взаимодействие. Слабое взаимодействие оказывает незначительное по величине воздействие на поведения элементарных частиц, вызывая очень медленное изменение их состояния. Например, нейтрино, участвующее только в слабых взаимодействиях, беспрепятственно пронизывает Солнце или Землю. Слабое взаимодействие ответственно за медленные распады квазистабильных частиц. Оно короткодействующее и простирается на расстояния 10-15–10-22 см. Гравитационное взаимодействие отвечает за притяжение масс различных объектов и хорошо изучено по своим макроскопическим проявлениям. В мире элементарных частиц из-за их малой массы оно играет незначительную роль, и относится к дальнодействующим. В природе, как правило, проявляется несколько типов взаимодействий, среди которых одно из них является господствующим. В космосе наибольшее значение имеют гравитационные силы, а в молекулах – электромагнитные. Элементарные частицы – группа мельчайших частиц, не являющихся атомами или атомными ядрами. Исключение составляет протон – ядро атома водорода. Всего частиц более 350. Они характеризуются массой, зарядом, средним временем существования, спином и квантовыми числами.
Адроны делятся также на мезоны и барионы, а последние, в свою очередь, на нуклоны (нейтроны и протоны) и гипероны (λ, Σ, Ξ, Ω). Название «гипероны» происходит от греческого «гипер» — выше, так как они тяжелее протона, «барионы» — от греческого «барис» тяжелый. К лептонам относятся электроны, мюоны и нейтрино. Барионы (нуклоны, гипероны, барионные резонансы — короткоживущие частицы) при любых реакциях могут превращаться в протоны или из них получаться. Разность между числом барионов и антибарионов в системе называется барионным числом. В теории элементарных частиц существует закон сохранения барионного числа в любом процессе. Именно этим законом обусловлена невозможность аннигиляции протона и электрона в обычных условиях, потому что протон — это барион, а электрон – лептон. Закон сохранения барионных чисел обеспечивает стабильность протонов. С точки зрения квантовой статистики, частицы с разными (целыми и полуцелыми) спинами могут разделяться на фермионы (статистика Ферми) с полуцелым спином (1/2): электрон, нейтрон, мюон, протон, нейтрон, гиперон), бозоны (статистика Бозе) с целым (0,1) спином: пион (π-мезон), каон (K-мезон), фотон. Фермионы, все без исключения, возникают или аннигилируют парами. С другой стороны, бозоны могут рождаться или поглощаться по одному и группами по несколько частиц. В дополнение к закону сохранения числа барионов Гелл-Манн и Нишиджима в 1953 г. ввели еще одну квантовую характеристику – странность S, для которой тоже существует закон сохранения, согласно которому странность сохраняется во всех сильных (ядерных) взаимодействиях, действующих на расстоянии около 10–13 см. Эти законы позволяют прогнозировать природу взаимодействия различных элементарных частиц. К концу 50-х годов нашего века численность и разнообразие элементарных частиц настолько выросли, что классификация их только по массе, заряду и спину, даже с учетом упомянутых законов сохранения барионного числа и странности, вызывала у физиков-теоретиков значительное неудовлетворение. Появлялись даже идеи, что за этим разнообразием скрывается некая симметрия. 4.2. Кварковая модель Развитием этого поиска явилось еще одно изобретение Гелл-Манна (1963), а затем независимо от него Цвейга (1964) – модель кварков. В этой модели предполагается, что все сильновзаимодействующие элементарные частицы являются комбинациями трех основных частиц (которые и называются кварками) и их античастиц. Название «кварк» взято Гелл-Манном из туманной фразы романа Дж. Джойса «Поминки по Финнегану»: «Три кварка для мистера Марка». Другое объяснение этому термину – это название напоминает английское звукоподражание крику чаек. Кварки имеют необычные свойства: электрический заряд, равный  или  , и барионное число (заряд) тоже дробный: равный  .В теории элементарных частиц существует так называемая «стандартная модель». Согласно этой модели кварки различаются «ароматом»: и (от up – верхний), d (от down – нижний), s (от strange – странный), с (от charm – очарование), b (от beauty – красота), t (от truth – истинный). Главная особенность всех кварков в том, что они являются обладателями соответствующих сильных зарядов. Заряды сильного поля имеют три равноправные разновидности (вместо одного электрического заряда в теории электрических сил). В исторически сложившейся терминологии эти три разновидности заряда называют цветами кварков, а именно: условно красным, зеленым и синим. Таким образом, каждый кварк является цветной частицей. Смешение всех трех цветов, подобно тому как это имеет место в оптике, дает белый цвет, т. е. обесцвечивает частицу. Все наблюдаемые адроны бесцветны. Взаимодействия кварков осуществляют восемь разных глюонов. Термин «глюон» в переводе с английского языка означает «клей», т. е. эти кванты и есть частицы, которые как бы склеивают кварки между собой. Как и кварки, глюоны являются цветными частицами, но поскольку каждый глюон изменяет цвета сразу двух кварков (кварка, который испускает глюон, и кварка, который поглотил глюон), то глюон окрашен дважды, неся на себе цвет и антицвет, как правило, отличный от цвета. Масса покоя глюонов, как и у фотона, равна нулю. Кроме того, глюоны электрически нейтральны и не обладают слабым зарядом. Современные представления о природе таковы, что в рамках «стандартной модели» существует всего три поколения кварков, лептонов и нейтрино, которые и представляют собой начальный уровень структурной организации материи. Из лептонов и кварков первого поколения вместе с фотонами построена современная Вселенная. Частицы второго и третьего поколения играли важную роль в первые мгновения после Большого Взрыва ранней Вселенной, когда не было различия между лептонами и кварками. Академик РАЕН Б. А. Трубников отмечал, что прошедший ХХ век справедливо называть квантово-релятивистским веком. В 1897 г. Томсон (1824–1907) открыл электрон, в 1911 г. Резерфорд открыл атомное ядро, затем в 1931–1932 г.г. Чадвиком были обнаружены нейтроны, а Андерсеном – позитроны. После обнаружения сотен других короткоживущих частиц и «наведения порядка» для них была разработана квантовая теория поля, в рамках которой теоретически и были предсказаны совершенно новые объекты природы – кварки и глюоны. В настоящее время установлено, что истинно элементарными частицами следует считать шесть сортов кварков со своим «ароматами»: и, d, s, с, t, b и шесть сортов лептонов. Это – электрон e, мюон μ, тау-лептон (таон) τ и соответствующие этим частицам нейтрино (ve, νμ, ντ). Предполагается, что согласно принципу кварк-лептонной симметрии каждому лептону должен соответствовать определенный кварк (табл. 4.1). Таблица 4.1. Кварко-лептонная симметрия
Гипотетическое предположение о существовании кварков подтверждено экспериментально в опытах по рассеянию электронов на нуклонах, в которых у последних появлялись точечные заряженные образования. Сравнение данных опытов с результатами рассеяния нейтрино на нуклонах позволило найти численное значение этих зарядов и, таким образом, кварки приобрели статус структурных единиц. В свободном состоянии кварки не существуют. 4.3. Фундаментальные взаимодействия и мировые константы Частицы взаимодействуют между собой путем обмена квантами силовых полей, и, как установлено к настоящему времени, в природе наблюдается четыре типа сил, четыре фундаментальных взаимодействия: сильное (ядерное, связывающее протоны и нейтроны в ядрах химических элементов); электромагнитное; слабое (ответственное за сравнительно медленные бета-распады); гравитационное (приводящее к закону всемирного тяготения Ньютона). Гравитационное и электромагнитное взаимодействия относятся к силам, возникающим в гравитационных и электромагнитных полях. Природа гравитационного взаимодействия, количественно установленного еще Ньютоном, до сих пор полностью не определена, и не ясно, как передается это действие через пространство. Ядерные силы, относящиеся к сильным взаимодействиям, действуют на малых расстояниях, около 10-15 м, в ядрах и обеспечивают их устойчивость, преобладая над отталкивающим действием кулоновских сил электромагнитных полей, поэтому они являются в основном силами притяжения и действуют между протонами (р – р) и нейтронами (п – п). Существует также протон – нейтронное взаимодействие (p – п). Поскольку эти частицы объединены в одну группу нуклонов, то это взаимодействие называется также нуклон-нуклонным. Слабые взаимодействия проявляются в процессах ядерного распада или более широко – в процессах взаимодействия электрона и нейтрино (оно может существовать также и между любыми парами элементарных частиц). Как мы уже знаем, гравитационное и электромагнитное взаимодействие меняются с расстоянием как 1/r2 и являются дальнодействующими. Ядерное (сильное) и слабое взаимодействия являются короткодействующими. По своей величине основные взаимодействия располагаются в следующем порядке: сильное (ядерное), электрическое, слабое, гравитационное. Предполагается, что квантами – переносчиками этих четырех силовых полей являются соответственно: для сильного взаимодействия – безмассовые глюоны (8); для электромагнитного – безмассовые фотоны (кванты света со спином 1); для слабого – бозоны (три частицы в 90 раз тяжелее протона) и для гравитационного – безмассовые гравитоны (со спином 2). Глюоны склеивают и удерживают кварки внутри протонов и ядер. Кванты всех этих полей взаимодействий имеют целочисленные спины и поэтому являются бозонами, в отличие от частиц – фермионов, имеющих спин 1/2. Глюоны и кварки обладают своеобразным «зарядом», который принято называть «цветовым зарядом» или просто «цветом». В квантовой хромодинамике допустимыми считают только три цвета – красный, голубой и зеленый. Глюоны и кварки не удалось пока наблюдать непосредственно, и считают, что цветные кварки «не имеют права» вылетать наружу из ядер, подобно тому как фононы – кванты тепловых колебаний кристаллической решетки атомов – существуют только внутри твердых тел. Это свойство связывания, или удержания, кварков и глюонов в адронах называется конфайнментом. Вылетать из ядер наружу и наблюдаться имеют право лишь белые («бесцветные») комбинации кварков в виде адронов – барионов и мезонов, которые возникают в ядерных реакциях при столкновениях различных частиц. Любопытно, что одиночный кварк, появившийся в результате каких-то процессов, практически мгновенно (в течение 10-21 с) «достраивает» себя до адрона и вылететь из него уже не может. Четырем фундаментальным взаимодействиям соответствуют четыре мировые константы. Подавляющее число физических констант имеет размерности, зависящие от системы единиц отсчета, например, в СИ (Международной системе единиц – системе интернациональной) заряд е = 1,6·10-19 Кл, его масса т = 9,1·10-31 кг. В различных системах отсчета основные единицы имеют различные числовые значения и размерности. Такое положение не устраивает науку, так как удобнее иметь безразмерные константы, не связанные с условным выбором исходных единиц и систем отсчета. Кроме того, фундаментальные константы не выводятся из физических теорий, а определяются экспериментально. В этом смысле теоретическую физику нельзя считать самодостаточной и законченной для объяснения свойств природы, пока проблема, связанная с мировыми константами, не будет понята и объяснена. Анализ размерностей физических констант приводит к пониманию того, что они играют очень важную роль в построении отдельных физических теорий. Однако если попытаться создать единое теоретическое описание всех физических процессов, т. е., другими словами, сформулировать унифицированную научную картину мира от микро- до макроуровня, то главную, определяющую роль должны играть безразмерные, т. е. «истинно» мировые, константы. Таковы константы основных взаимодействий (4.1–4.4). Константа гравитационного взаимодействия:  . (4.1)Константа электромагнитного взаимодействия:  . (4.2)Константа сильного взаимодействия:  , (4.3)где  – цветовой заряд (индекс «s» от английского слова «strong» – сильный.)Константа слабого взаимодействия:  , (4.4)где g ~ 1,4·10-62 Дж·м3 – константа Ферми. (Индекс «w» от английского слова «weak» – слабый.) Заметим, что размерную константу гравитационного взаимодействия получил еще сам И. Ньютон: G ~ 6,67·10-11 м3·с2·кг-1 . Известно, что этот закон всемирного тяготения недоказуем, так как получен путем обобщения опытных фактов. Причем абсолютная справедливость его не может быть гарантирована до тех пор, пока не станет ясным сам механизм тяготения. Константа электромагнитного взаимодействия отвечает за превращение заряженных частиц в такие же частицы, но при изменении скорости их движения и появлении дополнительной частицы – фотона. Сильное и слабое взаимодействия проявляются в процессах микромира, где возможны взаимопревращения частиц. Поэтому константа сильного взаимодействия  количественно определяет взаимодействия барионов. Константа слабого взаимодействия  связана с интенсивностью превращений элементарных частиц при участии нейтрино и антинейтрино.Считается, что все четыре вида взаимодействия и их константы обусловливают нынешнее строение и существование Вселенной. Так, гравитационное – удерживает планеты на их орбитах и тела на Земле. Электромагнитное – удерживает электроны в атомах и соединяет их в молекулы, из которых состоим и мы сами. Слабое – обеспечивает длительное «горение» звезд и Солнца, дающего энергию для протекания всех процессов жизни на Земле. Сильное взаимодействие обеспечивает возможность стабильного существования большинства ядер атомов. Теоретическая физика показывает, что изменение числовых значений этих или других констант приводит к разрушению устойчивости одного или нескольких структурных элементов Вселенной. Так, например, увеличение массы электрона m0 от ~ 0,5 МэВ до 0,9 МэВ нарушит энергетический баланс в реакции образования дейтерия в солнечном цикле и приведет к дестабилизации стабильных атомов и изотопов. Дейтерий – атом водорода, состоящий из протона и нейтрона. Это «тяжелый» водород с А = 2 (тритий имеет А = 3.) Уменьшение всего на 40 % привело бы к тому, что дейтерий был бы не стабилен. Увеличение же сделает стабильным бипротон, что приведет к выгоранию водорода на ранних стадиях эволюции Вселенной. Константа  изменяется в пределах 1/170 <� <� 1/80. Другие значения приводят к невозможности должного отталкивания протонов в ядрах, а это ведет к нестабильности атомов. Увеличение привело бы к уменьшению времени жизни свободных нейтронов. Это означает, что на ранней стадии Вселенной гелий не образовался бы и не было бы реакции слияния α частиц при синтезе углерода 3α –> 12С. Тогда вместо нашей углеродной была бы водородная Вселенная. Уменьшение привело бы к тому, что все протоны оказались бы связаны в α частицы (гелиевая Вселенная).В современном естествознании предполагается, что мировые константы стабильны начиная со времени 10-35 с с момента рождения Вселенной и что, таким образом, в нашей Вселенной как бы существует очень точная «подгонка» числовых значений мировых констант, обусловливающих необходимые значения для существования ядер, атомов, звезд и галактик. Возникновение и существование такой ситуации не ясно. Такая «подгонка» (константы именно такие, какие они есть!) создает условия для существования не только сложных неорганических, органических, но и живых организмов, в том числе и человека. П. Дирак высказал идею о совместном изменении во времени фундаментальных констант. В целом можно считать, что многообразие и единство физического мира, его порядок и гармония, предсказуемость и повторяемость формируются и управляются системой небольшого числа фундаментальных констант. |
Похожие:
 |
Карпенков С. Х. К26 Концепции современного естествознания: Учебник для вузов К26 Концепции современного естествознания: Учебник для вузов. – М.: Академический Проект, 2000. Изд. 2-е, испр и доп. – 639 с |
 |
Учебно-методический комплекс дисциплины «Концепции современного естествознания» Учебно-методический комплекс составлен в соответствии с требованиями государственного образовательного стандарта высшего профессионального... |
|
Список литературы из фондов научной библиотеки рггу по состоянию на март 2008 Гуго (1877-1946). Доисторический человек : с 39 табл., 4 к и 404 рис в тексте / Обермайер Гуго. Спб. [Тип. Ао брокгауз-Ефрон], [1913].... |
|
Методика № дифференциально диагностический опросник (ддо; Е. А. Климов) Шкалы Шкалы: типы профессий человек-человек, человек-техника, человек-знаковая система, человек-художественный образ, человек-природа Назначение... |
|
Тематическое планирование уроков химии 8класс Химия как часть естествознания. Химия-наука о веществах, их строении, свойствах и превращениях |
|
Григорий Чхартишвили Предисловие Часть первая. Человек и самоубийство... Эдипов комплекс в истории суицидентов X. и Г. Опыт патологоанатомического психоанализа |
|
Кокин А. В. Концепции соврем естествознания: уч пособие / А. В. Кокин Дубнищева Т. Я., А. Ю. Современное естествознание: уч пособие / Т. Я. Дубнищева, А. Ю. Пигарев. – 2–е изд. – М.: Ивц «Маркетинг»»,... |
|
Программы В программе: Формы и приемы обучения современного урока по физической культуре. Календарно-тематическое планирование современного... |
|
Техническое задание 643. 05246295. 00059-01 тз 01 Концепции развития телемедицинских технологий в Российской Федерации, утверждённой приказом Минздрава РФ и рамн от 27. 08. 2001 г.... |
|
Общие методологические основы организации образования : вопросы системного... Учет материалов концепции развития техносферы дополнительного образования детей на среднесрочную перспективу, рекомендаций межрегиональных... |
|
Задание Определение маркетинговой концепции организаций ... |
|
Неповторимый Чеснок (часть 1) Ваша маленькая команда добавлена в командный режим выживания (обычный), случайно сгенерированное число участников: 6 человек] |
|
Информация о нарушениях, выявленных Государственной инспекцией труда... Года составила 695,4 тысяч человек (уменьшилась по сравнению с 2010 годом на 2,8 тысяч человек). Численность населения трудоспособного... |
|
В. М. Жуков Глава Механизмы в популяционной генетике Вселенная – это цепь или лестница, спускающаяся от подножья божественного трона на небе до ничтожнейшего творения на земле |
|
Которая в последнее время становится очень актуальной в нашем обществе.... Сегодня компьютеры стремительно внедрились в жизнь современного человека. Уже стало привычным видеть, что человек взаимодействует... |
|
Вводная часть Человек в процессе жизнедеятельности непрерывно взаимодействует со средой обитания, со всем многообразием факторов, многие из которых... |