Світ елементарних частинок

План

1. Фундаментальні фізичні взаємодії

2. Гравітація

3. Електромагнетизм

4. Слабка взаємодія

5. Сильна взаємодія

6. Проблеми єдності фізики

У другій половині XX ст. фізики, які мали справу з вивченням фундаментальної структури матерії, одержали воістину дивні результати. Було відкрито багато нових субатомних частинок. їх звичайно називають елементарними частинками, але далеко не всі серед них е справді елементарними. Багато які з них, у свою чергу, складаються з іще більш елементарних частинок.

Нові частинки, як правило, відкривають у реакціях розсіювання вже відомих частинок. Для цього зіштовхують частинки з якомога більшими енергіями, а потім досліджують продукти їхньої взаємодії і фрагменти, на які розпалися новоутворені частинки. До 50-х pp. основним джерелом первинних частинок були космічні промені, а в наш час — прискорювачі, які створюють інтенсивні пучки частинок з високими енергіями.

Світ субатомних частинок воістину різноманітний. Серед них і "цеглинки", з яких побудована речовина: протони й нейтрони, що складають атомні ядра, а також електрони, які обертаються навколо ядер. Але є і такі частинки, котрі в речовині, що нас оточує, практично не зустрічаються — резонанси. Час їхнього життя — найменші частки секунди. По закінченні цього надзвичайно короткого проміжку часу вони розпадаються на звичайні частинки. Таких нестабільних частинок з коротким періодом існування надзвичайно багато: їх відомо вже понад три сотні.

У 50—70-і pp. фізики були фактично спантеличені численністю, ріноманітністю і незвичайністю нещодавно відкритих субатомних частинок. Якщо наприкінці 40-х pp. було відомо 15 елементарних частинок, то наприкінці 70-х pp. їх було близько чотирьохсот. Зовсім незрозуміло, для чого стільки частинок. Чи є елементарні частинки хаотичними й випадковими уламками матерії чи, можливо, за взаємодіями цих частинок приховується чіткий порядок, що вказує на існування фундаментальної структури суб'ядерного світу? Розвиток фізики в наступні десятиліття показав, що така структура, без сумнівів, існує. Світу субатомних частинок властиві об'єктивні закономірності й глибокий структурний порядок. В основі цього порядку — фундаментальні фізичні взаємодії.

Фундаментальні фізичні взаємодії

Гравітація

У своєму повсякденному житті людина зіштовхується з великою кількістю сил, які діють на тіла: сила вітру чи потоку води; тиск повітря; могутній викид хімічних речовин, які спричинюють вибух; м'язова сила людини; вага предметів; тиск квантів світла; притягання й відштовхування електричних зарядів; сейсмічні хвилі, що викликають часом катастрофічні руйнування; вулканічні виверження, що призводили до загибелі цивілізацій; і т.д. Одні сили діють безпосередньо, контактуючи з тілом, інші, наприклад гравітація, діють на відстані, через простір. Але, як з'ясувалося в результаті розвитку природознавства, незважаючи на таку велику різноманітність, усі діючі в природі сили можна звести до чотирьох фундаментальних взаємодій. Саме ці взаємодії в кінцевому підсумку відповідають за всі зміни у світі, саме вони є джерелом усіх матеріальних перетворень тіл, процесів. Кожна з чотирьох фундаментальних взаємодій подібна до трьох інших і в той же час має свої відмінності. Вивчення властивостей фундаментальних взаємодій є головним завданням сучасної фізики.

Гравітація першою з чотирьох фундаментальних взаємодій стала предметом наукового дослідження. Створена в XVII ст. ньютонівська теорія гравітації (закон всесвітнього тяжіння) дозволила вперше усвідомити справжню роль гравітації як сили природи.

Гравітація має ряд особливостей, що відрізняють її від інших фундаментальних взаємодій. Найбільш незвичайною особливістю гравітації є її мала інтенсивність. Гравітаційна взаємодія протона з електроном у 1039 разів менша від сили їх електричної взаємодії. Якби розміри атома водню визначалися гравітацією, а не взаємодією між електричними зарядами, то радіус нижчої (найближчої до ядра) орбіти електрона перевищував би радіус доступної для спостереження частини Всесвіту. Як може така слабка взаємодія бути панівною силою у Всесвіті?

Уся справа в другій незвичайній рисі гравітації — у її універсальності. Ніщо у Всесвіті не може уникнути гравітації. Кожна частинка зазнає дії гравітації і сама є джерелом гравітації, спричинює гравітаційне притягання. Гравітація зростає в міру утворення все більших скупчень речовини. І хоч притягання одного атома мізерно мале, але сукупна сила притягання з боку всіх атомів може бути значною. Це виявляється й у повсякденному житті: ми відчуваємо гравітацію тому, що всі атоми Землі спільно притягають нас. Зате в мікросвіті роль гравітації дуже незначна. Ніякі квантові ефекти в гравітації поки що не доступні для спостереження.

Крім того, гравітація — дальнодіюча сила природи. Це означає, що, хоч інтенсивність гравітаційної взаємодії зменшується з відстанню, вона поширюється в просторі і може позначатися на дуже віддалених від джерела тілах. В астрономічному масштабі гравітаційна взаємодія, як правило, відіграє головну роль. Завдяки силі дальнодії гравітація утримує Всесвіт від розпаду на частини: вона утримує планети на орбітах, зірки в галактиках, галактики в скупченнях, скупчення в Метагалактиці.

Сила гравітації, що діє між частинками, завжди є силою притягання: вона прагне зблизити частинки. Гравітаційне відштовхування не виявлене.

Поки ще немає однозначної відповіді на питання, що таке гравітація — деяке поле, викривлення лростору-часу чи те й інше разом. Щодо цього існують різні думки й концепції. Тому немає і завершеної теорії квантово-гравітаційної взаємодії.

Електромагнетизм

За величиною електричні сили набагато перевершують гравітаційні, тому, на відміну від слабкої гравітаційної взаємодії, електричні сили, що діють між тілами звичайних розмірів, можна легко спостерігати. Електромагнетизм відомий людям, з незапам'ятних часів (полярні сяйва, спалахи блискавки й ін.).

Протягом тривалого часу електричні н магнітні процеси вивчалися незалежно одні від інших. Як ми вже знаємо, вирішальний крок у пізнанні електромагнетизму зробив у середині XIX ст. Дж. К. Максвелл, який об'єднав електрику й магнетизм у єдину теорію електромагнетизму - першу єдину теорію поля.

Існування електрона (одиниці електричного заряду) було доведене в 90-і pp. XIX ст. Але не всі матеріальні частинки є носіями електричного заряду. Електрично нейтральними є, наприклад, фотон і нейтрино. У ньому відмінність електрики від гравітації. Усі матеріальні частинки створюють гравітаційне поле, тоді як електромагнітне поле пов'язане тільки із зарядженими частинками.

Тривалий час загадкою була і сама природа магнетизму. Як і електричні заряди, однойменні магнітні,полюси відштовхуються, а різнойменні — притягаються. На відміну від електричних зарядів, магнітні полюси зустрічаються не порізно, а тільки парами — північний полюс і південний. Добре відомо, що у звичайному магнітному стрижні один кінець діє як північний полюс, а інший — як південний. Ще з найдавніших часів робилися спроби одержати за допомогою поділу магніту лише один ізольований магнітний полюс — монополь. Але всі вони закінчувалися невдачею: при розрізанні виникали два нових магніти, кожний з який мав і північний, і південний полюси. Можливо, існування ізольованих магнітних полюсів у природі виключено? Однозначної відповіді на це питання поки що не існує. Деякі сучасні теорії допускають можливість існування монополя.

Електрична й магнітна сили (як і гравітація) є дальнодіючими, їхня дія відчутна на великих відстанях від джерела. Електромагнітна взаємодія виявляється на всіх рівнях матерії - у мегасвіті, макросвіті і мікросвіті. Як і гравітація, вона підпорядковується закону обернених квадратів.

Електромагнітне поле Землі простягається далеко в космічний простір, могутнє поле Сонця заповнює всю Сонячну систему; існують і галактичні електромагнітні поля. Електромагнітна взаємодія визначає також структуру атомів і відповідає за переважну більшість фізичних і хімічних явищ і процесів (за винятком ядерних). До неї зводяться всі звичайні сили: сили пружності, тертя, поверхневого натягу, вона визначає агрегатні стани речовини, оптичні явища й ін.

Слабка взаємодія

До виявлення існування слабкої взаємодії фізика просувалася повільно. Слабка взаємодія відповідальна за розпадання частинок; з її проявом зіштовхнулися після відкриття радіоактивності й дослідження бета-розпаду.

У бета-розпаду виявилася найвищою мірою дивна особливість. Дослідження приводили до висновку, що в цьому розпаді начебто порушується один із фундаментальних законів фізики — закон збереження енергії. Здавалося, що частина енергії кудись зникала. Щоб "врятувати" закон збереження енергії, В. Паулі припустив, що при бета-розпаді разом з електроном вилітає, несучи із собою відсутню енергію, ще одна частинка. Вона нейтральна і має надзвичайно високу проникну здатність, унаслідок чого її не вдавалося слостерііати. Е. Фермі назвав частинку-невидимку "нейтрино".

Але пророкування нейтрино - це тільки початок проблеми, її постановка. Потрібно було пояснити природу нейтрино, але тут залишалося багато загадкового. Справа в тому, що електрони й нейтрино могли випромінювати лише нестабільні ядра. Але було незаперечно доведено, що всередині ядер немає таких частинок. Як же вони виникали? Було висловлено припущення, що електрони й нейтрино не існують у ядрі в "готовому вигляді", а якимось чином утворюються в процесі розпаду ядра. Подальші дослідження показали, що нейтрони, які входять до складу ядра, полишені самі на себе, через кілька хвилин розпалаються на протон, електрон і нейтрино, тобто замість однієї частинки з'являється три нові. Аналіз приводив до висновку, що відомі сили не можуть викликати такий розпад. Він, очевидно, породжувався якоюсь іншою, невідомою силою. Дослідження показали, що цій