Валентин Иванов - Размышления о природе вещей и идей

В 1928 году при решении уравнения движения релятивистского электрона Полем Дираком было предсказано существование античастиц – частиц с отрицательной энергией. Для заряженных частиц, например электрона, это свойство означает существование такой же частицы, но с зарядом противоположного знака – позитрона. В дальнейшем оказалось, что античастицы имеются у всех остальных частиц, но только для «истинно нейтральных»» (фотон, гравитон, нейтральный пи-мезон…) античастица по своим свойствам полностью совпадает со своим двойником-частицей. Впервые античастица для мю-мезонов были обнаружены в 1936 году, для пи-мезонов – в 1947 году.

Английский физик Джеймс Чедвик (1891—1974) в 1932 году при облучении бериллиевой мишени альфа-частицами открыл, что в ядре атома, кроме положительно заряженных частиц, присутствуют нейтральные частицы, получившие название нейтронов. В 1935 году японский физик Юкава вводит понятие сильного взаимодействия, которое удерживает протоны и нейтроны вместе в ядре атома.

Открывший нейтрон Джеймс Чедвик (1891 – 1974)

Когда стало ясно, что считавшийся элементарным и неделимым атом Демокрита на самом деле является сложным, составным объектом, поиски «истинно элементарных частиц» получили новое развитие. В 50-х – 60-х годах ХХ века при детектировании космического излучения с помощью камеры Вильсона были открыты около 200 новых частиц. Первые попытки их классификации по величине масс этих частиц позволили разделить их на три группы: легкие частицы назвали лептонами, частицы со средними массами получили название мезоны, а тяжелые частицы именовали барионами. Почти все частицы оказались нестабильными и через короткое время распадались на другие частицы и потоки излучения в виде фотонов. Было совсем не просто разобраться в этом «зоопарке» и понять, зачем природе нужно такое разнообразие практически «бесполезных» частиц, если атом состоит всего из трех сортов действительно стабильных частиц – протонов, нейтронов и электронов, назначение которых было более или менее понятным.

Предсказатель нейтрино Вольфганг Паули (1900 – 1958)

В дальнейшем было установлено, что нейтрон стабилен только когда он находится в составе ядра атома. В свободном же состоянии он через довольно продолжительное по масштабам элементарных частиц время в 880.1 секунды распадается на электрон, протон и возможно фотон. В дальнейшем из закона сохранения энергии-импульса было показано, что в этом процессе, названном бета-распадом, рождается еще одна очень легкая, нейтральная, практически неуловимая детекторами частица, которая в дальнейшей классификации получила название анти-нейтрино. Его масса в миллион раз меньше массы легчайшей из известных на то время частиц – электрона. Гипотезу о существовании такой частицы выдвинул Паули в 1930 году, а сама частица была экспериментально обнаружена только в 1953 году американскими учеными Фредериком Рейнесом и Клайдом Коуэном на реакторе в Хэнфорде в эксперименте, получившем название «Полтергейст». В дальнейшем было обнаружено, что имеются три сорта нейтрино для каждого из лептонов.

Создатель кварковой модели Мюррей Гелл-Манн (1929 – 2019)

В 1964 году физики Мюррей Гелл-Манн и Джордж Цвейг показали, что тяжелые частицы – барионы состоят из трех более мелких частиц – кварков с дробным зарядом по отношению к заряду электрона, а частицы с помежуточными массами – мезоны состоят из пар кварк-антикварк. Так была заложена первая классификация элементарных частиц в рамках квантовой хромодинамики, поскольку кваркам было приписано свойство, называемое цветностью. Позднее всего было обнаружено 6 кварков (up, down, top, bottom, charm, strange). К середине 70-х годов прошлого столетия была построена так называемая стандартная модельиз «истинно элементарных» частиц, которая включает 12 частиц материи – фермионов с полуцелым спином (6 кварков и 6 лептонов – электрон, мю мезон, тау мезон и 3 соответствующих им нейтрино – электронное, мюонное и тау-нейтрино), а также 4 частицы переносчики фундаментальных взаимодействий – бозонов с целым спином (гравитон, фотон, 8 глюонов и комплекс из W +, W - и Z 0 бозонов).

Создатель кварковой модели Джордж Цвейг (р. 1937)

Cтандартная модель играет столь же важную роль в классификации элемантарных частиц, как и Периодическая система химических элементов Д.И.Менделеева. С ее появлением вместо хаоса прежнего огромного «зоопарка частиц» появляется компактное множество элементарных объектов, у каждого из них теперь имеется своя роль и предназначение в качестве элементарных кирпичиков, из которых построена материальная Вселенная, в то время как все остальные частицы оказались либо составными, не элементарными, либо нестабильными – переходными состояниями для истинно элементарных частиц.

Предсказатель нового бозона его имени П итер Хиггс (р. 1929)

В 1964 году Питером Хиггсом была теоретически предсказана еще одна частица – бозон, получивший название его имени. Эта частица порождает пятый вид фундаментальных взаимодействий, который наделяет остальные частицы массами, позволяя определить спектр масс всех известных частиц. Бозон Хиггса был экспериментально обнаружен в 2012 году на Большом Адронном Коллайдере в ЦЕРНе.

В связи с успехами идентификации и классификации элементарных объектов Вселенной вновь становится актуальным вопрос: не слишком ли много частиц, чтобы они могли претендовать на роль истинных первичных объектов всего мира? Не существует ли более элементарного уровня организации материи?

Достижение физики ХХ в. – «Стандартная модель» элементарных частиц

Современное толкование термина «материя» заключается в том, что она имеет две составные части: вещество и энергия. О дискретности вещества мы уже рассказали, а об энергии расскажем далее.

Начало той науки, которая позднее получила название квантовой механики, следует отнести к 1900 году, когда немецкий учёный Макс Планк опубликовал работу, посвящённую изучению спектра равновесного излучения абсолютно чёрного тела. Тот самый Планк, который в самом начале своей научной деятельности пришёл к выводу, что законы термодинамики сами по себе способны приводить к правильным результатам без использования каких-либо произвольных предположений о строении вещества. К таким предположениям он относил и атомизм. Более того, он критиковал кинетическую теорию газов, считая её противоречащей принципу возрастания энтропии, и в 1882 году писал, что атомная теория, в конечном счёте, должна уступить место представлению о непрерывном строении материи.