Кварки и восьмеричный путь. Еще не открытые элементы Пользуясь названиями элементарных частиц из которых

В котором есть информация о том, что все элементарные частицы, входящие в состав любого химического элемента, состоят из различного числа неделимых фантомных частичек По, мне стало интересно, почему же в докладе не говорится о кварках, ведь традиционно считается, что именно они являются структурными элементами элементарных частиц.

Теория кварков уже давно стала общепризнанной среди учёных, которые занимаются исследованиями микромира элементарных частиц. И хотя в самом начале введение понятия «кварк» было чисто теоретическим допущением, существование которого лишь предположительно подтвердилось экспериментально, на сегодняшний день этим понятием оперируют как непреклонной истинной. Учёный мир условился называть кварки фундаментальными частицами, и за несколько десятилетий это понятие стало центральной темой теоретических и экспериментальных изысканий в области физики высоких энергий. «Кварк» вошёл в программу обучения всех естественнонаучных ВУЗов мира. На исследования в данной области выделяются огромные средства - чего только стоит строительство Большого адронного коллайдера. Новые поколения учёных, изучая теорию кварков, воспринимают её в том виде, в каком она подана в учебниках, практически не интересуясь историей данного вопроса. Но давайте попробуем непредвзято и честно посмотреть в корень «кваркового вопроса».

Ко второй половине XX века, благодаря развитию технических возможностей ускорителей элементарных частиц - линейных и круговых циклотронов, а затем и синхротронов, учёным удалось открыть множество новых частиц. Однако что делать с этими открытиями они не понимали. Тогда была выдвинута идея, исходя из теоретических соображений, попытаться сгруппировать частицы в поисках некоего порядка (подобно периодической системе химических элементов - таблице Менделеева). Учёные условились тяжелые и средние по массе частицы назвать адронами , а в дальнейшем их разбить на барионы и мезоны . Все адроны участвовали в сильном взаимодействии. Менее тяжелые частицы, назвали лептонами , они участвовали в электромагнитном и слабом взаимодействии . С тех пор физики пытались объяснить природу всех этих частиц, стараясь найти общую для всех модель, описывающую их поведение.

В 1964 году американские физики Мюррей Гелл-Ман (Лауреат Нобелевской премии по физике 1969 г.) и Джордж Цвейг независимо друг от друга предложили новый подход. Было выдвинуто чисто гипотетическое предположение, что все адроны состоят из трёх более мелких частиц и соответствующих им античастиц. И Гелл-Ман назвал эти новые частицы кварками. Занимательно, что само название он позаимствовал из романа Джеймса Джойса «Поминки по Финнегану», где герою во снах часто слышались слова о таинственных трёх кварках. То ли Гелл-Ман слишком эмоционально воспринял этот роман, то ли ему просто нравилось число три, но в своих научных трудах он предлагает ввести в физику элементарных частиц первые три кварка, получившие названия верхний (и — от англ. up), нижний (d — down) и странный (s — strange), обладающие дробным электрическим зарядом + 2 / 3 , — 1 / 3 и — 1 / 3 соответственно, а для антикварков принять, что их заряды противоположны по знаку.

Согласно данной модели протоны и нейтроны, из которых, как предполагают учёные, состоят все ядра химических элементов, составлены из трёх кварков: uud и udd соответственно (снова эти вездесущие три кварка). Почему именно из трёх и именно в таком порядке не пояснялось. Просто так придумали авторитетные научные мужи и всё тут. Попытки сделать теорию красивой не приближают к Истине, а лишь искривляют и без того кривое зеркало, в котором отражена Её частичка. Усложняя простое, мы отдаляемся от Истины. А всё так просто!

Вот так строится «высокоточная» общепризнанная официальная физика. И хотя изначально введение кварков предлагалось в качестве рабочей гипотезы, но спустя короткое время эта абстракция плотно вошла в теоретическую физику. С одной стороны, она позволила с математической точки зрения решить вопрос с упорядочиванием обширного ряда открытых частиц, с другой же, оставалась лишь теорией на бумаге. Как обычно это делается в нашем потребительском обществе, на экспериментальную проверку гипотезы существования кварков было направленно очень много человеческих сил и ресурсов. Средства налогоплательщиков расходуются, людям надо о чём-то рассказывать, отчёты показывать, говорить о своих «великих» открытиях, чтобы получить очередной грант. «Ну раз надо, значит сделаем», - говорят в таких случаях. И вот это случилось.

Коллектив исследователей Стэнфордского отделения Массачусетского технологического института (США) на линейном ускорителе занимался изучением ядра, обстреливая электронами водород и дейтерий (тяжёлый изотоп водорода, ядро которого содержит один протон и один нейтрон). При этом измерялись угол и энергия рассеяния электронов после столкновения. В случае малых энергий электронов рассеянные протоны с нейтронами вели себя как «однородные» частицы, слегка отклоняя электроны. Но в случае с электронными пучками большой энергии отдельные электроны теряли значительную часть своей начальной энергии, рассеиваясь на большие углы. Американские физики Ричард Фейнман (Лауреат Нобелевской премии по физике 1965 г. и, кстати, один из создателей атомной бомбы в 1943-1945 годах в Лос-Аламосе) и Джеймс Бьёркен истолковали данные по рассеянию электронов как свидетельство составного устройства протонов и нейтронов, а именно: в виде предсказанных ранее кварков .

Обратите, пожалуйста, внимание на этот ключевой момент. Экспериментаторы в ускорителях сталкивая пучки частиц (не единичные частицы, а пучки!!!), набирая статистику(!!!) увидели, что протон и нейтрон из чего-то там состоят. Но из чего? Они ведь не увидели кварки, да ещё и в числе трёх штук, это невозможно, они просто увидели распределение энергий и углы рассеяния пучка частиц. А поскольку единственной на то время теорией строения элементарных частиц, хоть и весьма фантастической, была теория кварков, то и посчитали этот эксперимент первой успешной проверкой существования кварков.

Позже, конечно же, последовали и другие эксперименты и новые теоретические обоснования, но суть их одна и та же. Любой школьник, прочитав историю данных открытий, поймёт, насколько всё в этой области физики притянуто за уши, насколько все банально нечестно.

Вот так и ведутся экспериментальные исследования в области науки с красивым названием - физика высоких энергий. Давайте будем честными сами перед собой, на сегодняшний день не существует чётких научных обоснований существования кварков. Этих частиц просто нет в природе. Понимает ли хоть один специалист, что на самом деле происходит при столкновении двух пучков заряженных частиц в ускорителях? То, что на этой кварковой теории строилась так называемая Стандартная модель, которая якобы является самой точной и правильной, ещё ни о чём не говорит. Специалистам хорошо известны все изъяны этой очередной теории. Вот только почему-то об этом принято умалчивать. Но почему? «И самая большая критика Стандартной модели касается тяготения и происхождения массы. Стандартная модель не учитывает тяготения и требует, чтобы масса, заряд и некоторые другие свойства частиц измерялись опытным путем для последующей постановки в уравнения» .

Несмотря на это огромные средства выделяются на эту область исследований, вдумайтесь только, на подтверждение Стандартной модели, а не поиски Истины. Построен Большой адронный коллайдер (CERN, Швейцария), сотни других ускорителей по всему миру, выдаются премии, гранты, содержится огромный штат технических специалистов, но суть всего этого - банальный обман, Голливуд и не более. Спросите любого человека - какую реальную пользу обществу приносят эти исследования - никто вам не ответит, поскольку это тупиковая ветвь науки. С 2012 года заговорили об открытии бозона Хиггса на ускорителе в CERN . История этих исследований - это целый детектив, в основе которого всё тот же обман мировой общественности. Занимательно, что этот бозон якобы открыли именно после того, как зашла речь о прекращении финансирования этого дорогостоящего проекта. И дабы показать обществу важность этих исследований, оправдать свою деятельность, дабы получить новые транши на строительство ещё более мощных комплексов, сотрудникам CERN, работающим в этих исследования, и пришлось пойти на сделку со своей совестью, выдавая желаемое за действительное.

В докладе «ИСКОННАЯ ФИЗИКА АЛЛАТРА» на этот счёт есть такая интересная информация: «Учёные обнаружили ча-стицу, предположительно похожую на бозон Хиггса (бозон был пред-сказан английским физиком Пите-ром Хиггсом (Peter Higgs; 1929), со-гласно теории, он должен обладать конечной массой и не иметь спина). На самом деле то, что обнаружили учёные, не является искомым бо-зоном Хиггса. Но эти люди, сами того ещё не осознавая, сделали действительно важное открытие и обнаружили гораздо большее. Они экспериментально обнаружили яв-ление, о котором подробно описа-но в книге «АллатРа» (примечание: книга «АллатРа», стр. 36 послед-ний абзац). .

Как же на самом деле устроен микромир материи? В докладе «ИСКОННАЯ ФИЗИКА АЛЛАТРА» есть достоверная информация об истинном строении элементарных частиц, знания, которые были известны и древним цивилизациям, чему есть неопровержимые доказательства в виде артефактов. Элементарные частицы состоят из различного числа фантомных частичек По . «Фантомная частичка По ‒ это сгусток, состоящий из септонов, вокруг которого находится небольшое разреженное собственное септонное поле. Фантомная частичка По имеет внутренний потенциал (является его носителем), обновляющийся в процессе эзоосмоса. Согласно внутреннему потенциалу, фантомная частичка По имеет свою соразмерность. Самой наименьшей фантомной частичкой По является уникальная силовая фантомная частичка По ‒ Аллат (примечание: подробнее см. далее по докладу) . Фантомная частичка По ‒ это упорядоченная структура, находящаяся в постоянном спиралевидном движении. Она может существовать только в связанном состоянии с другими фантомными частичками По, которые в конгломерате образуют первичные проявления материи. Вследствие своих уникальных функций, является своеобразным фантомом (призраком) для материального мира. Учитывая, что из фантомных частичек По состоит вся материя, это задаёт ей характеристику иллюзорной конструкции и формы бытия, зависимой от процесса эзоосмоса (наполнения внутреннего потенциала).

Фантомные частички По являются нематериальным образованием. Однако в сцепке (последовательном соединении) между собой, выстроенные согласно информационной программе в определённом количестве и порядке, на определённом расстоянии друг от друга, они составляют основу строения любой материи, задают её разнообразие и свойства, благодаря своему внутреннему потенциалу (энергии и информации). Фантомная частичка По ‒ это то, из чего состоят в своей основе элементарные частицы (фотон, электрон, нейтрино и так далее), а также частицы-переносчики взаимодействий. Это первичное проявление материи в этом мире» .

Проведя после прочтения данного доклада такое небольшое исследование истории развития теории кварков и в целом физики высоких энергий, стало понятно, как всё-таки мало знает человек, если ограничивает своё познание лишь рамками материалистического мировоззрения. Одни допущения от ума, теория вероятности, условная статистика, договорённости и отсутствие достоверных знаний. А ведь люди порой на эти исследования тратят свои жизни. Уверен, что среди учёных и этой области физики есть множество людей, которые действительно пришли в науку не ради славы, власти и денег, а ради одной цели - познания Истины. Когда им станут доступны знания «ИСКОННОЙ ФИЗИКИ АЛЛАТРА», они сами наведут порядок и сделают действительно эпохальные научные открытия, которые принесут реальную пользу обществу. С выходом в свет этого уникального доклада сегодня открыта новая страница мировой науки. Теперь уже стоит вопрос не в знаниях как таковых, а в том, готовы ли сами люди к созидательному использованию этих Знаний. В силах каждого человека сделать всё возможное, чтобы все мы преодолели навязанный нам потребительский формат мышления и пришли к пониманию необходимости создания основ построения духовно-созидательного общества будущего в грядущую эпоху глобальных катаклизмов на планете Земля.

Валерий Вершигора

Ключевые слова: кварки, теория кварков, элементарные частицы, бозон Хиггса, ИСКОННАЯ ФИЗИКА АЛЛАТРА, Большой адронный коллайдер, наука будущего, фантомная частичка По, септонное поле, аллат, познание истины.

Литература:

Коккедэ Я., Теория кварков, М., Издательство «Мир», 340 с., 1969, http://nuclphys.sinp.msu.ru/books/b/Kokkedee.htm ;

Arthur W. Wiggins, Charles M. Wynn, The Five Biggest Unsolved Problems in Science, John Wiley & Sons, Inc., 2003 // Уиггинс А., Уинн Ч. «Пять нерешённых проблем науки» в пер. на русский;

Observation of an Excess of Events in the Search for the Standard Model Higgs boson with the ATLAS detector at the LHC, 09 Jul 2012, CERN LHC, ATLAS, http://cds.cern.ch/record/1460439 ;

Observation of a new boson with a mass near 125 GeV, 9 Jul 2012, CERN LHC, CMS, http://cds.cern.ch/record/1460438?ln=en ;

Доклад «ИСКОННАЯ ФИЗИКА АЛЛАТРА» интернациональной группы учёных Международного общественного движения «АЛЛАТРА» под ред. Анастасии Новых, 2015 г. ;

К середине шестидесятых годов XX столетия, когда наряду с протоном и нейтроном было открыто несколько десятков «элементарных» частиц, стало ясно, что эти «элементарные» частицы состоят из более фундаментальных частиц. В 1964 г. Независимо друг от друга М. Гелл-Манн и Д. Цвейг предложили составную кварковую модель адронов.
Кварки объединяются в частицы, называемые адронами . Термин «адрон» происходит от греческого «хадрос» – сильный и отражает свойство адронов участвовать в сильных взаимодействиях. Адроны – связанные системы кварков и антикварков. Адроны существуют двух типов – барионы и мезоны.

Рис. 11.1. Типы адронов и их кварковый состав.

Квантовые числа кварков, образующих адрон, определяют квантовые числа адронов. Адроны имеют определенные значения электрического заряда Q, спина J, чётности P, изоспина I. Квантовые числа s (странность), c (очарование или шарм), b (bottom) и t (top) разделяют адроны на обычные нестранные частицы (р, n, π, …), странные частицы (K, Λ, Σ, …), очарованные (D, Λ c , Σ c , …) и боттом-частицы (B, Λ b , Ξ b). t‑кварк имеет время жизни ≈ 10 -25 с, поэтому за такое короткое время он не успевает образовать адрон.
Всё многообразие адронов возникает в результате различных сочетаний u-, d-, s-, c-, b-кварков, образующих связанные состояния.
Квантовые характеристики кварков приведены в табл. 11.1. Каждый кварк имеет еще три цветные степени свободы (красный, синий, зеленый). Цветные степени свободы в таблице не указаны. Античастицы кварков – антикварки.

Таблица 11.1

Характеристики кварков

Характеристика	Тип кварка (аромат)
	d	u	s	c	b	t
Электрический заряд Q, в единицах е	-1/3	+2/3	-1/3	+2/3	-1/3	+2/3
Барионное число B	+1/3
Спин J	1/2
Четность P	+1
Изоспин I	1/2		0
Проекция изоспина I 3	-1/2	+1/2	0
Странность s	0	0	-1	0	0	0
Очарование (charm) c	0	0	0	+1	0	0
Bottom b	0	0	0	0	-1	0
Top t	0	0	0	0	0	+1
	0.33	0.33	0.51	1.8	5	180
Масса токового кварка	4-8 МэВ	1.5-4 МэВ	80-130 МэВ	1.1-1.4 ГэВ	4.1-4.9 ГэВ	174±5 ГэВ

Квантовые характеристики антикварков приведены в табл. 11.2.

Таблица 11.2

Характеристики антикварков

Характеристика	Тип кварка (аромат)
	d	u	s	c	b	t
Электрический заряд Q, в единицах е	+1/3	-2/3	+1/3	-2/3	+1/3	-2/3
Барионное число B	-1/3
Спин J	1/2
Четность P	-1
Изоспин I	1/2		0
Проекция изоспина I 3	+1/2	-1/2	0
Странность s	0	0	+1	0	0	0
Очарование (charm) c	0	0	0	-1	0	0
Bottom b	0	0	0	0	+1	0
Top t	0	0	0	0	0	-1
Масса конституэнтного кварка mс 2 , ГэВ	0.33	0.33	0.51	1.8	5	180
Масса токового кварка	4-8 МэВ	1.5-4 МэВ	80-130 МэВ	1.1-1.4 ГэВ	4.1-4.9 ГэВ	174±5 ГэВ

Кварки не существуют в свободном состоянии, а заключены в кварковых системах – адронах. Поэтому им нельзя освободиться от взаимодействия с другими кварками, находящимися в том же объеме и связывающими их в адрон глюонами.
Барионное число B − квантовая характеристика частиц, отражающая установленный на опыте ещё до открытия кварков закон сохранения числа барионов. Так например, протон без нарушения законов сохранения энергии, импульса, момента количества движения, электрического заряда мог бы распасться на позитрон e + и γ-квант

или на положительно заряженный пион π + и γ-квант

Однако такие распады не наблюдаются. Это можно понять, приписав протону барионное число В = +1 и считать, что все частицы, состоящие из трёх кварков, имеют барионное число, равное плюс единице. Мезоны имеют барионное число В = 0. Антибарионы имеют барионное число В = -1. Лептоны имеют барионное число В = 0.
Все имеющиеся опытные данные свидетельствуют о существовании закона сохранения барионного числа (заряда) или закона сохранения числа барионов:

Барионное число является аддитивным квантовым числом. Барионные числа адронов – следствие их кварковой структуры. Кваркам приписывают барионное число В = +1/3, а антикваркам В = -1/3. Тогда все частицы, состоящие из трех кварков (барионы), будут иметь барионное число В = +1, частицы из трех антикварков (антибарионы) − B = -1, а частицы из кварка и антикварка (мезоны) − B = 0.
В отличие от точечных кварков, адроны протяжённые объекты, т. е. имеют размер (≈ 1 Фм). Среднеквадратичные зарядовые радиусы протона p, пиона π и каона K

дают представление о размерах этих адронов.

Ф. Вилчек: «Кварки рождаются свободными, но встречаются только связанными… В начале двадцатого века, после пионерских экспериментов Резерфорда, Гейгера и Марсдена, физики открыли, что большая часть массы и весь положительный заряд внутри атома сконцентрированы в крошечных ядрах. В 1932 г. Чедвик открыл нейтроны, которые вместе с протонами могли бы рассматриваться как составляющие атомного ядра. Однако известных тогда сил гравитации и электромагнетизма было недостаточно, для того чтобы связать протоны и нейтроны в такие малые объекты, как наблюдаемые ядра. Физики столкнулись с новым видом взаимодействия, самым сильным в природе. Объяснение этой новой силы стало основной задачей теоретической физики.
Для решения указанной проблемы физики в течение многих лет собирали данные, полученные, в основном, из изучения результатов столкновений протонов и нейтронов. Однако результаты этих исследований оказывались громоздкими и сложными.
Если бы частицы в указанных экспериментах были фундаментальными (неделимыми), то после их столкновения следовало бы ожидать те же частицы, только выходящие по измененным траекториям. Вместо этого на выходе, после столкновения, часто оказывалось множество частиц. Конечное состояние могло содержать как несколько копий исходных частиц, так и другие частицы. Многие новые частицы были открыты именно таким образом. Несмотря на то, что эти частицы, называемые адронами, были нестабильны, их свойства были очень схожи со свойствами нейтронов и протонов. Тогда характер исследования изменился. Уже не казалось естественным полагать, что речь идет просто об изучении новой силы, связывающей протоны и нейтроны в атомные ядра. Скорее, открылся новый мир явлений. Этот мир состоял из множества новых неожиданных частиц, преобразующихся друг в друга удивительно большим количеством способов. Отражением изменения во взглядах стало и изменение в терминологии.
Вместо ядерных сил физики стали говорить о сильном взаимодействии.
В начале 1960-х годов Мюррей Гелл-Ман и Джордж Цвейг совершили огромный прорыв в теории сильного взаимодействия, предложив концепцию кварков. Если вы представите, что адроны не являются фундаментальными частицами, а состоят из некоторого числа неделимых кварков, то все становится на свои места. Десятки наблюдаемых адронов, по крайней мере в грубом приближении, можно объяснить различными возможными способами соединений всего трех типов («ароматов») кварков. Один и тот же набор кварков может иметь различные пространственные орбиты и разнообразные спиновые конфигурации. Энергия такой системы будет зависеть от всех этих факторов, и таким образом получатся состояния с разными энергиями, соответствующие частицам с разными массами, согласно формуле m = E/c 2 . Это аналогично тому, как спектр возбужденных состояний в атоме мы понимаем как проявление различных орбит и спиновых конфигураций электронов. (Правда, энергии взаимодействия электронов в атомах относительно малы, и влияние этих энергий на полную массу атома незначительно.)
Тем не менее, правила использования кварков для описания реалистических моделей казались довольно странными и непонятными.
Предполагалось, что кварки едва ли чувствуют присутствие друг друга, когда находятся рядом, но если вы попытаетесь их изолировать друг от друга, то обнаружите, что это невозможно. Усиленные попытки найти изолированный кварк успехом так и не увенчались. Наблюдаемыми оказались только связанные состояния кварка с антикварком (мезоны) и трех кварков (барионы). Этот принцип, выведенный из экспериментальных наблюдений, назвали конфайнментом. Однако возвышенное название не сделало само явление менее таинственным.
Была у кварков и еще одна примечательная особенность. Предполагалось, что их электрические заряды являются дробными (1/3 или 2/3) по отношению к основному единичному заряду, например, электрона или протона. Все остальные наблюдаемые заряды известны с большой точностью и кратны основному. Кроме того, тождественные кварки не подчиняются обычным правилам квантовой статистики. Эти правила требуют, чтобы кварки, как частицы со спином 1/2, были фермионами с антисимметричными волновыми функциями (если не учитывать цветовую симметрию). Однако наблюдаемые данные о барионах не могут быть объяснены с помощью антисимметричных волновых функций они должны быть симметричными.
Атмосфера таинственности вокруг свойств кварков еще более сгущалась, когда Дж. Фридман. Г.Кендалл, Р. Тейлор и их коллеги на линейном ускорителе в Стэнфорде (SLAC) направили фотоны с высокой энергией на прогоны и обнаружили внутри нечто вроде кварков. Неожиданным было то. что при сильных столкновениях кварки двигаются (точнее, переносят энергию и импульс) так, как если бы они были свободными частицами. До этого эксперимента большинство физиков предполагало, что каким бы ни было сильное взаимодействие кварков, оно должно заставить кварки обильно излучать энергию, и, следовательно, после резкого ускорения энергия движения должна быстро рассеиваться» .

Некоторые барионы

Частица	Кварковая структура	Масса mc 2 , МэВ	Время жизни t (сек) или ширина Г	Спин-четность, изоспин J P (I)	Основные моды распада
p	uud	938.27	>10 32 лет	1/2 + (1/2)
n	udd	939.57	885.7±0.8	1/2 + (1/2)	pe - e
Λ	uds	1116	2.6×10 -10	1/2 + (0)	pπ - , nπ 0
Σ +	uus	1189	0.80×10 -10	1/2 + (1)	pπ 0 , nπ +
Σ 0	uds	1193	7.4×10 -20	1/2 + (1)	Λγ
Σ -	dds	1197	1.5×10 -10	1/2 + (1)	nπ -
Ξ 0	uss	1315	2.9×10 -10	1/2 + (1/2)	Λπ 0
Ξ -	dss	1321	1.6×10 -10	1/2 + (1/2)	Λπ -
Δ ++	uuu	1230-1234	115-125 МэВ	3/2 + (3/2)	(n или p) + p
Δ +	uud
Δ 0	udd
Δ +	ddd
Σ(1385) +	uus	1383	36 МэВ	3/2 + (1)	Λπ, Σπ
Σ(1385) 0	uds	1384	36 МэВ
Σ(1385) -	dds	1387	39 МэВ
Ξ(1530) 0	uss	1532	9.1 МэВ	3/2 + (1/2)	Ξπ
Ξ(1530) -	dss	1535	9.9 МэВ
Ω -	sss	1672	0.82×10 -10	3/2 + (0)	ΛK - , Ξ 0 π -
N(1440) +	uud	1430-1470	250-450 МэВ	1/2 + (1/2)	n(π)+p(2π), Δπ
N(1440) 0	udd
N(1520) +	uud	1515-1530	110-135 МэВ	3/2 - (1/2)	n(π)+p(2π), Δπ
N(1520) 0	udd
	udc	2285	2.0×10 -13	1/2 + (0)	(n или p)+др.
Σ c (2455) ++	uuc	2453	2.2 МэВ	1/2 + (1)	π
Σ c (2455) +	udc	2451	< 4.6 МэВ
Σ c (2455) 0	ddc	2452	2.2 МэВ
	udb	5620	1.4×10 -13	1/2 + (0)	e -
	usb	5792	1.4×10 -12	1/2 + (1/2)	Ξ - e - X

Некоторые мезоны

Частица	Кварковая структура	Масса mc 2 , МэВ	Время жизни t (сек) или ширина Г	Спин-четность, изоспин J P (I)	Основные моды распада
π +	u	139.57	2.6×10 -8	0 - (1)	ν μ μ +
π -	d				μ μ -
π 0	u - d	134.98	8.4×10 -17		2γ
K +	u	494	1.2×10 -8	0 - (1/2)	ν μ μ + , π 0 π +
K -	s				μ μ - , π 0 π -
K 0	d	498	8.9×10 -11	0 - (1/2)	π + π - , π 0 π 0
K 0	s		5.2×10 -8		πeν, πμν, 3π
η	u + d - 2s	548	1.29 кэВ	0 - (0)	2γ, 3π
η"	u + d + s	958	0.20 МэВ	0 - (0)	η2π, ρ 0 γ
ρ +	u	776	150 МэВ	1 - (1)	ππ
ρ -	d				ππ
ρ 0	u - d	776	150 МэВ		ππ
ω	u + d	783	8.5 МэВ	1 - (0)	3π
¢	s	1019	4.3 МэВ	1 - (0)	K + K - ,
D +	c	1869	1.0×10 -12	0 - (1/2)	K+др., e+др., μ+др.
D -	d				K+др., e+др., μ+др.
D 0	c		4.1×10 -13	0 - (1/2)	K+др., e+др., μ+др.
D 0	u				K+др., e+др., μ+др.
	c	1968	4.9×10 -13	0 - (0)	K+др.
	s				K+др.
B +	u	5279	1.7×10 -12	0 - (1/2)	D+др., D * +др., ν+др.
B -	b				D+др., D * +др., ν+др.
B 0	d	5279	1.5×10 -12	0 - (1/2)	D+др., D * +др., ν+др.
B 0	b				D+др., D * +др., ν+др.
J/ψ	c	3097	91 кэВ	1 - (0)	адроны, 2e, 2μ
Y	b	9460	53 кэВ	1 - (0)	τ + τ-, μ + μ-, e + e-

Кварки, образующие адроны, могут находиться в состояниях с различными орбитальными моментами l q и в состояниях с различными значениями радиального квантового числа n. Так как кварк имеет положительную чётность, а антикварк - отрицательную, чётности барионов, антибарионов и мезонов определяются соотношениями

где L - результирующий орбитальный момент кварков в адроне.
Аналогичным образом можно получить формулу для чётности мезона/антимезона:

Спины кварков могут быть ориентированы различным образом. Поэтому для одной и той же кварковой комбинации допустимы различные значения полного момента и чётности J P . Энергия (масса) фиксированной кварковой комбинации зависит от J P и других квантовых чисел, таких как изоспин, т. е. для каждой кварковой комбинации получается набор энергий (масс). Такова суть спектроскопии адронов, которая по существу не отличается от атомной или ядерной спектроскопии. Отличие в атоме состоит в том, что если в атоме (или в ядре) с определённым внутренним составом частиц изменяется энергия и квантовые числа, то это означает переход в другое состояние этого же атома (ядра). В физике адронов изменение энергии (массы) и квантовых чисел фиксированной кварковой комбинации означает переход к другой частице.

Адроны - бесцветные образования цветных кварков

Почему существует столь ограниченный набор связанных кварковых структур - трёхкварковые и кварк-антикварковые состояния? Для ответа на этот вопрос нужно пояснить понятие бесцветного состояния . Кварковая модель в своем первоначаль­ном варианте не содержала понятия «цвет». Исходная модель смогла представить все многочисленное семейство адронов всего лишь в виде трех кварковых комбинаций − qqq (барионы), (антибарионы) и q (мезоны). Однако оставалось неясным, почему других комбинаций кварков, например, qq, qq, q, qqqq, qq, q и т.д. в природе нет, да и сами отдельные кварки не наблюдаются. Кроме того, были известны барионы из трех тождественных кварков – uuu (Δ ++ -резонанс), ddd (Δ - ‑резонанс), sss (Ω - -гиперон), в которых кварки находились в одинаковых квантовых состояниях, что противоречило принципу Паули. Все эти трудности начального варианта кварковой модели снимались введением для кварков еще одного квантового числа, названного цветом . Это квантовое число должно было иметь три возможных значения с тем, чтобы можно было восстановить принцип Паули для барионов, построенных из трех кварков одинакового аромата. Эти три возможных значения цвета – красный (к), зеленый (з) и синий (с) – можно рассматривать как три проекции своеобразного цветового спина в трехмерном цветовом пространстве (с осями К, З. С).
С введением цвета Δ ++ -резонанс, например, можно представить как комбинацию трех u-кварков в разных цветовых состояниях: Δ ++ = u к u з u с. Это означало, что принцип Паули справедлив и в физике адронов. Однако, ограничиться только трехзначностью цвета было невозможно. Оставалась ещё одна проблема. Если u к u з u с - это единственный вариант Δ ++ ‑резонанса, то для протона можно предложить несколько кандидатов, не нарушая принципа Паули: u к u з d с, u к u з d з, u с u к d к и т. д. Но существует только одно протонное состояние и введение нового квантового числа «цвет» не должно увеличивать число наблюдаемых состояний.
Выходом из этой ситуации явилось принятие постулата о бесцветности наблюдаемых квантовых состояний адронов. Бесцветность адронов означает, что в них кварки разного цвета представлены с равными весами. О таких бесцветных состояниях говорят как о цветовых синглетах. Они инвариантны относительно преобразований в трехмерном цветовом пространстве. Если цветовой индекс кварка принимает три значения α = 1, 2, 3, то такие преобразования имеют вид

при условии ортонормированности цветовых состояний

где (*) означает комплексное сопряжение, а δ βγ − символ Кронекера.
В отличие от цветных кварков, их наблюдаемые комбинации − адроны − всегда бесцветны. В них все кварковые цвета представлены с одинаковыми весами. В этом состоит аналогия между цветом в оптике ик вантовым числом цвет. В обоих случаях равномерная смесь трёх базовых цветов дает бесцветную (белую) комбинацию.
Рассмотрим вопрос о том, как цветовые степени свободы кварков должны быть учтены в волновых функциях адронов Y. Поскольку эти степени свободы не зависят от других кварковых степеней свободы – пространственных координат, спина и аромата, то цветовая часть полной волновой функции адрона может быть выделена в виде множителя ψ color:

Ψ = ψ color Ф,

где Ф − часть волновой функции адрона, куда входят пространственные (space ), спиновые (spin ) и ароматовые (flavor ) степени свободы кварков. Установим вид ψ color . Он различен для мезонов и барионов.
Кварковая структура мезонов q. Для того, чтобы мезон был бесцветным, все возможные цвета кварка (антикварка) в нём должны быть представлены с одинаковым весом, что дает цветовую структуру мезона ~ (k+з +с ). Поэтому, независимо от типа (кваркового состава) мезона цветовая часть его волновой функции с учетом нормировки имеет вид

При установлении вида цветовой волновой функции бариона необходимо учесть принцип Паули. В состав бариона могут входить тождественные кварки, а, поскольку кварки являются фермионами, то в таких барионах эти кварки не должны находиться в одинаковых квантовых состояниях. В случае мезонов такого ограничения нет, так как они содержат только различные частицы - кварк и антикварк. Это означает, что волновая функция бариона, содержащего кварки одинакового аромата, должна быть антисимметричной при перестановке этих кварков.

Рассмотрим ситуацию на примере Δ ++ -резонанса, состоящего из трёх u-кварков. Его спин-чётность J P = 3/2 + . Эксперименты показали, что его волновая функция симметрична по пространственным координатам кварков и не имеет узлов. Следовательно, орбитальный момент кварков L = 0 и полный момент J P = 3/2 целиком обусловлен спинами кварков, направленными в одну сторону (). Такое спиновое состояние симметрично. Следовательно, пространственно-спиново-ароматовая волновая функция Δ ++ -резонанса F симметрична по этим трём переменным. Как показывает опыт это утверждение справедливо для всех барионов, т. е. все барионы имеют волновые функции, полностью симметричные к одновременной перестановке пространственных координат, спинов и ароматов любых двух кварков. Для того чтобы быть антисимметричной в целом, полная волновая функция Y любого бариона должна содержать антисимметричную цветовую функцию ψ color . Нормированная антисимметричная цветовая волновая функция бариона имеет вид

Такая цветовая функция автоматически обеспечивает выполнение принципа Паули, запрещающего существование бариона, содержащего кварки одного и того же аромата в полностью одинаковых квантовых состояних. Ароматово-цветовая волновая функция Δ ++ -резонанса имеет вид

Требуемая антисимметризация волновой функции Δ ++ -резонанса получена. Она антисимметрична по цвету, симметрична по пространственным координатам (орбитальные моменты кварков нулевые) и спинам (). Таким образом, волновая функция Δ ++ -резонанса Y антисимметрична в целом, как и должно быть для систем, содержащих тождественные фермионы. Легко проверить выполнение принципа Паули для этого состояния. Пусть зелёный u-кварк стал красным: u з → u к. Тогда в Δ ++ ‑резонансе имеем два красных u-кварка в одном и том же состоянии. При этом волновая функция Δ ++ -резонанса обращается в нуль.

§ 8. Изотопы (продолжение)

Изотопы хлора записывают так:

Большинство химических свойств изотопов хлора, а также, например, калия (К и K) или аргона (Ar и Ar), как и изотопов многих других химических элементов, практически не отличаются. Только изотопы водорода из-за резкого кратного увеличения их относительной атомной массы имеют различия в химическихсвойствах. Им даже присвоены индивидуальные названия и химические знаки: протий - Н; дейтерий - H, или D; тритий - H, или T (рис. 37). Теперь мы можем дать современное, более строгое и научное определение химического элемента.

1. Обратитесь к электронному приложению. Изучите материал урока и выполните предложенные задания.

2. Найдите в Интернете электронные адреса, которые могут служить дополнительными источниками, раскрывающими содержание ключевых слов и словосочетаний параграфа. Предложите учителю свою помощь в подготовке нового урока - сделайте сообщение по ключевым словам и словосочетаниям следующего параграфа.

1. Как вы думаете, почему изотопы калия K и аргона Ar, имеющие одинаковые массы, проявляют разные свойства?

2. Почему в таблице Д. И. Менделеева относительная атомная масса аргона близка к 40, а калия - к 39?

3. Пользуясь названиями элементарных частиц, из которых состоят атомные ядра, дайте другое определение изотопов.

4. Почему изотопы хлора одинаковы между собой по свойствам, тогда как свойства изотопов водорода различны?

5. Почему дейтериевую воду D 2 О называют тяжёлой водой? Подготовьте сообщение «Сравнение свойств лёгкой и тяжёлой воды», пользуясь дополнительными источниками информации.

6. Найдите в таблице Д. И. Менделеева три пары элементов, у которых, подобно паре Аг - К, вначале расположен элемент с большим значением относительной атомной массы.

Доктор физико-математических наук М. КАГАНОВ.

По давней традиции журнал "Наука и жизнь" рассказывает о новейших достижениях современной науки, о последних открытиях в области физики, биологии и медицины. Но чтобы понимать, насколько они важны и интересны, необходимо хотя бы в общих чертах иметь представление об основах наук. Современная физика развивается стремительно, и люди старшего поколения, те, кто учился в школе и в институте лет 30-40 назад, со многими ее положениями незнакомы: их тогда попросту не существовало. А молодые наши читатели еще не успели про них узнать: научно-популярная литература практически перестала издаваться. Поэтому мы попросили давнего автора журнала М. И. Каганова рассказать об атомах и элементарных частицах и о законах, ими управляющих, о том, что же представляет собой материя. Моисей Исаакович Каганов - физик-теоретик, автор и соавтор нескольких сотен работ по квантовой теории твердого тела, теории металлов и магнетизму. Был ведущим сотрудником Института физических проблем им. П. Л. Капицы и профессором МГУ им. М. В. Ломоносова, членом редколлегий журналов "Природа" и "Квант". Автор многих научно-популярных статей и книг. Сейчас живет в Бостоне (США).

Наука и жизнь // Иллюстрации

Греческий философ Демокрит первым произнес слово "атом". Согласно его учению, атомы неделимы, неуничтожимы и находятся в постоянном движении. Они бесконечно разнообразны, имеют впадины и выпуклости, которыми сцепляются, образуя все материальные тела.

Таблица 1. Важнейшие характеристики электронов, протонов и нейтронов.

Атом дейтерия.

Английский физик Эрнст Резерфорд по праву считается основоположником ядерной физики, учения о радиоактивности и теории строения атома.

На снимке: поверхность кристалла вольфрама, увеличенная в 10 миллионов раз; каждая яркая точка - его отдельный атом.

Наука и жизнь // Иллюстрации

Наука и жизнь // Иллюстрации

Работая над созданием теории излучения, Макс Планк в 1900 году пришел к выводу, что атомы нагретого вещества должны излучать свет порциями, квантами, имеющими размерность действия (Дж.с) и энергию, пропорциональную частоте излучения: Е = hn.

В 1923 году Луи де Бройль перенес идею Эйнштейна о двойственной природе света - корпускулярно-волновом дуализме - на вещество: движение частицы соответствует распространению бесконечной волны.

Опыты по дифракции убедительно подтвердили теорию де Бройля, которая утверждала, что движение любой частицы сопровождается волной, длина и скорость которой зависят от массы и энергии частицы.

Наука и жизнь // Иллюстрации

Опытный бильярдист всегда знает, как покатятся шары после удара, и легко загоняет их в лузу. С атомными частицами гораздо сложнее. Траекторию летящего электрона указать невозможно: он не только частица, но и волна, бесконечная в пространстве.

Ночью, когда в небе нет облаков, не видна Луна и не мешают фонари, небо заполнено ярко сияющими звездами. Не обязательно искать знакомые созвездия или стараться найти близкие к Земле планеты. Просто смотрите! Постарайтесь представить себе огромное пространство, которое заполнено мирами и простирается на миллиарды миллиардов световых лет. Только из-за расстояния миры кажутся точками, а многие из них так далеки, что не различимы в отдельности и сливаются в туманности. Кажется, что мы в центре мироздания. Теперь мы знаем, что это не так. Отказ от геоцентризма - большая заслуга науки. Потребовалось много усилий, чтобы было осознано: малютка-Земля движется в случайном, казалось бы, ничем не выделенном участке необозримого (буквально!) пространства.

Но на Земле зародилась жизнь. Она развивалась столь успешно, что сумела произвести человека, способного постигать окружающий его мир, искать и находить законы, управляющие природой. Достижения человечества в познании законов природы столь впечатляющи, что невольно испытываешь гордость от принадлежности к этой щепотке разума, затерянного на периферии заурядной Галактики.

Учитывая разнообразие всего, что нас окружает, поражает воображение существование общих законов. Не менее поразительно то, что все построено из частиц всего трех типов - электронов, протонов и нейтронов.

Чтобы, используя основные законы природы, вывести наблюдаемые и предсказать новые свойства разнообразных веществ и объектов, созданы сложные математические теории, разобраться в которых совсем не просто. Но контуры научной картины Мира можно постичь, не прибегая к строгой теории. Естественно, для этого необходимо желание. Но не только: даже на предварительное знакомство придется затратить определенный труд. Нужно постараться постичь новые факты, незнакомые явления, которые на первый взгляд не согласуются с имеющимся опытом.

Достижения науки часто приводят к мысли, что для нее "нет ничего святого": то, что вчера было истиной, сегодня отбрасывается. Со знаниями возникает понимание того, как трепетно наука относится к каждой крупице накопленного опыта, с какой осторожностью движется вперед, особенно в тех случаях, когда приходится отказываться от укоренившихся представлений.

Задача этого рассказа - познакомить с принципиальными чертами строения неорганических веществ. Несмотря на бесконечное разнообразие, их структура сравнительно проста. Особенно, если сравнивать их с любым, даже самым простым живым организмом. Но есть и общее: все живые организмы, как и неорганические вещества, построены из электронов, протонов и нейтронов.

Нельзя объять необъятное: для того чтобы, хотя бы в общих чертах, познакомить с устройством живых организмов, нужен специальный рассказ.

ВВЕДЕНИЕ

Разнообразие вещей, предметов - всего, чем мы пользуемся, что нас окружает, необозримо. Не только по своему предназначению и устройству, но и по используемым для их создания материалам - веществам, как принято говорить, когда нет необходимости подчеркивать их функцию.

Вещества, материалы выглядят сплошными, а осязание подтверждает то, что видят глаза. Казалось бы, нет исключений. Текучая вода и твердый металл, столь непохожие друг на друга, сходны в одном: и металл и вода сплошные. Правда, в воде можно растворить соль или сахар. Они находят себе в воде место. Да и в твердое тело, например в деревянную доску, можно вбить гвоздь. Приложив заметные усилия, можно добиться того, что место, которое было занято деревом, займет железный гвоздь.

Мы хорошо знаем: от сплошного тела можно отломить небольшой кусочек, можно измельчить практически любой материал. Иногда это трудно, порой происходит самопроизвольно, без нашего участия. Представим себя на пляже, на песке. Мы понимаем: песчинка - далеко не самая мелкая частица вещества, из которого состоит песок. Если постараться, можно песчинки уменьшить, например, пропустив через вальцы - через два цилиндра из очень твердого металла. Попав между вальцами, песчинка раздробится на более мелкие части. По сути, так из зерна на мельницах делают муку.

Теперь, когда атом прочно вошел в наше мироощущение, очень трудно представить себе, что люди не знали, ограничен процесс дробления или вещество можно размельчать до бесконечности.

Неизвестно, когда люди впервые задали себе этот вопрос. Впервые он был зафиксирован в сочинениях древнегреческих философов. Некоторые из них считали, что, сколько ни дроби вещество, оно допускает деление на еще более мелкие части - предела нет. Другие высказывали мысль, что существуют мельчайшие неделимые частицы, из которых и состоит все. Чтобы подчеркнуть, что частицы эти - предел дробления, они назвали их атомами (по-древнегречески слово "атом" означает неделимый).

Необходимо назвать тех, кто первым выдвинул идею существовования атомов. Это - Демокрит (родился около 460 или 470 года до новой эры, умер в глубокой старости) и Эпикур (341-270 годы до новой эры). Итак, атомному учению почти 2500 лет. Представление об атомах отнюдь не сразу восприняли все. Еще лет 150 назад уверенных в существовании атомов было мало даже среди ученых.

Дело в том, что атомы очень малы. Их невозможно разглядеть не только простым глазом, но и, например, с помощью микроскопа, увеличивающего в 1000 раз. Давайте задумаемся: каков размер самых маленьких частиц, которые можно увидеть? У разных людей разное зрение, но, наверное, все согласятся, что увидеть частицу размером менее 0,1 миллиметра нельзя. Поэтому, если воспользоваться микроскопом, можно, хотя и с трудом, разглядеть частицы размером около 0,0001 миллиметра, или 10 -7 метра. Сравнив размеры атомов и межатомных расстояний (10 -10 метра) с длиной, принятой нами как предел возможности увидеть, поймем, почему любое вещество кажется нам сплошным.

2500 лет - огромный срок. Что бы ни происходило в мире, всегда находились люди, которые пытались ответить себе на вопрос, как устроен окружающий их мир. В какие-то времена проблемы устройства мира волновали больше, в какие-то - меньше. Рождение науки в ее современном понимании произошло сравнительно недавно. Ученые научились ставить эксперименты - задавать природе вопросы и понимать ее ответы, создавать теории, описывающие результаты экспериментов. Теории потребовали строгих математических методов для получения достоверных выводов. Наука прошла длинный путь. На этом пути, который для физики начался около 400 лет назад с работ Галилео Галилея (1564-1642), добыто бесконечное количество сведений о строении вещества и свойствах тел разной природы, обнаружено и понято бесконечное количество разнообразных явлений.

Человечество научилось не только пассивно понимать природу, но и использовать ее в своих целях.

Мы не будем рассматривать историю развития атомных представлений на протяжении 2500 лет и историю физики в течение последних 400 лет. Наша задача - по возможности кратко и наглядно рассказать о том, из чего и как построено все - окружающие нас предметы, тела и мы сами.

Как было уже сказано, все вещества состоят из электронов, протонов и нейтронов. Знаю об этом со школьных лет, но меня не перестает поражать, что все построено из частиц всего трех сортов! А ведь мир так разнообразен! К тому же и средства, которыми пользуется природа для осуществления строительства, тоже достаточно однообразны.

Последовательное описание того, как построены вещества разного типа, - сложная наука. Она использует серьезную математику. Надо подчеркнуть - какой-то другой, простой теории не существует. Но физические принципы, лежащие в основе понимания строения и свойств веществ, хотя они нетривиальны и трудно представимы, все же постичь можно. Своим рассказом мы попытаемся помочь всем, кого интересует устройство мира, в котором мы живем.

МЕТОД ОСКОЛКОВ, ИЛИ РАЗДЕЛЯЙ И ПОЗНАВАЙ

Казалось бы, наиболее естественный способ понять, как устроено некое сложное устройство (игрушка или механизм), - разобрать, разложить на составные части. Надо только быть очень осторожным, помня, что сложить будет значительно труднее. "Ломать - не строить" - говорит народная мудрость. И еще: из чего состоит устройство, мы, может быть, поймем, но, как работает, вряд ли. Стоит иногда отвинтить один винтик, и все - устройство перестало работать. Нужно не столько разобрать, сколько разобраться.

Так как речь идет не о фактическом разложении всех окружающих нас предметов, вещей, организмов, а о воображаемом, то есть о мысленном, а не о настоящем опыте, то можно не волноваться: собирать не придется. Кроме того, не будем скупиться на усилия. Не будем задумываться, трудно или легко разложить устройство на составные части. Секундочку. А откуда мы знем, что дошли до предела? Может быть, добавив усилий, сможем пойти дальше? Признаемся себе: мы не знаем, дошли ли до предела. Приходится воспользоваться общепринятым мнением, понимая, что это не слишком надежный аргумент. Но если помнить о том, что это лишь общепринятое мнение, а не истина в последней инстанции, то опасность невелика.

Сейчас общепринято, что деталями, из которых все построено, служат элементарные частицы. И при этом далеко не все. Посмотрев в соответствующий справочник, мы убедимся: элементарных частиц более трехсот. Обилие элементарных частиц заставило задуматься о возможности существования субэлементарных частиц - частиц, из которых состоят сами элементарные частицы. Так появилась идея кварков. Они обладают тем удивительным свойством, что, по-видимому, не существуют в свободном состоянии. Кварков достаточно много - шесть, и у каждого имеется своя античастица. Возможно, путешествие в глубь материи не окончено.

Для нашего рассказа обилие элементарных частиц и существование субэлементарных несущественно. В построении веществ непосредственное участие принимают электроны, протоны и нейтроны - все построено только из них.

Прежде чем обсуждать свойства реальных частиц, задумаемся, какими нам бы хотелось видеть детали, из которых все построено. Когда речь идет о том, что хотелось бы видеть, конечно, надо учитывать разнообразие взглядов. Отберем несколько черт, которые кажутся обязательными.

Во-первых, элементарные частицы должны иметь свойство объединяться в разнообразные структуры.

Во-вторых, хочется думать, что элементарные частицы неуничтожимы. Зная, какую длинную историю имеет мир, трудно представить себе, что частицы, из которых он состоит, смертны.

В-третьих, хотелось бы, чтобы самих деталей было не слишком много. Глядя на строительные блоки, мы видим, сколь разнообразные постройки могут быть созданы из одинаковых элементов.

Знакомясь с электронами, протонами и нейтронами, мы увидим, что их свойства не противоречат нашим пожеланиям, а желанию простоты, несомненно, соответствует то, что в строении всех веществ принимают участие всего три типа элементарных частиц.

ЭЛЕКТРОНЫ, ПРОТОНЫ, НЕЙТРОНЫ

Приведем важнейшие характеристики электронов, протонов и нейтронов. Они собраны в таблицу 1.

Величина заряда дана в кулонах, масса - в килограммах (единицах СИ); слова "спин" и "статистика" будут пояснены ниже.

Обратим внимание на различие в массе частиц: протоны и нейтроны почти в 2000 раз тяжелее электронов. Следовательно, масса любого тела почти целиком определяется массой протонов и нейтронов.

Нейтрон, как это следует из его названия, нейтрален - его заряд равен нулю. А протон и электрон имеют одинаковые по величине, но противоположные по знаку заряды. Электрон заряжен отрицательно, а протон - положительно.

Среди характеристик частиц нет, казалось бы, важной характеристики - их размера. Описывая строение атомов и молекул, электроны, протоны и нейтроны можно считать материальными точками. О размерах протона и нейтрона придется вспомнить только при описании атомных ядер. Даже по сравнению с размерами атомов протоны и нейтроны чудовищно малы (порядка 10 -16 метра).

По сути дела, этот короткий раздел сводится к представлению электронов, протонов и нейтронов как строительного материала всех тел в природе. Можно было бы просто ограничиться таблицей 1, однако нам предстоит понять, каким образом из электронов, протонов и нейтронов осуществляется постройка, что заставляет частицы объединяться в более сложные конструкции и каковы эти конструкции.

АТОМ - НАИБОЛЕЕ ПРОСТАЯ ИЗ СЛОЖНЫХ КОНСТРУКЦИЙ

Атомов много. Оказалось необходимым и возможным упорядочить их специальным образом. Упорядочение дает возможность подчеркнуть различие и сходство атомов. Разумное расположение атомов - заслуга Д. И. Менделеева (1834-1907), который сформулировал периодический закон, носящий его имя. Если временно отвлечься от существования периодов, то принцип расположения элементов крайне прост: они располагаются последовательно по весу атомов. Самый легкий - атом водорода. Последний природный (не созданный искусственно) атом - атом урана, который тяжелее его в 200 с лишним раз.

Понимание строения атомов объяснило наличие периодичности в свойствах элементов.

В самом начале XX века Э. Резерфорд (1871-1937) убедительно показал, что почти вся масса атома сосредоточена в его ядре - небольшой (даже по сравнению с атомом) области пространства: радиус ядра приблизительно в 100 тысяч раз меньше размера атома. Когда Резерфорд производил свои эксперименты, еще не был открыт нейтрон. С открытием нейтрона было понято, что ядра состоят из протонов и нейтронов, а атом естественно представлять себе как ядро, окруженное электронами, число которых равно числу протонов в ядре - ведь в целом атом нейтрален. Протоны и нейтроны, как строительный материал ядра, получили общее название - нуклоны (с латинского nucleus - ядро). Этим названием мы и будем пользоваться.

Количество нуклонов в ядре принято обозначать буквой А . Ясно, что А = N + Z , где N - число нейтронов в ядре, а Z - число протонов, равное числу электронов в атоме. Число А носит название атомной массы, а Z - атомного номера. Атомы с одинаковыми атомными номерами называют изотопами: в таблице Менделеева они находятся в одной клеточке (по-гречески изос - равный, топос - место). Дело в том, что химические свойства изотопов почти тождественны. Если таблицу Менделеева рассмотреть внимательно, можно убедиться, что, строго говоря, расположение элементов соответствует не атомной массе, а атомному номеру. Если элементов около 100, то изотопов более 2000. Правда, многие из них неустойчивы, то есть радиоактивны (от латинского radio - излучаю, activus - деятельный), они распадаются, испуская различные излучения.

Опыты Резерфорда не только привели к открытию атомных ядер, но и показали, что в атоме действуют те же электростатические силы, которые отталкивают друг от друга одноименно заряженные тела и притягивают друг к другу разноименно заряженные (например, шарики электроскопа).

Атом устойчив. Следовательно, электроны в атоме движутся вокруг ядра: центробежная сила компенсирует силу притяжения. Понимание этого привело к созданию планетарной модели атома, в которой ядро - Солнце, а электроны - планеты (с точки зрения классической физики, планетарная модель непоследовательна, но об этом ниже).

Есть целый ряд способов оценить размер атома. Разные оценки приводят к близким результатам: размеры атомов, конечно, различны, но приблизительно равны нескольким десятым нанометра (1 нм = 10 -9 м).

Рассмотрим для начала систему электронов атома.

В Солнечной системе планеты притягиваются к Солнцу силой гравитации. В атоме действует электростатическая сила. Ее часто называют кулоновской в честь Шарля Огюстена Кулона (1736-1806), установившего, что сила взаимодействия между двумя зарядами обратно пропорциональна квадрату расстояния между ними. Тот факт, что два заряда Q 1 и Q 2 притягиваются или отталкивают ся с силой, равной F C = Q 1 Q 2 /r 2 , где r - расстояние между зарядами, носит название "Закон Кулона". Индекс "С" присвоен силе F по первой букве фамилии Кулона (по-французски Coulomb ). Среди самых различных утверждений мало найдется таких, которые столь же справедливо названы законом, как закон Кулона: ведь область его применимости практически не ограничена. Заряженные тела, каких бы они ни были размеров, а также атомные и даже субатомные заряженные частицы - все они притягиваются или отталкиваются в согласии с законом Кулона.

ОТСТУПЛЕНИЕ О ГРАВИТАЦИИ

С гравитацией человек знакомится в раннем детстве. Падая, он учится уважать силу притяжения к Земле. Знакомство с ускоренным движением обычно начинается с изучения свободного падения тел - движения тела под действием гравитации.

Между двумя телами массы М 1 и М 2 действует сила F N =-GМ 1 М 2 /r 2 . Здесь r - расстояние между телами, G - гравитационная постоянная, равная 6,67259.10 -11 м 3 кг -1 с -2 , индекс "N" дан в честь Ньютона (1643 - 1727). Это выражение называют законом всемирного тяготения, подчеркивая его всеобщий характер. Сила F N определяет движение галактик, небесных тел и падение предметов на Землю. Закон всемирного тяготения справедлив при любом расстоянии между телами. Изменения в картину гравитации, которые внесла общая теория относительности Эйнштейна (1879-1955), мы упоминать не будем.

И кулоновская электростатическая сила, и ньютоновская сила всемирного тяготения одинаково (как 1/r 2) уменьшаются с увеличением расстояния между телами. Это позволяет сравнить действие обеих сил на любом расстоянии между телами. Если силу кулоновского отталкивания двух протонов сравнить по величине с силой их гравитационного притяжения, то окажется, что F N /F C = 10 -36 (Q 1 = Q 2 = e p ; M 1 = = M 2 = m p). Поэтому гравитация сколько-нибудь существенной роли в строении атома не играет: она слишком мала по сравнению с электростатической силой.

Обнаружить электрические заряды и измерить взаимодействие между ними не представляет труда. Если электрическая сила так велика, то почему она не важна, когда, скажем, падают, прыгают, бросают мяч? Потому что в большинстве случаев мы имеем дело с нейтральными (незаряженными) телами. В пространстве всегда очень много заряженных частиц (электронов, ионов разного знака). Под воздействием огромной (по атомным масштабам) притягивающей электрической силы, созданной заряженным телом, заряженные частицы устремляются к ее источнику, прилипают к телу и нейтрализуют его заряд.

ВОЛНА ИЛИ ЧАСТИЦА? И ВОЛНА И ЧАСТИЦА!

Об атомных и еще более мелких, субатомных, частицах очень трудно рассказывать главным образом потому, что их свойствам никаких аналогов в нашей повседневной жизни нет. Можно подумать, что частицы, из которых состоят такие маленькие атомы, удобно представлять себе в виде материальных точек. Но все оказалось гораздо сложнее.

Частица и волна... Казалось бы, даже сравнивать бессмысленно, настолько они различны.

Наверное, когда думаешь о волне, то прежде всего представляешь себе волнующуюся морскую поверхность. Волны на берег приходят из открытого моря, длины волн - расстояния между двумя последовательными гребнями - могут быть разными. Легко наблюдать волны, имеющие длину порядка нескольких метров. При волнении, очевидно, колеблется масса воды. Волна охватывает значитель ное пространство.

Волна периодичнa во времени и в пространстве. Длина волны (λ ) - мера пространственной периодичности. Периодичность волнового движения во времени видна в повторяемости прихода гребней волн к берегу, а можно ее обнаружить, например, по колебанию поплавка вверх-вниз. Обозначим период волнового движения - время, за которое проходит одна волна, - буквой Т . Величина, обратная периоду, называется частотой ν = 1/Т . Самые простые волны (гармонические) имеют определенную частоту, которая не меняется во времени. Любое сложное волновое движение может быть представлено в виде совокупности простых волн (см. "Наука и жизнь" № 11, 2001 г.). Строго говоря, простая волна занимает бесконечное пространство и существует бесконечно долго. Частица, как мы ее себе представляем, и волна абсолютно не похожи.

Со времен Ньютона шел спор о природе света. Что есть свет - совокупность частиц (корпускул, от латинского corpusculum - тельце) или волн? Теории долго конкурировали. Волновая теория победила: корпускулярная теория не могла объяснить экспериментальные факты (интерференцию и дифракцию света). С прямолинейным распространением светового луча волновая теория легко справилась. Немаловажную роль сыграло то, что длина световых волн по житейским понятиям очень мала: диапазон длин волн видимого света от 380 до 760 нанометров. Более короткие электромагнитные волны - ультрафиолетовые, рентгеновские и гамма-лучи, а более длинные - инфракрасные, миллиметровые, сантиметровые и все остальные радиоволны.

К концу XIX века победа волновой теории света над корпускулярной казалась окончательной и бесповоротной. Однако ХХ век внес серьезные коррективы. Казалось, что свет или волны, или частицы. Оказалось - и волны и частицы. Для частиц света, для его квантов, как принято говорить, было придумано специальное слово - "фотон". Слово "квант" происходит от латинского слова quantum - сколько, а "фотон" - от греческого слова photos - свет. Слова, обозначающие название частиц, в большинстве случаев имеют окончание он . Как ни удивительно, в одних экспериментах свет ведет себя как волны, а в других - как поток частиц. Постепенно удалось построить теорию, предсказывающую, как, в каком эксперименте будет вести себя свет. В настоящее время эта теория всеми принята, разное поведение света уже не вызывает удивления.

Первые шаги всегда особенно трудны. Приходилось идти против устоявшегося в науке мнения, высказывать утверждения, кажущиеся ересью. Настоящие ученые искренне верят в ту теорию, которую они используют для описания наблюдаемых явлений. Отказаться от принятой теории очень трудно. Первые шаги сделали Макс Планк (1858-1947) и Альберт Эйнштейн (1879-1955).

Согласно Планку - Эйнштейну, именно отдельными порциями, квантами, свет излучается и поглощается веществом. Энергия, которую несет фотон, пропорциональна его частоте: Е = h ν. Коэффициент пропорциональности h назвали постоянной Планка в честь немецкого физика, который ввел ее в теорию излучения в 1900 году. И уже в первой трети XX века стало понятно, что постоянная Планка - одна из важнейших мировых констант. Естествен но, она была тщательно измерена: h = 6,6260755.10 -34 Дж.с.

Квант света - это много или мало? Частота видимого света порядка 10 14 с -1 . Напомним: частота и длина волны света связаны соотношением ν = c /λ, где с = 299792458.10 10 м/с (точно) - скорость света в вакууме. Энергия кванта h ν, как нетрудно видеть, порядка 10 -18 Дж. За счет этой энергии можно поднять на высоту 1 сантиметр массу в 10 -13 грамма. По человеческим масштабам чудовищно мало. Но это масса 10 14 электронов. В микромире совсем другие масштабы! Конечно, человек не может ощутить массу в 10 -13 грамма, но глаз человека столь чувствителен, что может увидеть отдельные кванты света - в этом убедились, произведя ряд тонких экспериментов. В обычных условиях человек не различает "зернистости" света, воспринимая его как непрерывный поток.

Зная, что свет имеет одновременно и корпускулярную и волновую природу, легче представить себе, что и "настоящие" частицы обладают волновыми свойствами. Впервые такую еретическую мысль высказал Луи де Бройль (1892-1987). Он не пытался выяснить, какова природа волны, характеристики которой предсказал. Согласно его теории, частице массой m , летящей со скоростью v , соответствует волна с длиной волны l = hmv и частотой ν = Е /h , где Е = mv 2 /2 - энергия частицы.

Дальнейшее развитие атомной физики привело к пониманию природы волн, описывающих движение атомных и субатомных частиц. Возникла наука, получившая название "квантовая механика" (в первые годы ее чаще называли волновой механикой).

Квантовая механика применима к движению микроскопических частиц. При рассмотрении движения обычных тел (например, любых деталей механизмов) нет никакoго смысла учитывать квантовые поправки (поправки, обязанные волновым свойствам материи).

Одно из проявлений волнового движения частиц - отсутствие у них траектории. Для существования траектории необходимо, чтобы в каждый момент времени частица имела определенную координату и определенную скорость. Но именно это и запрещено квантовой механикой: чстица не может иметь одновременно и определенное значение координаты х , и определенное значение скорости v . Их неопределенности Dх и Dv связаны соотношением неопределенностей, открытым Вернером Гейзенбергом (1901-1974): Dх Dv ~ h/m , где m - масса частицы, а h - постоянная Планка. Постоянную Планка часто называют универсальным квантом "действия". Не уточняя термин действие , обратим внимание на эпитет универсальный . Он подчеркивает, что соотношение неопределенности справедливо всегда. Зная условия движения и массу частицы, можно оценить, когда нужно учитывать квантовые законы движения (другими словами, когда нельзя пренебречь волновыми свойствами частиц и их следствием - соотношениями неопределенности), а когда вполне можно пользоваться классическими законами движения. Подчеркнем: если можно, то и нужно, так как классическая механика существенно проще квантовой.

Обратим внимание на то, что постоянная Планка делится на массу (они входят в комбинации h/m ). Чем масса больше, тем роль квантовых законов меньше.

Чтобы почувствовать, когда пренебречь квантовыми свойствами заведомо можно, постараемся оценить величины неопределенностей Dх и Dv . Если Dх и Dv пренебрежимо малы по сравнению с их средними (классическими) значениями, формулы классической механики прекрасно описывают движение, если не малы, необходимо использовать квантовую механику. Нет смысла учитывать квантовую неопределенность и тогда, когда другие причины (в рамках классической механики) приводят к большей неопределенности, чем соотношение Гейзенберга.

Рассмотрим один пример. Помня, что мы хотим показать возможность пользоваться классической механикой, рассмотрим "частицу", масса которой 1 грамм, а размер 0,1 миллиметра. По человеческим масштабам это - крупинка, легкая, маленькая частица. Но она в 10 24 раз тяжелее протона и в миллион раз больше атома!

Пусть "наша" крупинка движется в сосуде, наполненном водородом. Если крупинка летит достаточно быстро, нам кажется, что она движется по прямой с определенной скоростью. Это впечатление ошибочно: из-за ударов молекул водорода по крупинке ее скорость при каждом ударе чуть изменяется. Оценим, на сколько именно.

Пусть температура водорода 300 К (температуру мы всегда измеряем по абсолютной шкале, по шкале Кельвина; 300 К = 27 o С). Умножив температуру в кельвинах на постоянную Больцмана k B , = 1,381.10 -16 Дж/К, мы выразим ее в энергетических единицах. Изменение скорости крупинки можно подсчитать, воспользовавшись законом сохранения количества движения. При каждом столкновении крупинки с молекулой водорода ее скорость изменяется приблизительно на 10 -18 см/с. Изменение происходит совершенно случайно и в случайном направлении. Поэтому величину 10 -18 см/с естественно считать мерой классической неопределенности скорости крупинки (Dv ) кл для данного случая. Итак, (Dv ) кл = 10 -18 см/с. Местоположение крупинки определить с точностью большей, чем 0,1 ее размера, по-видимому, очень трудно. Примем (Dх ) кл = 10 -3 см. Наконец, (Dх ) кл (Dv ) кл = 10 -3 .10 -18 = 10 -21 . Казалось бы, очень маленькая величина. Во всяком случае, неопределенности скорости и координаты так малы, что можно рассматривать среднее движение крупинки. Но по сравнению с квантовой неопределенностью, продиктованной соотношением Гейзенберга (Dх Dv = 10 -27), классическая неоднородность огромна - в этом случае превышает ее в миллион раз.

Вывод: рассматривая движение крупинки, учитывать ее волновые свойства, то есть существование квантовой неопределенности координаты и скорости, не нужно. Вот когда речь идет о движении атомных и субатомных частиц, ситуация резко меняется.

Нас очаровывают поэтические названии элементарных частиц, но в то же время их разнообразие вызывает у нас тихую грусть: как жаль, что мир не так прост и понятен, как представлял его себе Демокрит Абдерский. Главным достижением этого древнегреческого философа (около 460 г. до н. э. — ок. 370 г. до н. э.) было развитие учения Левкиппа об «атоме» — неделимой частице вещества, обладающей истинным бытием, не разрушающейся и не возникающей (атомистический материализм). Демокрит описал мир как систему атомов в пустоте, отвергая бесконечную делимость материи. Атомы, согласно этой теории, движутся в пустом пространстве (Великой Пустоте, как говорил Демокрит) хаотично, сталкиваются и, вследствие соответствия форм, размеров, положений и порядков, либо сцепляются, либо разлетаются. Образовавшиеся соединения держатся вместе и, таким образом, возникают сложные тела. Само же движение — свойство, естественно присущее атомам. Тела — это комбинации атомов. Разнообразие тел обусловлено как различием слагающих их атомов, так и различием порядка сборки, как из одних и тех же букв слагаются разные слова.

Свою частицу Демокрит называл «атомом», т. е. «неделимым». Придумывать названия элементарным частицам умеют и современные ученые.

Бозон

Класс частиц, часто ассоциирующихся с силами, т. е. они выступают носителями силы. Подчиняются статистике Бозе-Эйнштейна и названы в честь индийского физика Шатьендраната Бозе (1894-1974 г.г.). Суффикс «-он» — греческий; еще сто лет назад его начали постоянно использовать для образования названий вновь обнаруженных частиц.

Фермион

Это тоже целый класс частиц, но они, в отличие от бозонов, подчиняются другой статистике, а именно статистике Ферми-Дирака, и обычно связаны не с силой, а с материей. Названы в честь американского физика итальянского происхождения Энрико Ферми (1901-1954 г.г.), которого наряду с Робертом Оппенгеймером считают одним из отцов атомной бомбы.

Глюон

Вид бозона, ответственный за сильное взаимодействие между кварками. При «обзывании» этих частиц в 1962 году Маррей Гелл-Манн обошелся без греческого языка, а воспользовался обычным английским словом «glue» («клей»), поскольку они как бы склеивают пары кварков в мезоны, а тройки кварков — в протоны и нейтроны атомного ядра. Гелл-Манн также создал термин «глюбол» («шарик глюонов»), коим обозначил гипотетические частицы, составленные из нескольких глюонов.

Нейтрино

Это не имеющие заряда частицы, которые образуются при определенных видах радиоактивного разложения. У них мизерная масса даже по меркам субатомных частиц. Само слово «нейтрино» означает по-итальянски «нейтральная частичка». Впервые о ее возможном существовании заявил в 1930 году Вольфганг Паули и назвал ее «нейтроном». Однако через три года Энрико Ферми переименовал частицу на итальянский манер, в «нейтрино», потому что к тому времени термином «нейтрон» (от латинского «нейтральный», т. е. без заряда) уже начали называть незаряженную крупную частицу, присутствующую в любом атомном ядре.

Электрон

Частица, имеющая неделимое количество отрицательного электрического заряда. Это название предложил в 1894 году ирландский физик Джордж Джонстон Стоуни (1826-1911 г.г.); ученый использовал древнегреческое слово, означающее «янтарь», поскольку естествоиспытатели еще в античной Греции заметили, что если потереть кусок янтаря шерстью, то он начинает притягивать мелкие предметы (поскольку, как мы говорим сегодня, «становится наэлектризованным»).

Мезон

Это частица, составленная из одного кварка и одного антикварка. Ее название происходит от греческого слова «meso», означающего «средний», поскольку мезоны, когда физики впервые их наблюдали и измерили их характеристики, имели массу, среднюю между массами электрона и нуклона (обобщенный термин для частиц, образующих атомное ядро, т. е. для протонов и нейтронов).

Мюон

Когда физикам, все же не имеющим такой же фантазии, как у лириков, не хватало поэтических образов, они называли вновь открытые частицы по буквам алфавита, правда, греческого. В данном случае за основу взята буква «мю» и добавлен уже традиционный в физике элементарных частиц греческий суффикс «-он». Сначала ученые думали, что эта частица является разновидностью мезона (мю-мезон, в отличие от, скажем, пи-мезона), но потом поняли свою ошибку и соответственно переименовали мю-мезон в мюон. Мезоны, как стало ясно со временем, не являются элементарными частицами, поскольку образованы из кварков, тогда как мюон — полноценная элементарная частица. Мюон был одной из частиц, с помощью которых ученые ЦЕРНа обнаружили бозон Хиггса. Исследователи использовали детектор, известный как «компактный мюонный соленоид», чтобы измерять энергию и импульс мюонов, фотонов, электронов и других частиц, возникающих при столкновении адронов на Большом адронном коллайдере.

(продолжение - в следующем номере)

Александр Заякин