…бог вначале дал материи форму твёрдых, массивных,

непроницаемых, подвижных частиц таких размеров и фигур

и с такими свойствами и пропорциями в отношении к

пространству, которые более всего подходили бы к той цели,

для которой он создал их.

И. Ньютон

В истории философии и науки можно условно выделить 3 подхода к пониманию устройства природы на микроуровне:

существуют неделимые корпускулы или атомы, мир сводится к фундаментальным “кирпичикам” (Демокрит, Ньютон);

вещество непрерывно и бесконечно дробится на всё меньшие и меньшие кусочки, так и не дойдя до неделимого атома (Аристотель);

в ХХ в. возникла концепция, объясняющая мир на основе взаимосвязи всего сущего: частица это не “кирпичик” материи, а процесс, звено или паттерн в целостном Универсуме (В. Гейзенберг, Дж. Чу, Ф. Капра).

Первую “элементарную” частицу открыл в 1897 г. Дж.Дж. Томсон, при исследовании катодных лучей он доказал существование электронов . Из вещества при воздействиях легко освобождается отрицательное электричество, фиксируемое как вспышки света на экране. Частицы отрицательного электричества и были названы электронами. Минимальное количество электричества, равное заряду одного электрона наблюдали при электрическом разряде в разряженном газе. До 70-х гг. ХХ в. проблема внутреннего строения электрона не была решена, всё ещё нет намёка на его внутреннюю структуру (Андерсон 1968; Вайскопф 1977).

Годом раньше А. Беккерель открыл радиоактивный распад урановой соли – испускание альфа-частиц (ядер Не), эти частицы использовал Резерфорд, экспериментально доказавший существование ядра атома. В 1919 г. Э. Резерфорд осуществил и первую искусственную ядерную реакцию: облучая N альфа-частицами, он получил изотоп О, и доказал: в состав ядра атома N входит протон 27 (считали предельной частицей).

В 1932 г. Дж. Чэдвик открыл ещё одну ядерную частицу – незаряженный нейтрон 28 . Открытию нейтрона, положившему начало новой науке – нейтронной физике , основным свойствам нейтрона, применению нейтронов посвящена книга С.Ф. Шебалина Нейтроны . Следы нейтронов наблюдали в камере Вильсона. Масса протона равна 1836,1 масс электрона, масса нейтрона – 1838,6. В. Гейзенберг, и независимо от него Д.Д. Иваненко, И.Е. Тамм, высказывают гипотезу о строении атомного ядра из протонов и нейтронов: ядро С, например, состоит из 6 протонов и 6 нейтронов. В нач. 30-х гг. считали: материя состоит из атомов, а атомы из 3 “элементарных” частиц, “строительных кирпичиков”: протонов, нейтронов и электронов (Шебалин 1969; Фолта, Новы 1987; Капра 1994: 66-67).

В том же году Э.О. Лоуренс в Калифорнии построил первый циклотрон (ускоритель “элементарных” частиц). Ускорители частиц – это установки, на которых осуществляется столкновение частиц высокой энергии. При столкновении субатомных частиц, движущихся с большими скоростями, достигается высокий уровень энергии и происходит рождение мира взаимодействий, полей и частиц, поскольку уровень элементарности зависит от уровня энергии. Если до таких скоростей разогнать монетку, то её энергия будет равна производству энергии на тысячу млн. долларов. Рядом с Женевой построен кольцевой ускоритель с длиной окружности туннеля до 27км. Сегодня для проверки некоторых теорий, например, теории великого объединения всех частиц, нужен ускоритель размером с Солнечную систему (Фолта, Новы 1987: 270-271; Девис 1989: 90-91).

Частицы открывают и в природных ускорителях, космические лучи сталкиваются с атомами экспериментального устройства, а результаты воздействия исследуются (так были открыты предсказанные позитрон, мюон и мезон). С помощью ускорителей и исследований космического излучения открылся многочисленный и разнообразный мир субатомных частиц. В 1932 г. – открыты 3 частицы, в 1947 – 14, в 1955 – 30, 1969 – более 200. Одновременно с экспериментами проводились и теоретические исследования. Частицы часто двигаются со скоростью света,  , необходимо учитывать теорию относительности. Создание общей теории частиц остаётся пока нерешённой задачей физики (Капра 1994: 67).

В 1967 г. появилась гипотеза о существовании тахионов – частиц, скорость движения которых выше скорости света. Были открыты новые “кирпичики” вещества, множество нестабильных, короткоживущих (“резонансы” живут 10 -27 с.) частиц, распадающихся на обычные частицы. Позже стало ясно, что новые частицы: резонансы и гипероны, мезоны – возбуждённые состояния других частиц: протона и лептонов. Как и возбуждённый атом Н в различных состояниях, что проявляется как 3 спектральные линии, не является другим атомом (Борн 1967: 127-129).

Оказалось, что частицы не распадаются, а превращаются друг в друга или в энергию квантов поля, переходят в “своё иное”, любая частица может быть составной частью любой другой. Частицы могут “исчезать” в излучение и проявлять волновые свойства. После осуществления первого искусственного превращения, когда ядра Li превратили в ядра Не, возникает атомная, ядерная физика (Борн 1967; Вайскопф 1977: 50).

В 1963 г. М. Гелл-Манн, Дж. Цвейг предложили гипотезу кварков . Все адроны построены из более мелких частиц – кварков 3 типов и их антикварков. Из 3 кварков состоят протон и нейтрон (их ещё называют барионами – тяжёлыми или нуклонами – ядерными частицами). Протон стабилен, заряжен положительно, нейтрон нестабилен, превращается в протон. Пары кварк-антикварк (у каждой частицы есть античастица) образуют мезоны (промежуточные по массе между электроном и протоном). Для того чтобы объяснить всё многообразие адронных паттернов физикам пришлось постулировать существование дополнительных кварков. Кварков стало 12: 4 разновидности или аромата (верхний, нижний, странный и очаровательный), каждая из которых может существовать в 3 цветах. Большинство физиков считает кварки подлинно элементарными, не обладающими структурой. Хотя для всех адронов характерны кварковые симметрии, адроны часто ведут себя так, как будто они действительно состоят из точечных компонентов, но до сих пор существует загадка кварков (Девис 1989: 100; Хокинг 1990: 69; Капра 1994: 228, 229).

В соответствии же с бутстрэпной гипотезой природа не может быть сведена к “кирпичикам” материи типа кварков, но должна пониматься на основе связности. С бутстрэпной картиной частиц как динамических паттернов во взаимосвязанной сети событий был согласен Гейзенберг, не веривший в модель кварков (Капра 1996: 43-49).

Все известные частицы Вселенной можно разделить на две группы: частицы “твёрдого” вещества и виртуальные частицы, переносчики взаимодействий , не имеющие массы “покоя”. Частицы вещества также делятся на две группы: адроны 29 , нуклоны 30 , барионы или тяжёлые частицы и лептоны 31 .

К лептонам относятся электрон, мюон , тау-лептон и 3 типа нейтрино . Сегодня принято считать электрон элементарным, точечным объектом. Электрон отрицательно заряжен, в 1836 раз легче протона (Вайскопф 1997: 79; Девис 1989: 93-102; Хокинг 1990: 63; Фейнман, Вайнберг 2000).

В 1931 г. В. Паули предсказал существование нейтральной частицы нейтрино , в 1955 г. в ядерном реакторе нейтрино родилась из протона с образованием электрона и нейтрона.

Это самая удивительная частица: с БВ нейтрино почти не вступает во взаимодействие с веществом, являясь наилегчайшей из лептонов. Её масса меньше одной десятитысячной массы электрона, но она, возможно, является самой распространённой частицей во Вселенной и может вызвать её коллапс. Нейтрино почти не взаимодействует с веществом, проникая через него, как будто его вообще нет (пример существования неодномерных форм). Гамма-квант проходит в свинце 3 м. и взаимодействует с ядром атома свинца, а нейтрино для взаимодействия должна пройти 4·10 13 км. Нейтрино участвует только в слабых взаимодействиях. До сих пор точно не установлено, действительно ли у нейтрино есть масса “покоя”. Есть 3 типа нейтрино: электронное, мюонное и тау.

В 1936 г. в продуктах взаимодействия космических лучей обнаружили мюон , нестабильную частицу, распадающуюся на электрон и 2 нейтрино. В конце 70-х открыли самую “тяжёлую” частицу-лептон, тау-лептон (Девис 1989: 93-95).

В 1928 г. П. Дирак предсказал, а в 1932 г. открыли положительно заряженный электрон (позитрон – античастица электрона.): из одного γ-кванта рождаются электрон и позитрон – положительно заряженный электрон. При соударении электрона с позитроном рождаются два гамма-кванта, так как для сохранения нуля при аннигиляции 32 необходимы два фотона, разлетающиеся в разные стороны.

Позже оказалось: все частицы имеют античастицы , взаимодействуя, частицы и античастицы аннигилируют с образованием квантов энергии. Античастица есть у каждой частицы материи. При соударении частицы и античастицы происходит их аннигиляция, в результате которой выделяется энергия и рождаются другие частицы. В ранней Вселенной частиц было больше, чем античастиц, иначе бы аннигиляция наполнила Вселенную излучением, и вещества не было (Силк 1982: 123-125; Хокинг 1990: 64, 71-72).

Состояние электронов в атоме определяется при помощи ряда чисел, которые называются квантовыми числами , и обозначают местонахождение и форму орбит:

число (n) – это номер орбиты, определяющий количество энергии, которым должен обладать электрон для того, чтобы находиться на орбите, радиус;

число (ℓ) определяет точную форму электронной волны на орбите;

число (m) называется магнитным и определяет заряд поля, которое окружает электрон;

число (s) , так называемый спин (вращение) определяет скорость и направление вращения электрона, которое определяется формой электронной волны в терминах вероятности существования частицы в определённых точках орбиты.

Поскольку эти характеристики выражаются целыми числами, это означает, что количество вращения электрона увеличивается не постепенно, а скачкообразно – от одной фиксируемой величины к другой. Характеризуются частицы наличием или отсутствием массы, электрического заряда, спином (вращательная характеристика, частицы вещества имеют спин +1/2, –1/2, частицы-переносчики взаимодействий 0, 1 и 2) и Вр жизни (Эрдеи-Груз 1976; Девис 1989: 38-41, 92; Хокинг 1990: 62-63; Капра 1994: 63).

В 1925 г. В. Паули задался вопросом: почему электроны в атоме занимают строго определённое положение (2 на первой орбите, 8 на второй, 32 на четвёртой)? Анализируя спектры, он выявил простой принцип: две одинаковые частицы не могут находиться в одном и том же состоянии , т. е. не могут иметь одинаковые координаты, скорости, квантовые числа. Все частицы вещества подчиняются принципу запрета В. Паули .

Этот принцип подчёркивает чёткую организацию структур, вне которой частицы превратились бы в однородное и плотное желе. Принцип запрета позволил объяснить химические свойства элементов, определяемые электронами внешних незаполненных оболочек, что дало обоснование периодической таблице элементов. Принцип Паули привёл к новым открытиям, пониманию тепло- и электропроводности металлов и полупроводников. С помощью принципа запрета строились электронные оболочки атомов, стала понятна система элементов Менделеева (Дубнищева 1997: 450-452).

Но есть частицы, не подчиняющиеся принципу запрета В. Паули (отсутствует ограничение для числа обмениваемых частиц, сила взаимодействия может оказаться любой), частицы-переносчики или виртуальные частицы, не имеющие массы “покоя” и создающие силы между частицами вещества (Хокинг 1990: 64-65).

6. Мир субатомных частиц

Расщепление атома

Часто говорят, что существуют два вида наук - большие науки и малые. Расщепление атома - большая наука. Она располагает гигантскими экспериментальными установками, колоссальными бюджетами и получает львиную долю Нобелевских премий.

Зачем физикам понадобилось расщеплять атом? Простой ответ - чтобы понять, как устроен атом, - содержит лишь долю истины, но есть и более общая причина. Говорить буквально о расщеплении атома не вполне правильно. В действительности речь идет о столкновении частиц высокой энергии. При столкновении субатомных частиц, движущихся с большими скоростями, происходит рождение нового мира взаимодействий и полей. Несущие огромную анергию осколки материи, разлетающиеся после столкновений, таят в себе секреты природы, которые от "сотворения мира" оставались погребенными в недрах атома.

Установки, на которых осуществляется столкновение частиц высоких энергий, - ускорители частиц - поражают своими размерами и стоимостью. Они достигают нескольких километров в поперечнике, и по сравнению с ними даже лаборатории, в которых изучаются столкновения частиц, кажутся крошечными. В других областях научных исследований оборудование размещается в лаборатории, в физике высоких энергий лаборатории пристраиваются к ускорителю. Недавно Европейский центр ядерных исследований (ЦЕРН), расположенный недалеко от Женевы, выделил несколько сотен миллионов долларов на строительство кольцевого ускорителя. Длина окружности сооружаемого для этой цели туннеля достигает 27 км. Ускоритель, получивший название ЛЭП (LEP, Large Electron-Positron ring - большое электрон- позитронное кольцо), предназначен для ускорения электронов и их античастиц (позитронов) до скоростей, всего лишь "на волосок" отличающихся от скорости света. Чтобы иметь представление о масштабах энергии, вообразим, что вместо электронов до таких скоростей разгоняется монетка достоинством в один пенни. В конце цикла ускорения она обладала бы энергией, достаточной для производства электроэнергии на сумму 1000 млн. долл.! Неудивительно, что подобные эксперименты принято относить к физике "высоких энергий". Двигаясь внутри кольца навстречу друг другу, пучки электронов и позитронов испытывают лобовые столкновения, при которых электроны и позитроны аннигилируют, высвобождая энергию, достаточную для рождения десятков других частиц.

Что это за частицы? Некоторые из них - те самые "кирпичики", из которых построены мы с вами: протоны и нейтроны, составляющие атомные ядра, и обращающиеся вокруг ядер электроны. Другие частицы обычно в окружающем нас веществе не встречаются: их век чрезвычайно короток, и по истечении его они распадаются на обычные частицы. Число разновидностей таких нестабильных короткоживущих частиц поразительно: их известно уже несколько сотен. Подобно звездам, нестабильные частицы слишком многочисленны, чтобы их различать "по именам". Многие из них обозначены только греческими буквами, а некоторые - просто числами.

Важно иметь в виду, что все эти многочисленные и разнообразные нестабильные частицы отнюдь не являются в прямом смысле составными частями протонов, нейтронов или электронов. Сталкиваясь, электроны и позитроны высоких энергий вовсе не разлетаются на множество субатомных осколков. Даже при столкновениях протонов высоких энергий, заведомо состоящих из других объектов (кварков), они, как правило, не расщепляются на составные части в обычном смысле. То, что происходит при таких столкновениях, лучше рассматривать как непосредственное рождение новых частиц из энергии столкновения.

Лет двадцать назад физики были совершенно сбиты с толку многочисленностью и разнообразием новых субатомных частиц, которым, казалось, не будет конца. Невозможно было понять, для чего столько частиц. Может быть, элементарные частицы подобны обитателям зоопарка с их неявно выраженной принадлежностью к семействам, но без какой-либо четкой систематики. Или, возможно, как полагали некоторые оптимисты, элементарные частицы таят в себе ключ к Вселенной? Что такое наблюдаемые физиками частицы: малозначительные и случайные осколки материи или возникающие на наших глазах очертания смутно ощущаемого порядка, указывающего на существование богатой и сложной структуры субъядерного мира? Ныне в существовании такой структуры нет никаких сомнений. Микромиру присущ глубокий и рациональный порядок, и мы начинаем понимать, каково значение всех этих частиц.

Первый шаг к пониманию микромира был сделан в результате систематизации всех известных частиц, подобно тому как в XVIII в. биологи составляли подробнейшие каталоги видов растений и животных. К числу наиболее важных характеристик субатомных частиц относятся масса, электрический заряд и спин.

Поскольку масса и вес связаны между собой, частицы с большой массой часто называют "тяжелыми". Соотношение Эйнштейна Е =mc^ 2 указывает, что масса частицы зависит от ее энергии и, следовательно, от скорости. Движущаяся частица тяжелее покоящейся. Когда говорят о массе частицы, имеют в виду ее массу покоя, поскольку эта масса не зависит от состояния движения. Частица, имеющая нулевую массу покоя, движется со скоростью света. Наиболее очевидный пример частицы с нулевой массой покоя - фотон. Считается, что электрон - самая легкая из частиц с ненулевой массой покоя. Протон и нейтрон почти в 2000 раз тяжелее, тогда как масса самой тяжелой частицы, которую удалось создать в лаборатории (Z-частицы), примерно в 200 000 раз больше массы электрона.

Электрический заряд частиц меняется в довольно узком диапазоне, но, как мы отмечали, всегда кратен фундаментальной единице заряда. Некоторые частицы, например фотон и нейтрино, не имеют электрического заряда. Если заряд положительно заряженного протона принять за +1, то заряд электрона равен -1.

В гл. 2 мы ввели еще одну характеристику частиц - спин. Он также всегда принимает значения, кратные некоторой фундаментальной единице, которая по историческим причинам выбрана равной 1 /2. Так, протон, нейтрон и электрон имеют спин 1/2, а спин фотона равен 1. Известны также частицы со спином 0, 3/2 и 2. Фундаментальных частиц со спином больше 2 не обнаружено, и теоретики полагают, что частиц с такими спинами не существует.

Спин частицы - важная характеристика, и в зависимости от его величины все частицы разделяются на два класса. Частицы со спинами 0, 1 и 2 называются "бозонами" - в честь индийского физика Чатьендраната Бозе, а частицы с полуцелым спином (т.е. со спином 1/2 или 3/2 - "фермионами" в честь Энрико Ферми. Принадлежность к одному из этих двух классов является, вероятно, наиболее важной в перечне характеристик частицы.

Другая важная характеристика частицы - ее время жизни. До недавнего времени считалось, что электроны, протоны, фотоны и нейтрино абсолютно стабильны, т.е. имеют бесконечно большое время жизни. Нейтрон остается стабильным, пока он "заперт" в ядре, но свободный нейтрон распадается примерно за 15 мин. Все остальные известные частицы в высшей степени нестабильны, их времена жизни колеблются в пределах от нескольких микросекунд до 10-23 с. Такие интервалы времени кажутся непостижимо малыми, однако не следует забывать, что частица, летящая со скоростью, близкой к скорости света (а большинство частиц, рождающихся на ускорителях, движутся именно с такими скоростями), успевает пролететь за микросекунду расстояние в 300 м.

Нестабильные частицы претерпевают распад, представляющий собой квантовый процесс, и поэтому в распаде всегда есть элемент непредсказуемости. Продолжительность жизни конкретной частицы невозможно предсказать заранее. На основе статистических соображений можно предсказать лишь среднее время жизни. Обычно говорят о периоде полураспада частицы - времени, за которое популяция тождественных частиц сокращается наполовину. Эксперимент показывает, что уменьшение численности популяции происходит по экспоненте (см. рис. 6) и период полураспада составляет 0,693 от среднего времени жизни.

Физикам недостаточно знать, что та или иная частица существует - они стремятся понять, какова ее роль. Ответ на этот вопрос зависит от перечисленных выше свойств частиц, а также от характера сил, действующих на частицу извне и внутри ее. В первую очередь свойства частицы определяются ее способностью (или неспособностью) участвовать в сильном взаимодействии. Частицы, участвующие в сильном взаимодействии, образуют особый класс и называются андронами. Частицы, участвующие в слабом взаимодействии и не участвующие в сильном, называются лептонами, что означает "легкие". Познакомимся кратко с каждым из этих семейств.

Лептоны

Наиболее известен из лептонов электрон. Подобно всем лептонам, он, по-видимому, является элементарным, точечным объектом. Насколько известно, электрон не имеет внутренней структуры, т.е. не состоит из каких-то других частиц. Хотя лептоны могут иметь электрический заряд, а могут и не иметь, спин у всех у них равен 1/2, следовательно, они относятся к фермионам.

Другой хорошо известный лептон, но уже без заряда, - это нейтрино. Как уже говорилось в гл. 2, нейтрино неуловимы, словно призраки. Так как нейтрино не участвуют ни в сильном, ни в электромагнитном взаимодействиях, они почти полностью игнорируют вещество, проникая через него, как будто его вообще нет. Высокая проникающая способность нейтрино долгое время весьма затрудняла экспериментальное подтверждение их существования. Лишь почти через три десятилетия после предсказания нейтрино они были, наконец, обнаружены в лаборатории. Физикам пришлось ждать создания ядерных реакторов, при работе которых испускается огромное количество нейтрино, и только тогда удалось зарегистрировать лобовое столкновение одной частицы с ядром и тем самым доказать, что она действительно существует. Сегодня удаётся осуществить значительно больше экспериментов с пучками нейтрино, которые возникают при распаде частиц на ускорителе и обладают нужными характеристиками. Подавляющее большинство нейтрино "игнорирует" мишень, но время от времени нейтрино все же взаимодействуют с мишенью, что позволяет получить полезную информацию о структуре других частиц и природе слабого взаимодействия. Разумеется, проведение экспериментов с нейтрино в отличие от экспериментов с другими субатомными частицами не требует использования специальной защиты. Проникающая способность нейтрино столь велика, что они полностью безвредны и проходят сквозь человеческое тело, не причиняя ему ни малейшего вреда.

Несмотря на их неосязаемость, нейтрино занимают особое положение среди других известных частиц, поскольку являются наиболее распространенными частицами по Вселенной, превосходя по численности электроны и протоны в миллиард раз. Вселенная по существу представляет собой море нейтрино, в котором изредка встречаются вкрапления в виде атомов. Вполне возможно даже, что общая масса нейтрино превышает суммарную массу звезд, и поэтому именно нейтрино вносят основной вклад в космическую гравитацию. Согласно данным группы советских исследователей, нейтрино обладает крохотной, но не нулевой массой покоя (менее одной десятитысячной массы электрона); если это действительно так, то гравитационное нейтрино преобладают во Вселенной, что в будущем может вызвать ее коллапс. Так, нейтрино, на первый взгляд наиболее "безобидные" и бестелесные частицы, способны вызвать крушение всей Вселенной.

Среди прочих лептонов следует назвать мюон, открытый в 1936 г. в продуктах взаимодействия космических лучей; он оказался одной из первых известных нестабильных субатомных частиц. Во всех отношениях, кроме стабильности, мюон напоминает электрон: имеет тот же заряд и спин, участвует в тех же взаимодействиях, но имеет большую массу. Примерно за две миллионные доли секунды мюон распадается на электрон и два нейтрино. Мюоны широко распространены в природе, на их долю приходится значительная часть фонового космического излучения, которое регистрируется на поверхности Земли счетчиком Гейгера.

Долгие годы электрон и мюон оставались единственными известными заряженными лептонами. Затем в конце 70-х годов был обнаружен третий заряженный лептон, получивший название "тау-лептон". При массе около 3500 масс электрона тау-лептон заведомо является "тяжеловесом" в трио заряженных лептонов, но во всем остальном он ведет себя подобно электрону и мюону.

Этим список известных лептонов отнюдь не исчерпывается. В 60-х годах было установлено, что существует несколько типов нейтрино. Нейтрино одного типа рождается вместе с электроном при распаде нейтрона, а нейтрино другого типа - при рождении мюона. Нейтрино каждого типа существует в паре со своим собственным заряженным лептоном; следовательно, есть "электронное нейтрино" и "мюонное нейтрино". По всей вероятности, должно существовать и нейтрино третьего типа - сопровождающее рождение тау-лептона. В таком случае общее число разновидностей нейтрино равно трем, а общее число лептонов - шести (табл. 1). Разумеется, у каждого лептона есть своя античастица; таким образом, общее число различных лептонов равно двенадцати.

Таблица 1

Шесть лептонов соответствуют заряженным и нейтральным модификациям (античастицы в таблицу не включены). Масса и заряд выражены в единицах соответственно массы и заряда электрона. Имеются данные, свидетельствующие о том, что нейтрино могут обладать небольшой массой

Адроны

В отличие от горстки известных лептонов адронов существует буквально сотни. Одно лишь это наводит на мысль, что адроны - не элементарные частицы, а построены из более мелких составляющих. Все адроны участвуют в сильном, слабом и гравитационном взаимодействиях, но встречаются в двух разновидностях - электрически заряженные и нейтральные. Среди адронов наиболее известны и широко распространены нейтрон и протон. Остальные адроны короткоживущие и распадаются либо менее чем за одну миллионную секунды за счет слабого взаимодействия, либо гораздо быстрее (за время порядка 10-23 с) - за счет сильного взаимодействия.

В 50-х годах физиков крайне озадачили численность и разнообразие адронов. Но мало-помалу частицы удалось классифицировать по трем важным характеристикам: массе, заряду и спину. Постепенно стали появляться признаки порядка и выстраиваться четкая картина. Появились намеки на то, что за кажущимся хаосом данных скрываются симметрии. Решающий шаг в раскрытии тайны адронов был сделан в 1963 г., когда Марри Гелл- Манн и Джордж Цвейг из Калифорнийского технологического института предложили теорию кварков.

Рис.10 Адроны построены из кварков. Протон (вверху) состоит из двух u-кварков и одного d-кварка. Более легкий пион (внизу) - это мезон, состоящий из одного u-кварка и одного d-антикварка. Другие адроны представляют собой всевозможные комбинации кварков.

Основная идея этой теории очень проста. Все адроны построены из более мелких частиц, называемых кварками. Кварки могут соединяться друг с другом одним из двух возможных способов: либо тройками, либо парами кварк-антикварк. Из трех кварков состоят сравнительно тяжелые частицы - барионы, что означает "тяжелые частицы". Наиболее известны из барионов нейтрон и протон. Более легкие пары кварк-антикварк образуют частицы, получившие название мезоны - "промежуточные частицы". Выбор такого наименования объясняется тем, что первые обнаруженные мезоны занимали по массе промежуточное положение между электронами и протонами. Чтобы учесть все известные тогда адроны, Гелл-Манн и Цвейг ввели три различных типа ("аромата") кварков, получивших довольно причудливые названия: и (от up - верхний), d (от down - нижний) и s (от strange - странный). Допуская возможность различных комбинаций ароматов, можно объяснить существование большого числа адронов. Например, протон состоит из двух и- и одного d-кварков (рис, 10), а нейтрон - из двух d-кварков и одного u-кварка.

Чтобы предложенная Гелл-Манном и Цвейгом теория оказалась действенной, необходимо предположить, что кварки несут дробный электрический заряд. Иначе говоря, они обладают зарядом, величина которого составляет либо 1/3, либо 2/3 фундаментальной единицы - заряда электрона. Комбинация из двух и трех кварков может иметь суммарный заряд, равный нулю или единице. Все кварки имеют спин 1/2. поэтому они относятся к фермионам. Массы кварков не установлены столь точно, как массы других частиц, поскольку энергия связи их в адроне сравнима с массами самих кварков. Однако известно, что s-кварк тяжелее и- и d-кварков.

Внутри адронов кварки могут находиться в возбужденных состояниях, во многом сходных с возбужденными состояниями атома, но со значительно большими энергиями. Избыток энергии, заключенный в возбужденном адроне, настолько увеличивает его массу, что до создания теории кварков физики ошибочно принимали возбужденные адроны за совершенно иные частицы. Ныне установлено, что многие из казавшихся различными адронов в действительности представляют собой лишь возбужденные состояния одного и того же фундаментального набора кварков.

Как уже говорилось в гл. 5, кварки скрепляются между собой сильным взаимодействием. Но они участвуют и в слабом взаимодействии. Слабое взаимодействие может изменять аромат кварка. Именно так происходит распад нейтрона. Один из d-кварков в нейтроне превращается в u-кварк, а избыток заряда уносит рождающийся одновременно электрон. Аналогичным образом, изменяя аромат, слабое взаимодействие приводит к распаду и других адронов.

Существование s-кварков необходимо для построения так называемых "странных" частиц - тяжелых адронов, открытых в начале 50-х годов. Необычное поведение этих частиц, подсказавшее их название, состояло в том, что они не могли распадаться за счет сильного взаимодействия, хотя как сами, так и продукты их распада представляли собой адроны. Физики ломали голову над тем, почему, если и материнские, и дочерние частицы принадлежат к семейству адронов, сильное взаимодействие не вызывает их распада. По какой-то причине эти адроны "предпочитали" гораздо менее интенсивное слабое взаимодействие. Почему? Теория кварков естественным образом решила эту загадку. Сильное взаимодействие не может изменять аромат кварков - на это способно только слабое взаимодействие. А без изменения аромата, сопровождающегося превращением s-кварка в и- или d-кварк, распад невозможен.

В табл. 2 представлены различные возможные комбинации кварков с тремя ароматами и указаны их названия (обычно просто греческая буква). Многочисленные возбужденные состояния не приведены. То обстоятельство, что из различных комбинаций трех основных частиц можно получить все известные адроны, символизировало главный триумф теории кварков. Но несмотря на этот успех, лишь через несколько лет удалось получить прямые физические доказательства существования кварков.

Эти доказательства были получены в 1969 г. в серии исторических экспериментов, проведенных на большом линейном ускорителе в Станфорде (Калифорния, США) - СЛАКе. Станфордские экспериментаторы рассуждали просто. Если в протоне действительно существуют кварки, то можно наблюдать столкновения с этими частицами внутри протона. Необходим лишь субъядерный "снаряд", который можно было бы направить прямо в недра протона. Использовать для этой цели другой адрон бесполезно, так как он имеет такие же размеры, как и протон. Идеальным снарядом мог бы стать лептон, например электрон. Так как электрон не участвует в сильном взаимодействии, он не "увязнет" в среде, которую образуют кварки. Вместе с тем электрон может почувствовать присутствие кварков благодаря наличию у них электрического заряда.

Таблица 2

Трем ароматам кварков, u, d и s, соответствуют заряды +2/3, -1/3 и -1/3; они комбинируются по три, образуя восемь барионов, приведенных в таблице. Пары кварк- антикварк образуют мезоны. (Некоторые комбинации, такие, как sss опущены.)

В станфордском эксперименте трехкилометровый ускоритель по существу выполнял роль гигантского электронного "микроскопа", который позволил получить изображение внутренности протона. Обычный электронный микроскоп дает возможность различать детали размером менее одной миллионной сантиметра. Протон же в несколько десятков миллионов раз меньше, и его можно "прощупать" только электронами, разогнанными до энергии 2.1010 эВ. Во времена станфордских экспериментов лишь немногие физики придерживались упрощенной теории кварков. Большинство ученых ожидало, что электроны будут отклоняться электрическими зарядами протонов, но при этом считалось, что заряд равномерно распределен внутри протона. Если бы это было действительно так, то происходило бы в основном слабое рассеяние электронов, т.е. при прохождении через протоны электроны не претерпевали бы сильных отклонений. Эксперимент показал, что картина рассеяния резко отличается от предполагаемой. Все происходило так, как если бы некоторые электроны налетали на крохотные твердые вкрапления и отскакивали от них под самыми невероятными углами. Теперь мы знаем, что такими твердыми вкраплениями внутри протонов являются кварки.

В 1974 г. упрощенному варианту теории кварков, которая к тому времени получила признание среди теоретиков, был нанесен чувствительный удар. С интервалом в несколько дней две группы американских физиков - одна в Станфорде во главе с Бартоном Рихтером, другая в Брукхейвенской национальной лаборатории под руководством Сэмюэла Тинга - объявили об открытии независимо друг от друга нового адрона, который получил название пси-частицы. Само по себе открытие нового адрона вряд ли было бы особо достопримечательным, если бы не одно обстоятельство: дело в том, что в схеме, предлагаемой теорией кварков, не было места ни для одной новой частицы. Все возможные комбинации из и-, d- и s-кварков и их антикварков были уже "израсходованы". Из чего же состоит пси-частица?

Проблему удалось решить, обратившись к идее, которая уже некоторое время носилась в воздухе: должен существовать четвертый аромат, который до того никому не доводилось наблюдать. Новый аромат уже имел свое название - charm (очарование), или с. Было высказано предположение, что пси-частица - это мезон, состоящий из с-кварка и с-антикварка (с), т.е. cc. Так как антикварки являются носителями антиаромата, очарование у пси-частицы нейтрализуется, и поэтому экспериментального подтверждения существования нового аромата (очарования) пришлось ждать до тех пор, пока не удалось обнаружить мезоны, в состав которых очарованные кварки входили в паре с анти-кваркамп других ароматов. Ныне известна целая вереница очарованных частиц. Все они очень тяжелые, так что очарованный кварк оказался тяжелее странного кварка.

Описанная выше ситуация повторилась в 1977 г., когда на сцену вышел так называемый ипсилон-мезон (ИПСИЛОН). На этот раз без особых колебаний был введен пятый аромат, получивший название b-кварк (от bottom - дно, а чаще beauty - красота, или прелесть). Ипсилон-мезон представляет собой пару кварк- антикварк, состоящую из b-кварков, и поэтому он обладает скрытой красотой; но, как и в предыдущем случае, другая комбинация кварков позволила в конечном счете обнаружить "красоту".

Об относительных массах кварков можно судить хотя бы по тому, что легчайший из мезонов, пион, состоит из пар и- и d-кварков с антикварками. Пси-мезон примерно в 27 раз, а ипсилон-мезон не менее чем в 75 раз тяжелее пиона.

Постепенное расширение списка известных ароматов происходило параллельно увеличению числа лептонов; поэтому возник очевидный вопрос, будет ли когда-нибудь конец. Кварки были введены для того, чтобы упростить описание всего многообразия адронов, но и сейчас есть ощущение, что список частиц снова растет слишком быстро.

Со времен Демокрита основополагающая идея атомизма заключается в признании того, что в достаточно малых масштабах должны существовать подлинно элементарные частицы, из комбинаций которых состоит окружающее нас вещество. Атомистика привлекательна тем, что неделимые (по определению) фундаментальные частицы должны существовать в весьма ограниченном числе. Разнообразие природы обусловлено большим числом не составных частей, а их комбинаций. Когда обнаружилось, что существует множество различных атомных ядер, исчезла надежда, что то, что мы сегодня называем атомами, соответствует представлению древних греков об элементарных частицах вещества. И хотя по традиции мы продолжаем говорить о различных химических "элементах", известно, что атомы вовсе не элементарны, а состоят из протонов, нейтронов и электронов. И коль скоро число кварков оказывается слишком большим, возникает искушение предположить, что и они представляют собой сложные системы, состоящие из более мелких частиц.

Хотя по указанной причине и существует некоторая неудовлетворенность кварковой схемой, большинство физиков считает кварки подлинно элементарными частицами - точечными, неделимыми и не обладающими внутренней структурой. В этом отношении они напоминают пептоны, и уже давно предполагается, что между этими двумя различными, но сходными по своей структуре семействами должна существовать глубокая взаимосвязь. Основания для подобной точки зрения возникают из сравнения свойств лептонов и кварков (табл. 3). Лептоны можно сгруппировать попарно, сопоставив каждому заряженному лептону соответствующее нейтрино. Кварки также можно сгруппировать попарно. Табл. 3 составлена таким образом, что по структуре каждая клетка повторяет расположенную непосредственно перед ней. Например, во второй клетке мюон представлен как "тяжелый электрон", а очарованный и странный кварки - как тяжелые варианты и- и d-кварков. Из следующей клетки видно, что тау-лептон является еще более тяжелым "электроном", а b-кварк - тяжеловесной разновидностью d-кварка. Для полной аналогии необходимы еще одно (тау-лептониое) нейтрино и.шестой аромат кварков, уже получивший название истинного (truth, t). В период работы над этой книгой экспериментальные данные в пользу существования t-кварков не были еще достаточно убедительными, и некоторые физики сомневались в том, что t-кварки вообще существуют.

Таблица 3

Лептоны и кварки естественно объединяются в пары. как показано в таблице. Окружающий нас мир состоит из четырех первых частиц. Но следующие группы, по-видимому, повторяют верхнюю и состоят, кроне нейтрино, из крайне нестабильных частиц.

Могут ли существовать четвертая, пятая и т.д. пары, содержащие еще более тяжелые частицы? Если да, то следующее поколение ускорителей, вероятно, даст физикам возможность обнаружить такие частицы. Однако высказывается любопытное соображение, из которого следует, что иных пар, кроме трех названных, не существует. Это соображение основано на числе типов нейтрино. Мы вскоре узнаем, что в момент Большого взрыва, ознаменовавшего возникновение Вселенной, происходило интенсивное рождение нейтрино. Своеобразная демократия гарантирует каждому виду частиц одинаковую с остальными долю энергии; поэтому, чем больше различных типов нейтрино, тем больше энергии содержится в море нейтрино, заполняющем космическое пространство. Вычисления показывают, что если существует более трех разновидностей нейтрино, то гравитация, создаваемая всеми ими, оказывала бы сильное возмущающее действие на ядерные процессы, протекавшие в первые несколько минут жизни Вселенной. Следовательно, из этих косвенных соображений следует весьма правдоподобный вывод о том, что тремя парами, показанными в табл. 3, исчерпываются все кварки и лептоны, которые существуют в природе.

Интересно отметить, что все обычное вещество во Вселенной состоит лишь из двух легчайших лептонов (электрона и электронного нейтрино) и двух легчайших кварков ( и и d). Если бы все остальные лептоны и кварки внезапно прекратили свое существование, то в окружающем нас мире, по-видимому, очень мало что изменилось бы.

Возможно, более тяжелые кварки и лептоны играют роль своего рода дублеров легчайших кварков и лептонов. Все они нестабильны и быстро распадаются на частицы, расположенные в верхней клетке. Например, тау-лептон и мюон распадаются на электроны, в то время как странные, очарованные и красивые частицы довольно быстро распадаются либо на нейтроны или протоны (в случае барионов), либо на лептоны (в случае мезонов). Возникает вопрос: для чего существуют все эти частицы второго и третьего поколений? Зачем они понадобились природе?

Частицы - переносчики взаимодействий

Шестью парами лептонов и кварков, образующих строительный материал вещества, отнюдь не исчерпывается перечень известных частиц. Некоторые из них, например фотон, не включены в кварковую схему. Частицы, "оставшиеся за бортом", не являются "кирпичиками мироздания", а образуют своего рода "клей", не позволяющий миру распадаться на части, т.е. они связаны с четырьмя фундаментальными взаимодействиями.

Помню, как в детстве мне рассказывали, что Луна заставляет океаны подниматься и опускаться во время ежедневных приливов и отливов. Для меня всегда было загадкой, каким образом океан узнаёт, где находится Луна, и следует за ее движением в небе. Когда уже в школе я узнал о гравитации, мое недоумение только усилилось. Каким образом Луна, преодолев четверть миллиона километров пустого пространства, ухитряется "дотянуться" до океана? Стандартный ответ - Луна создает в этом пустом пространстве гравитационное поле, действие которого достигает океана, приводя его в движение, - конечно, имел какой-то смысл, но все же не удовлетворял меня до конца. Ведь мы не можем видеть гравитационное поле Луны. Может, так только говорится? Разве это действительно объясняет что-нибудь? Мне всегда казалось, что Луна должна каким-то образом сообщать океану, где она находится. Между Луной и океаном должен происходить какой-то обмен сигналами, чтобы вода знала, куда двигаться.

Со временем выяснилось, что представление о силе, передаваемой через пространство в форме сигнала, не так уж далеко от современного подхода к этой проблеме. Чтобы понять, каким образом возникает такое представление, следует рассмотреть более подробно природу силового поля. В качестве примера выберем не океанские приливы, а более простое явление: два электрона сближаются, а затем под действием электростатического отталкивания разлетаются в разные стороны. Физики называют этот процесс проблемой рассеяния. Разумеется, электроны не толкают друг друга буквально. Они взаимодействуют на расстоянии, через электромагнитное поле, порождаемое каждым электроном.

Рис.11. Рассеяние двух заряженных частиц. Траектории частиц искривляются по мере их сближения вследствие действия силы электрического отталкивания.

Нетрудно представить картину рассеяния электрона на электроне. Первоначально электроны разделены большим расстоянием и слабо воздействуют друг на друга. Каждый электрон движется почти прямолинейно (рис. 11). Затем, по мере того как в работу включаются силы отталкивания, траектории электронов начинают искривляться, пока частицы максимально не сблизятся; после этого траектории расходятся, а электроны разлетаются, вновь начиная двигаться по прямолинейным, но уже расходящимся траекториям. Модель такого рода нетрудно продемонстрировать в лаборатории, используя вместо электронов электрически заряженные шарики. И снова возникает вопрос: откуда частица "знает", где находится другая частица, и соответственно этому меняет свое движение.

Хотя картина искривленных траекторий электронов довольно наглядна, она в ряде отношений совершенно непригодна. Дело в том, что электроны - квантовые частицы и их поведение подчиняется специфическим законам квантовой физики. Прежде всего электроны не движутся в пространстве по вполне определенным траекториям. Мы еще можем тем или иным способом определить начальную и конечную точки пути - до и после рассеяния, по сам путь в промежутке между началом и концом движения остается неизвестным и неопределенным. Кроме того, интуитивное представление о непрерывном обмене энергией и импульсом между электроном и полем, как бы ускоряющим электрон, противоречит существованию фотонов. Энергия и импульс могут переноситься полем только порциями, или квантами. Более точную картину возмущения, вносимого полем в движение электрона, мы получим, предположив, что электрон, поглощая фотон поля, как бы испытывает внезапный толчок. Следовательно, на квантовом уровне акт рассеяния электрона на электроне можно изобразить, как показано на рис. 12. Волнистая линия, соединяющая траектории двух электронов, соответствует фотону, испущенному одним электроном и поглощенному другим. Теперь акт рассеяния предстает как внезапное изменение направления движения каждого электрон

Рис.12. Квантовое описание рассеяния заряженных частиц. Взаимодействие частиц обусловлено обменом переносчиком взаимодействия, или виртуальным фотоном (волнистая линия).

Диаграммы такого рода впервые применил Ричард Фейнман для наглядного представления различных членов уравнения, и первоначально они имели чисто символическое значение. Но затем диаграммы Фейнмана стали использовать для схематического изображения взаимодействий частиц. Такие картинки как бы дополняют интуицию физика, однако их следует толковать известной долей осторожности. Например, в траектории электрона никогда не наблюдается резкого излома. Поскольку нам известны только начальное и конечное положения электронов, мы не знаем точно момента, когда происходит обмен фотоном, и какая из частиц испускает, а какая поглощает фотон. Все эти детали скрыты пеленой квантовой неопределенности.

Несмотря на это предостережение, диаграммы Фейнмана оказались эффективным средством квантового описания взаимодействия. Фотон, которым обмениваются электроны, можно рассматривать как своего рода посыльного одного из электронов, сообщающего другому: "Я здесь, так что пошевеливайся!". Разумеется, все квантовые процессы носят вероятностный характер, поэтому подобный обмен происходит лишь с определенной вероятностью. Может случиться, что электроны обменяются двумя и более фотонами (рис. 13), хотя это менее вероятно.

Важно отдавать себе отчет в том, что в действительности мы не видим фотонов, снующих от одного электрона к другому. Переносчики взаимодействия - "внутреннее дело" двух электронов. Они существуют исключительно для того, чтобы сообщать электронам, как двигаться, и, хотя они переносят энергию и импульс, соответствующие законы сохранения классической физики на них не распространяются. Фотоны в этом случае можно уподобить мячу, которым обмениваются на корте теннисисты. Подобно тому как теннисный мяч определяет поведение теннисистов на игровой площадке, фотон влияет на поведение электронов.

Успешное описание взаимодействия с помощью частицы-переносчика сопровождалось расширением понятия фотона: фотон оказывается не только частицей видимого нами света, но и призрачной частицей, которую "видят" только заряженные частицы, претерпевающие рассеяние. Иногда наблюдаемые нами фотоны называют реальными, а фотоны, переносящие взаимодействие, - виртуальными, что напоминает об их скоротечном, почти призрачном существовании. Различие между реальными и виртуальными фотонами несколько условно, но тем не менее эти понятия получили широкое распространение.

Описание электромагнитного взаимодействия с использованием понятия виртуальных фотонов - его переносчиков - по своему значению выходит за рамки просто иллюстраций квантового характера. В действительности речь.идет о продуманной до мельчайших деталей и оснащенной совершенным математическим аппаратом теории, известной под названием квантовой электродинамики, сокращенно КЭД. Когда КЭД была впервые сформулирована (это произошло вскоре после второй мировой войны), физики получили в свое распоряжение теорию, удовлетворяющую основным принципам как квантовой теории, так и теории относительности. Это прекрасный случай увидеть совместные проявления двух важных аспектов новой физики и. проверить их экспериментально.

Теоретически создание КЭД явилось выдающимся достижением. Более ранние исследования взаимодействия фотонов и электронов имели весьма ограниченный успех из-за математических трудностей. Но коль скоро теоретики научились правильно проводить вычисления, все остальное становилось на место. КЭД предложила процедуру получения результатов любого сколь угодно сложного процесса с участием фотонов и электронов.

Рис.13. Рассеяние электронов обусловлено обменом двумя виртуальными фотонами. Такие процессы составляют небольшую поправку к основному процессу, изображенному на рис. 11

Чтобы проверить, насколько хорошо теория согласуется с реальностью, физики сосредоточили внимание на двух эффектах, представлявших особый интерес. Первый касался энергетических уровней атома водорода - простейшего атома. КЭД предсказывала, что уровни должны быть слегка смещены относительно положения, которое они занимали бы, если бы не существовало виртуальных фотонов. Теория очень точно предсказывала величину этого смещения. Эксперимент по обнаружению и измерению смещения с предельной точностью осуществил Уиллис Лэмб из Университета шт. Аризона. Ко всеобщему восторгу результаты вычислений прекрасно совпадали с экспериментальными данными.

Вторая решающая проверка КЭД касалась чрезвычайно малой поправки к собственному магнитному моменту электрона. И снова результаты теоретических расчетов и эксперимента полностью совпали. Теоретики принялись уточнять вычисления, экспериментаторы - усовершенствовать приборы. Но, хотя точность как теоретических предсказаний, так и экспериментальных результатов непрерывно повышалась, соответствие между КЭД и экспериментом оставалось безукоризненным. Ныне теоретические и экспериментальные результаты по-прежнему согласуются в пределах достигнутой точности, что означает совпадение более девяти знаков после запятой. Столь поразительное соответствие дает право считать КЭД наиболее совершенной из существующих естественнонаучных теорий.

Нужно ли говорить, что после подобного триумфа КЭД была принята как модель для квантового описания трех других фундаментальных взаимодействий. Разумеется, полям, связанным с другими взаимодействиями, должны соответствовать иные частицы-переносчики. Для описания гравитации был введен гравитон, играющий такую же роль, как фотон. При гравитационном взаимодействии двух частиц между ними происходит обмен гравитонами. Это взаимодействие можно представить наглядно с помощью диаграмм, напоминающих те, что показаны на рис. 12 и 13. Именно гравитоны переносят сигналы от Луны океанам, следуя которым те поднимаются во время приливов и опускаются при отливах. Гравитоны, снующие между Землей и Солнцем, удерживают нашу планету на орбите. Гравитоны накрепко приковывают нас к Земле.

Подобно фотонам, гравитоны движутся со скоростью света, следовательно, гравитоны - это частицы с "нулевой массой покоя". Но на этом сходство между гравитонами и фотонами кончается. В то время как фотон имеет спин 1, спин гравитона равен 2.

Таблица 4

Частицы-переносчики четырех фундаментальных взаимодействий. Масса выражена в единицах массы протона.

Это важное различие, поскольку оно определяет направление силы: при электромагнитном взаимодействии одноименно заряженные частицы, например электроны, отталкиваются, а при гравитационном - все частицы притягиваются друг к другу.

Гравитоны могут быть реальными и виртуальными. Реальный гравитон - это не что иное, как квант гравитационной волны, подобно тому как реальный фотон - квант электромагнитной волны. В принципе реальные гравитоны можно "наблюдать". Но поскольку гравитационное взаимодействие невероятно слабое, гравитоны не удается детектировать непосредственно. Взаимодействие гравитонов с другими квантовыми частицами настолько слабое, что вероятность рассеяния или поглощения гравитона, например, протоном бесконечно мала.

Основная идея обмена частицами-переносчиками распространяется и на остальные взаимодействия (табл. 4) - слабое и сильное. Однако в деталях имеются важные различия. Напомним, что сильное взаимодействие обеспечивает связь между кварками. Такую связь может создать силовое поле, сходное с электромагнитным, но более сложное. Электрические силы приводят к образованию связанного состояния двух частиц с зарядами противоположных знаков. В случае кварков возникают связанные состояния трех частиц, что свидетельствует о более сложном характере силового поля, которому соответствуют три разновидности "заряда". Частицы - переносчики взаимодействия между кварками, связывающие их попарно или тройками, называют глюонами.

В случае слабого взаимодействия ситуация несколько иная. Радиус этого взаимодействия чрезвычайно мал. Поэтому переносчиками слабого взаимодействия должны быть частицы с большими массами покоя. Энергию, заключенную в такой массе, приходится "брать в долг" в соответствии с принципом неопределенности Гейзенберга, о котором уже шла речь на с. 50. Но поскольку "взятая в долг" масса (и, следовательно, энергия) столь велика, принцип неопределенности требует, чтобы срок погашения такого кредита был чрезвычайно коротким - всего лишь около 10^-28с. Столь короткоживущие частицы не успевают отойти особенно далеко, и радиус переносимого ими взаимодействия очень мал.

В действительности существуют два типа переносчиков слабого взаимодействия. Один из них во всем, кроме массы покоя, подобен фотону. Эти частицы называют Z-частицами. По существу Z-частицы представляют собой новую разновидность света. Другой тип переносчиков слабого взаимодействия, W-частицы, отличаются от Z-частиц наличием электрического заряда. В гл. 7 мы обсудим более подробно свойства Z- и W-частиц, которые были открыты лишь в 1983 г.

Классификация частиц на кварки, лептоны и переносчики взаимодействий завершает перечень известных субатомных частиц. Каждая из названных частиц играет свою, но решающую роль в формировании Вселенной. Не будь частиц-переносчиков, не существовало бы и взаимодействий, и каждая частица осталась бы в неведении относительно своих партнеров. Не могли бы возникнуть сложные системы, любая деятельность была бы невозможна. Без кварков не было бы ни атомных ядер, ни солнечного света. Без лептонов не могли бы существовать атомы, не возникли бы химические структуры и сама жизнь.

Каковы задачи физики элементарных частиц?

Влиятельная британская газета "Гардиан" однажды опубликовала редакционную статью, в которой ставится под вопрос целесообразность развития физики элементарных частиц - дорогостоящего предприятия, которое поглощает не только заметную долю национального бюджета науки, но и львиную долю лучших умов. "Знают ли физики, что они делают? - вопрошала "Гардиан". - Если даже знают, то какая от этого польза? Кому, кроме физиков, нужны все эти частицы?".

Через несколько месяцев после этой публикации мне довелось присутствовать в Балтиморе на лекции Джорджа Киуорта, советника президента США по науке. Киуорт также обратился к физике элементарных частиц, но его лекция была выдержана в совершенно другом тоне. Американские физики были под впечатлением недавнего сообщения из ЦЕРНа, ведущей Европейской лаборатории по физике элементарных частиц, об открытии фундаментальных W- и Z-частиц, которые удалось, наконец, получить на большом протон-антипротонном ускорителе на встречных пучках (коллайдере). Американцы привыкли, что все сенсационные открытия совершаются в их лабораториях физики высоких энергий. Не является ли то, что они уступили пальму первенства, признаком научного и даже национального упадка?

У Киуорта не вызывало сомнений, что для процветания США вообще и американской экономики в частности необходимо, чтобы страна занимала передовые рубежи в научных исследованиях. Основные проекты фундаментальных исследований, заявил Киуорт, находятся на острие прогресса. Соединенные Штаты должны вернуть свое превосходство в области физики элементарных частиц,

На той же неделе по информационным каналам понеслись сообщения об американском проекте гигантского ускорителя, предназначенного для проведения нового поколения экспериментов по физике элементарных частиц. Основные затраты предусматривались в размере 2 млрд. долл., что делало этот ускоритель самой дорогой машиной из когда-либо построенных человеком. Этот гигант дядюшки Сэма, по сравнению с которым даже новый ускоритель ЦЕРНа ЛЭП покажется карликом, настолько велик, что внутри его кольца могло бы целиком разместиться государство Люксембург! Гигантские сверхпроводящие магниты предназначены для создания интенсивных магнитных полей, которые будут заворачивать пучок частиц, направляя его вдоль кольцевидной камеры; она представляет собой настолько огромное сооружение, что новый ускоритель предполагается разместить в пустыне. Хотелось бы знать, что думает по этому поводу редактор газеты "Гардиан".

Известная под названием Сверхпроводящий суперколлайдер (Superconducting Super Collider, SSC), но чаще именуемая "де-зертрон" (от англ. desert - пустыня. - Ред.), эта чудовищная машина сможет ускорять протоны до энергий, примерно в 20 тыс. раз превышающих энергию (массу) покоя. Эти цифры можно интерпретировать по-разному. При максимальном ускорении частицы будут двигаться со скоростью всего на 1 км/ч меньше скорости света - предельной скорости во Вселенной. Релятивистские эффекты при этом столь велики, что масса каждой частицы в 20 тыс. раз больше, чем в состоянии покоя. В системе, связанной с такой частицей, время растянуто настолько, что 1 с соответствует 5,5 ч в нашей системе отсчета. Каждый километр камеры, по которой проносится частица, будет "казаться" ей сжатым всего лишь до 5,0 см.

Что за крайняя нужда заставляет государства расходовать столь огромные ресурсы на все более разрушительное расщепление атома? Есть ли какая-нибудь практическая польза в таких исследованиях?

Любой большой науке, безусловно, не чужд дух борьбы за национальный приоритет. Здесь так же, как в искусстве или спорте, приятно завоевывать призы и мировое признание. Физика элементарных частиц стала своего рода символом государственной мощи. Если она развивается успешно и дает ощутимые результаты, то это свидетельствует о том, что наука, техника, равно как и экономика страны в целом, находятся в основном на должном уровне. Это поддерживает уверенность в высоком качестве продукции других отраслей технологии более общего назначения. Для создания ускорителя и всего сопутствующего оборудования требуется очень высокий уровень профессионализма. Накопленный при разработке новых технологий ценный опыт может оказать неожиданное и благотворное влияние на другие направления научных исследований. Например, научно-исследовательские разработки по сверхпроводящим магнитам, необходимым для "дезертрона", проводятся в США на протяжении двадцати лет. Тем не менее они не приносят прямой выгоды и поэтому их трудно оценить. А нет ли каких-нибудь более ощутимых результатов?

В поддержку фундаментальных исследований иногда приходится слышать и другой аргумент. Физика, как правило, опережает технологию примерно на пятьдесят лет. Практическое применение того или иного научного открытия поначалу отнюдь не очевидно, однако лишь немногие из значительных достижений фундаментальной физики не нашли со временем практических приложений. Вспомним теорию электромагнетизма Максвелла: мог ли ее создатель предвидеть создание и успехи современных телекоммуникации и электроники? А слова Резерфорда о том, что ядерная энергия вряд ли когда-нибудь найдет практическое применение? Можно ли предсказать, к чему способно привести развитие физики элементарных частиц, какие удастся обнаружить новые силы и новые принципы, которые расширят наше понимание окружающего мира и дадут нам власть над более широким кругом физических явлений. А это может привести к развитию не менее революционных по своему характеру технологий, чем радио или ядерная энергетика.

Большинство разделов науки в конечном итоге находили и определенное военное применение. В этом отношении физика элементарных частиц (в отличие от ядерной физики) пока оставалась неприкосновенной. По случайному стечению обстоятельств лекция Киуорта совпала с рекламной шумихой вокруг предложенного президентом Рейганом спорного проекта создания противоракетного, так называемого пучкового, оружия (данный проект является частью программы, получившей название "Стратегическая оборонная инициатива", СОИ). Суть этого проекта в использовании против ракет противника пучков частиц высокой энергии. Такое применение физики элементарных частиц выглядит поистине зловещим.

Преобладает мнение, что создание подобных устройств неосуществимо. Большинство ученых, работающих в области физики элементарных частиц, считают эти идеи абсурдными и противоестественными, резко высказываются против предложения президента. Осудив ученых, Киуорт призвал их "поразмыслить над тем, какую роль они могут сыграть" в реализации проекта пучкового оружия. Это обращение Киуорта к физикам (конечно, чисто случайно) последовало за его словами относительно финансирования физики высоких энергий.

По моему твердому убеждению, физикам, работающим в области высоких энергий, нет нужды оправдывать необходимость фундаментальных исследований ссылками на приложения (особенно военные), исторические аналоги или смутные обещания возможных технических чудес. Физики проводят эти исследования прежде всего во имя своего неистребимого желания узнать, как устроен наш мир, стремления более детально понять природу. Физика элементарных частиц не имеет себе равных среди других видов человеческой деятельности. На протяжении двух с половиной тысячелетий человечество стремилось найти изначальные "кирпичики" мироздания, и теперь мы близки к конечной цели. Гигантские установки помогут нам проникнуть в самое сердце материи и вырвать у природы ее сокровеннейшие тайны. Человечество могут ожидать неожиданные приложения новых открытий, неведомые ранее технологии, но может оказаться, что физика высоких энергий ничего не даст для практики. Но ведь и от величественного собора или концертного зала немного практической пользы. В этой связи нельзя не вспомнить слова Фарадея, заметившего как-то: "Что толку от новорожденного?". Далекие от практики виды человеческой деятельности, к коим относится и физика элементарных частиц, служат свидетельством проявления человеческого духа, без которого мы были бы обречены в нашем излишне материальном и прагматичном мире.

По теме « Свойства атома »

Выполнил студент 1 курса

Группы Ке-ДЛИ-401

Елисеев Владислав

Проверила:

Медведева Ольга Алексеевна

Кемерово 2015

Строение атома.

В далёком прошлом философы Древней Греции предполагали, что вся материя едина, но приобретает те или иные свойства в зависимости от её “сущности”. Некоторые из них утверждали, что вещество состоит из мельчайших частиц, называемых атомами. Научные основы атомно-молекулярного учения были заложены позднее в работах русского учёного М.В. Ломоносова, французских химиков Л. Лавуазье и Ж. Пруста, английского химика Д. Дальтона, итальянского физика А. Авогадро и других исследователей.

Периодический закон Д.И. Менделеева показывает существование закономерной связи между всеми химическими элементами. Это говорит о том что в основе всех атомов лежит нечто общее. До конца XIX века в химии царило убеждение, что атом есть наименьшая неделимая частица простого вещества. Считалось, что при всех химических превращениях разрушаются и создаются только молекулы, атомы же остаются неизменными и не могут дробиться на части. И наконец в конце XIX века были сделаны открытия, показавшие сложность строения атома и возможность превращения одних атомов в другие.

Это послужило толчком к образованию и развитию нового раздела химии “Строение атома”. Первым указанием на сложную структуру атома - были опыты по изучению катодных лучей, возникающих при электрическом разряде в сильно разреженных газах. Для наблюдения этих лучей из стеклянной трубки, в которую впаяны два металлических электрода, выкачивается по возможности весь воздух и затем пропускается сквозь нее ток высокого напряжения. При таких условиях от катода трубки перпендикулярно к его поверхности распространяются "невидимые" катодные лучи, вызывающие яркое зеленое свечение в том месте, куда они попадают. Катодные лучи обладают способностью приводить в движение. На их пути легко подвижные тела откланяются от своего первоначального пути в магнитном и электрическом поле (в последнем в сторону положительно заряженной пластины). Действие катодных лучей обнаруживается только внутри трубки, так как стекло для них непроницаемо. Изучение свойств катодных лучей привело к заключению, что они состоят из мельчайших частиц, несущих отрицательный заряд и летящих со скоростью, достигающей половины скорости света. Также удалось определить массу и величину их заряда. Масса каждой частицы равнялась 0,00055 углеродной частицы. Заряд равняется 1,602 на 10 в минус 19 степени. Особенно замечательно, что масса частиц и величина их заряда не зависит ни от природы газа, остающегося в трубке, ни от вещества из которого сделаны электроды, ни от прочих условий опыта. Кроме того, катодные частицы известны только в заряженном состоянии и не могут существовать без своих зарядов, не могут быть превращены в электронейтральные частицы: электрический заряд составляет, самую сущность их природы. Эти частицы получили название электронов. В катодных трубках электроны отделяются от катода под влиянием электрического заряда. Но они могут возникать и вне всякой связи с электрическим зарядом. Так, например при электронной эмиссии металлы испускают электроны; при фотоэффекте многие вещества также выбрасывают электроны. Выделение электронов самыми разнообразными веществами указывает на то, что эти частицы входят в состав всех атомов; следовательно атомы являются сложными образованиями, построенными из более мелких “составных частей”.

Изучение строения атома практически началось в 1897-1898 гг., после того как была окончательно установлена природа катодных лучей как потока электронов и были определены величина заряда и масса электрона. Факт выделения электронов самыми разнообразными веществами приводил к выводу, что электроны входят в состав всех атомов. Но атом, как известно, электрически нейтрален, из этого следовало, что в его состав должна была входить ещё одна составная часть, уравновешивавшая сумму отрицательных зарядов электронов. Эта положительно заряженная часть атома была открыта в 1911 г. Резерфордом при исследовании движения

частиц в газах и других веществах.

Резерфорд Эрнест (1871-1937)

частицы, выбрасываемые веществами активных элементов представляют собой положительно заряженные ионы гелия, скорость движения которых достигает 20000 км/сек. Благодаря такой огромной скорости частицы, пролетая через воздух и сталкиваясь с молекулами газов, выбивают из них электроны. Молекулы, потерявшие электроны, становятся заряженными положительно, выбитые же электроны тотчас присоединяются к другим молекулам, заряжая их отрицательно. Таким образом, в воздухе на пути частиц образуются положительно и отрицательно заряженные ионы газа. Способность частиц ионизировать воздух была использована английским физиком Вильсоном для того, чтобы сделать видимыми пути движения отдельных частиц и сфотографировать их.

Впоследствии аппарат для фотографирования частиц получил название камеры Вильсона. (Первый трековый детектор заряженных частиц. Изобретена Ч. Вильсоном в 1912. Действие Вильсона камеры основано на конденсации пересыщенного пара (образовании мелких капелек жидкости) на ионах, возникающих вдоль следа (трека) заряженной частицы. В дальнейшем вытеснена другими трековыми детекторами.)

Исследуя пути движения частиц с помощью камеры, Резерфорд заметил, что в камере они параллельны (пути), а при пропускании пучка параллельных лучей через слой газа или тонкую металлическую пластинку, они выходят не параллельно, а несколько расходятся, т.е. происходит отклонение частиц от их первоначального пути. Некоторые частицы отклонялись очень сильно, некоторые вообще не проходили через тонкую пластинку.

Исходя из этих наблюдений, Резерфорд предложил свою схему строения атома: в центре атома находится положительное ядро, вокруг которого по разным орбиталям вращаются отрицательные электроны. Центростремительные силы, возникающие при их вращении удерживают их на своих орбиталях и не дают им улететь. Эта модель атома легко объясняет явление отклонения частиц. Размеры ядра и электронов очень малы по сравнению с размерами всего атома, которые определяются орбитами наиболее удаленных от ядра электронов; поэтому большинство частиц пролетает через атомы без заметного отклонения. Только в тех случаях, когда частицы очень близко подходит к ядру, электрическое отталкивание вызывает резкое отклонение ее от первоначального пути. Таким образом, изучение рассеяние частиц положило начало ядерной теории атома. Одной из задач, стоявших перед теорией строения атома в начале ее развития, было определение величины заряда ядра различных атомов. Так как атом в целом электрически нейтрален, то, определив заряд ядра, можно было бы установить и число окружающих ядро электронов. В решении этой задачи этой большую помощь оказало изучение спектров рентгеновских лучей. Рентгеновские лучи возникают при ударе быстро летящих электронов о какое-либо твердое тело и отличаются от лучей видимого света только значительно меньшей длиной волны. В то время как короткие световые волны имеют длину около 4000 ангстремов (фиолетовые лучи), длины волн рентгеновских лучей лежат в пределах от 20 до 0,1 ангстрема. Чтобы получить спектр рентгеновских лучей, нельзя пользоваться обыкновенной призмой или дифракционной решеткой. (Дифракционная РЕШЕТКА, оптический прибор; совокупность большого количества параллельных щелей в непрозрачном экране или отражающих зеркальных полосок (штрихов), равноотстоящих друг от друга, на которых происходит дифракция света. Дифракционная решетка разлагает падающий на нее пучок света в спектр, что используется в спектральных приборах.)

Для рентгеновских лучей требовалась решётка с очень большим количеством делений на один миллиметр (примерно 1млн./1мм.). Такую решётку искусственно приготовить было невозможно. В 1912 г. у швейцарского физика Лауэ возникла мысль использовать кристаллы в качестве дифракционной решетки для рентгеновских лучей.

Упорядоченное расположение атомов в кристалле и малое расстояние между ними давало повод предполагать что как раз кристаллы и подойдут на роль требуемой дифракционной решётки.

Опыт блестяще подтвердил предположение Лауэ, вскоре удалось построить приборы, которые давали возможность получать спектр рентгеновских лучей почти всех элементов. Для получения рентгеновских спектров антикатод в рентгеновских трубках делают из того металла, спектр которого хотят получить, или же наносят соединение исследуемого элемента. Экраном для спектра служит фотобумага; после проявления на ней видны все линии спектра. В 1913 г. английский ученый Мозли, изучая рентгеновские спектры нашел соотношение между длинами волн рентгеновских лучей и порядкового номерами соответствующих элементов - это носит название закона Мозли и может быть сформулировано следующим образом: Корни квадратные из обратных значений длин волн находятся в линейной зависимости от порядковых номеров элементов.

Еще до работ Мозли некоторые учёные предполагали, что порядковый номер элемента указывает число зарядов ядра его атома. В тоже время Резерфорд, изучая рассеивание частиц при прохождении через тонкие металлические пластинки, выяснил, что если заряд электрона принять за единицу, то выражаемый в таких единицах заряд ядра приблизительно равен половине атомного веса элемента. Порядковый номер, по крайне мере более легких элементов, тоже равняется примерно половине атомного веса. Все вместе взятое привело к выводу, что Заряд ядра численно равен порядковому номеру элемента. Таким образом, закон Мозли позволил определить заряды атомных ядер. Тем самым, ввиду нейтральности атомов, было установлено и число электронов, вращающихся вокруг ядра в атоме каждого элемента. Ядерная модель атома Резерфорда получила свое дальнейшее развитие благодаря работам Нильс Бора , в которых учение о строении атома неразрывно связывается с учением о происхождении спектров.

Линейчатые спектры получаются при разложении света испускаемого раскаленными парами или газами. Каждому элементу отвечает свой спектр, отличающийся от спектров других элементов. Большинство металлов дает очень сложные спектры, содержащие огромное число линий (в железе до 5000), но встречаются и сравнительно простые спектры.

Развивая ядерную теорию Резерфорда, ученые пришли к мысли, что сложная структура линейчатых спектров обусловлена происходящими внутри атомов колебаниями электронов. По теории Резерфорда, каждый электрон вращается вокруг ядра, причем сила притяжения ядра уравновешивается центробежной силой, возникающей при вращении электрона. Вращение электрона совершенно аналогично его быстрым колебаниям и должно вызвать испускание электромагнитных волн. Поэтому можно предположить, что вращающийся электрон излучает свет определенной длины волны, зависящий от частоты обращения электрона по орбите. Но, излучая свет, электрон теряет часть своей энергии, в следствие чего нарушается равновесие между ним и ядром; для восстановления равновесия электрон должен постепенно передвигаться ближе к ядру, причем так же постепенно будет изменяться частота обращения электрона и характер испускаемого им света. В конце концов, исчерпав всю энергию, электрон должен "упасть" на ядро, и излучение света прекратится. Если бы на самом деле происходило такое непрерывное изменение движения электрона, то и спектр получался бы всегда непрерывный, а не с лучами определенной длины волны. Кроме того, "падение" электрона на ядро означало бы разрушение атома и прекращения его существования. Таким образом, теория Резерфорда была бессильна объяснить не только закономерности в распределении

линий спектра, ни и само существование линейчатых спектров. В 1913 г. Бор предложил сою теорию строения атома, в которой ему удалось с большим искусством согласовать спектральные явления с ядерной моделью атома, применив к последней так называемую квантовую теорию излучения, введенную в науку немецким ученым-физиком Планком. Сущность теории квантов сводится к тому, что лучистая энергия испускается и поглощается не непрерывно, как принималось раньше, а отдельными малыми, но вполне определенными порциями - квантами энергии. Запас энергии излучающего тела изменяется скачками, квант за квантом; дробное число квантов тело не может ни испускать, ни поглощать. Величина кванта энергии зависит от частоты излучения: чем больше частота излучения, тем больше величина кванта. Кванты лучистой энергии называются также фотонами. Применив квантовые представления к вращению электронов вокруг ядра, Бор положил в основу своей теории очень смелые предположения, или постулаты. Хотя эти постулаты и противоречат законам классической электродинамики, но они находят свое оправдание в тех поразительных результатах, к которым приводят, и в том полнейшем согласии, которое обнаруживается между теоретическими результатами и огромным числом экспериментальных фактов. Постулаты Бора заключаются в следующем: Электрон может двигаться вокруг не по любым орбитам, а только по таким, которые удовлетворяют определенными условиям, вытекающим из теории квантов. Эти орбиты получили название устойчивых или квантовых орбит. Когда электрон движется по одной из возможных для него устойчивых орбит, то он не излучает. Переход электрона с удаленной орбиты на более близкую сопровождается потерей энергии. Потерянная атомом при каждом переходе энергия превращается в один квант лучистой энергии. Частота излучаемого при этом света определяется радиусами тех двух орбит, между которыми совершается переход электрона. Чем больше расстояние от орбиты, на которой находится электрон, до той, на которую он переходит, тем больше частота излучения. Простейшим из атомов является атом водорода; вокруг ядра которого вращается только один электрон. Исходя из приведенных постулатов, Бор рассчитал радиусы возможных орбит для этого электрона и нашел, что они относятся, как квадраты натуральных чисел: 1: 2: 3: ... n Величина n получила название главного квантового числа. Радиус ближайшей к ядру орбиты в атоме водорода равняется 0,53 ангстрема. Вычисленные отсюда частоты излучений, сопровождающих переходы электрона с одной орбиты на другую, оказались в точности совпадающими с частотами, найденными на опыте для линий водородного спектра.Тем самым была доказана правильность расчета устойчивых орбит, а вместе с тем и приложимость постулатов Бора для таких расчетов. В дальнейшем теория Бора была распространена и на атомную структуру других элементов, хотя это было связанно с некоторым трудностями из-за ее новизны.

Теория Бора позволила разрешить очень важный вопрос о расположении электронов в атомах различных элементов и установить зависимость свойств элементов от строения электронных оболочек их атомов. В настоящее время разработаны схемы строения атомов всех химических элементов. Однако, иметь ввиду, что все эти схемы это лишь более или менее достоверная гипотеза, позволяющая объяснить многие физические и химические свойства элементов. Как раньше уже было сказано, число электронов, вращающихся вокруг ядра атома, соответствует порядковому номеру элемента в периодической системе. Электроны расположены по слоям, т.е. каждому слою принадлежит определенное заполняющие или как бы насыщающее его число электронов. Электроны одного и того же слоя характеризуются почти одинаковым запасом энергии, т.е. находятся примерно на одинаковом энергетическом уровне. Вся оболочка атома распадается

на несколько энергетических уровней. Электроны каждого следующего слоя находятся на более высоком энергетическом уровне, чем электроны предыдущего слоя. Наибольшее число электронов N, могущих находиться на данном энергетическом уровне, равно удвоенному квадрату номера слоя:

где n-номер слоя. Кроме того, установлено, что число электронов в наружном слое для всех элементов, кроме палладия, не превышает восьми, а в предпоследнем - восемнадцати. Электроны наружного слоя, как наиболее удаленные от ядра и, следовательно, наименее прочно связанные с ядром, могут отрываться от атома и присоединяться к другим атомам, входя в состав наружного слоя последних. Атомы, лишившиеся одного или нескольких электронов, становятся заряженные положительно, так как заряд ядра атома превышает сумму зарядов оставшихся электронов. Наоборот атомы присоединившие электроны становятся заряженные отрицательно. Образующиеся таким путем заряженные частицы, качественно отличные от соответствующих атомов. называются ионами. Многие ионы в свою очередь могут терять или присоединять электроны, превращаясь при этом или в электронейтральные атомы, или в новые ионы с другим зарядом. Теория Бора оказала огромные услуги физике и химии, подойдя, с одной стороны, к раскрытию законов спектроскопии и объяснению механизма лучеиспускания, а с другой - к выяснению структуры отдельных атомов и установлению связи между ними. Однако оставалось еще много явлений в этой области, объяснить которые теория Бора не могла.

Движение электронов в атомах Бор представлял как простое механическое, однако оно является сложным и своеобразным. Это своеобразие было объяснено новой квантовой теорией. Отсюда и пошло: “Карпускулярно-вролновой дуализм”.

И так, электрон в атоме характеризуется:

1. Главным квантовым числом n, указывающим на энергию электрона;

2. Орбитальным квантовым числом l , указывающим на характер орбиты;

3. Магнитным квантовым числом, характеризующим положение облаков в пространстве;

4. И спиновым квантовым числом, характеризующим веретенообразное движение электрона вокруг своей оси.

В далёком прошлом философы Древней Греции предполагали, что вся материя едина, но приобретает те или иные свойства в зависимости от её “сущности”. А сейчас, в наше время, благодаря великим учёным, мы точно знаем, из чего на самом деле она состоит.

Используемая литература:

1) Курс общеё химии (Н.В. Коровин)

2) Курс общей химии (А.Н. Харин)

3) Строение вещества (В.К. Васильев, А.Н. Шувалова)

4) Физическая химия (А.Л. Дайнэко)

Строение атомного ядра. Субатомные частицы. Элементы. Изотопы.

Атом состоит из ядра и окружающего его электронного "облака". Находящиеся в электронном облаке электроны несут отрицательный электрический заряд. Протоны , входящие в состав ядра, несут положительный заряд.

В любом атоме число протонов в ядре в точности равно числу электронов в электронном облаке, поэтому атом в целом – нейтральная частица, не несущая заряда.

Атом может потерять один или несколько электронов или наоборот – захватить чужие электроны. В этом случае атом приобретает положительный или отрицательный заряд и называется ионом .

Практически вся масса атома сосредоточена в его ядре, так как масса электрона составляет всего лишь 1/1836 часть массы протона. Плотность вещества в ядре фантастически велика – порядка 10 13 - 10 14 г/см 3 . Спичечный коробок, наполненный веществом такой плотности, весил бы 2,5 миллиарда тонн!

Внешние размеры атома – это размеры гораздо менее плотного электронного облака, которое примерно в 100000 раз больше диаметра ядра.

Кроме протонов, в состав ядра большинства атомов входят нейтроны , не несущие никакого заряда. Масса нейтрона практически не отличается от массы протона. Вместе протоны и нейтроны называются нуклонами (от латинского nucleus – ядро).

Электроны, протоны и нейтроны являются главными "строительными деталями" атомов и называются субатомными частицами. Их заряды и массы в кг и в специальных “атомных” единицах массы (а.е.м.) показаны в таблице 2-1.

Таблица 2-1. Субатомные частицы.

Из таблицы 2-1 видно, что массы субатомных частиц чрезвычайно малы. Показатель степени (например, десять в минус двадцать седьмой степени) показывает, сколько нулей после запятой нужно записать, чтобы получилась десятичная дробь, выражающая массу субатомной частицы в килограммах. Это ничтожнейшая часть килограмма, поэтому массу субатомных частиц удобнее выражать в атомных единицах массы (сокращенно – а.е.м.). За атомную единицу массы принята ровно 1/12 часть массы атома углерода, в ядре которого содержится 6 протонов и 6 нейтронов. Схематическое изображение такого "эталонного" атома углерода приведено на рис. 2-5 (б). Атомную единицу массы можно выразить и в граммах: 1 а.е.м. = 1,660540·10 -24 г.

<="" p="">

Рис. 2-5. Атомы состоят из положительно заряженного ядра и электронного облака. а) В состав ядра атома водорода входит только 1 протон, а электронное облако заполняется одним электроном. б) В ядре атома углерода 6 протонов и 6 нейтронов, а в электронном облаке – 6 электронов. в) Существует также изотопный углерод, ядре которого на 1 нейтрон больше. Содержание этого изотопа в природном углероде составляет чуть более 1% (об изотопах см. ниже). Линейные размеры атомов очень малы: их радиусы составляют от 0,3 до 2,6 ангстрема (1 ангстрем = 10 –8 см). Радиус ядра около 10 –5 ангстрема, то есть 10 –13 см. Это в 100000 раз меньше размеров электронной оболочки. Поэтому правильно показать относительные пропорции ядер и электронных оболочек на рисунке невозможно. Если бы атом увеличился до размеров Земли, то ядро имело бы всего около 60 м в диаметре и могло бы поместиться на футбольном поле.

Масса атома, выраженная в килограммах или граммах, называется абсолютной атомной массой . Чаще пользуются относительной атомной массой , которая выражается в атомных единицах массы (а.е.м.). Относительная атомная масса представляет собой отношение массы какого-нибудь атома к массе 1/12 части атома углерода. Иногда говорят более коротко: атомный вес . Последний термин вовсе не устаревший, как иногда пишут в учебниках – он широко используются в современной научной литературе, поэтому мы тоже будем его применять. Относительная атомная масса и атомный вес, фактически, безразмерные величины (масса какого-либо атома делится на массу части атома углерода), поэтому обозначение "а.е.м." после численного значения обычно опускают (но можно и написать, в этом не будет ошибки). Термины “относительная атомная масса”, “атомная масса” , “атомный вес” в научном химическом языке обычно используются равноправно и между ними просто не делают различий. В Международном союзе химиков (IUPAC) существует Комиссия по относительной распространенности изотопов и атомным весам (Commission on Isotopic Abundances and Atomic Weights или сокращенно – CIAAW), но не "Комиссия по относительным атомным массам". Однако все химики прекрасно понимают, что речь идет об одном и том же.

В российских учебниках и заданиях ЕГЭ пользуются термином относительная атомная масса , которую обозначают символом A r . Здесь "r" – от английского "relative" – относительный. Например, A r = 12,0000 – относительная атомная масса углерода 12 6 C равна 12,0000. В современной научной литературе относительная атомная масса и атомный вес – синонимы.

** Из курса физики вы помните, что вес физического тела является переменной величиной. Например, на Земле и на Луне одно и то же физическое тело имеет разный вес, но масса тела – величина постоянная. Поэтому термин “относительная атомная масса” считается более строгим. Для многих вычислений удобно массы протона и нейтрона в шкале а.е.м. считать округленно равными единице .

На рис. 2-5 показаны атомы двух разных видов. Может возникнуть вопрос: почему двух, а не трех видов – ведь на рисунке изображены три атома? Дело в том, что атомы (б) и (в) относятся к одному и тому же химическому элементу углероду, в то время как атом (а) – совсем другой элемент (водород). Что же такое химические элементы и чем они отличаются друг от друга?

Водород и углерод отличаются числом протонов в ядре и, следовательно, числом электронов в электронной оболочке. Число протонов в ядре атома называют зарядом ядра атома и обозначают буквой Z. Это очень важная величина. Когда мы перейдем к изучению Периодического закона, то увидим, что число протонов в ядре совпадает с порядковым номером атома в Периодической таблице Д.И.Менделеева.

Как мы уже говорили, заряд ядра (число протонов) совпадает с числом электронов в атоме. Когда атомы сближаются, то в первую очередь они взаимодействуют друг с другом не ядрами, а электронами. Число электронов определяет способность атома образовывать связи с другими атомами, то есть его химические свойства. Поэтому атомы с одинаковым зарядом ядра (и одинаковым числом электронов) ведут себя в химическом отношении практически одинаково и рассматриваются как атомы одного химического элемента .

Парадоксы субатомного мира

Давайте подведем некоторые итоги, четко обозначив все известные нам парадоксы субатомного мира.

1. На уровне атома, ядра и элементарной частицы материя имеет двойственный аспект, который в одной ситуации проявляется как частицы, а в другой – как волны. Причем частица имеет более или менее определенное местоположение, а волна распространяется во все стороны в пространстве.

2. Двойственная природа материи обусловливает «квантовый эффект», заключающийся в том, что находящаяся в ограниченном объеме пространства частица начинает усиленно двигаться, и чем значительнее ограничение, тем выше скорость. Результатом типичного «квантового эффекта» является твердость материи, идентичность атомов одного химического элемента и их высокая механическая устойчивость.

Поскольку ограничения объема атома и уж тем более ядра весьма значительны, скорости движения частиц чрезвычайно велики. Для исследования субатомного мира приходится использовать релятивистскую физику.

3. Атом вовсе не подобен маленькой планетарной системе. Вокруг ядра вращаются не частицы – электроны, а вероятностные волны, причем электрон может переходить с орбиты на орбиту, поглощая или испуская энергию в виде фотона.

4. На субатомном уровне существуют не твердые материальные объекты классической физики, а волновые вероятностные модели , которые отражают вероятность существования взаимосвязей.

5. Элементарные частицы вовсе не элементарны, а чрезвычайно сложны.

6. Всем известным элементарным частицам соответствуют свои античастицы. Пары частиц и античастиц возникают при наличии достаточного количества энергии и превращаются в чистую энергию при обратном процессе аннигиляции.

7. При столкновениях частицы способны переходить одна в другую: например, при столкновении протона и нейтрона рождается пи-мезон и т. д.

8. Никакой эксперимент не может привести к одновременно точному измерению динамических переменных: например, неопределенность положения события во времени оказывается связанной с неопределенностью количества энергии точно так же, как неопределенность пространственного положения частицы обнаруживает связь с неопределенностью ее импульса.

9. Масса является одной из форм энергии; поскольку энергия – это динамическая величина, связанная с процессом, частица воспринимается как динамический процесс, использующий энергию, которая проявляет себя в виде массы частицы.

10. Субатомные частицы одновременно делимы и неделимы. В процессе столкновения энергия двух частиц перераспределяется и образуются такие же частицы. А если энергия достаточно велика, то помимо таких же, как исходные, могут образоваться дополнительно новые частицы.

11. Силы взаимного притяжения и отталкивания между частицами способны преобразовываться в такие же частицы.

12. Мир частиц нельзя разложить на независящие друг от друга мельчайшие составляющие; частица не может быть изолированной.

13. Внутри атома материя не существует в определенных местах, а, скорее, «может существовать»; атомные явления не происходят в определенных местах и определенным образом наверняка, а, скорее, «могут происходить».

14. На результат эксперимента влияет система подготовки и измерения, конечным звеном которой является наблюдатель. Свойства объекта имеют значение только в контексте взаимодействия объекта с наблюдателем, ибо наблюдатель решает, каким образом он будет осуществлять измерения, и в зависимости от своего решения получает характеристику свойства наблюдаемого объекта.

15. В субатомном мире действуют нелокальные связи.

Казалось бы, достаточно сложностей и неразберихи в субатомном мире, лежащем в основе макромира. Но нет! Это еще не все.

Реальность, которая была открыта в результате изучения субатомного мира, обнаружила единство понятий, казавшихся до сих пор противоположными и даже непримиримыми. Мало того что частицы одновременно делимы и неделимы, вещество одновременно прерывисто и непрерывно, энергия превращается в частицы и наоборот и т. д., релятивистская физика объединила даже понятия пространства и времени. Именно это основополагающее единство, которое существует в более высоком измерении (четырехмерное пространство-время), является основой для объединения всех противоположных понятий.

Введение понятия вероятностных волн, которое в определенной степени решило парадокс «частица – волна», переместив его в совершенно новый контекст, привело к возникновению новой пары гораздо более глобальных противопоставлений: существования и несуществования (1). Атомная реальность лежит за пределами и этого противопоставления.

Возможно, это противопоставление наиболее трудно для восприятия со стороны нашего сознания. В физике можно построить конкретные модели, показывающие переход из состояния частиц в состояние волн и обратно. Но никакая модель не может объяснить переход от существования к несуществованию. Никакой физический процесс нельзя использовать для объяснения перехода из состояния, называемого виртуальной частицей, к состоянию покоя в вакууме, где эти объекты исчезают.

Мы не можем утверждать, что атомная частица существует в той или иной точке, и не можем утверждать, что ее там нет. Будучи вероятностной схемой, частица может существовать (одновременно!) в разных точках и представлять собой странную разновидность физической реальности, нечто среднее между существованием и несуществованием. Поэтому мы не можем описать состояние частицы в терминах фиксированных противопоставленных понятий (черное – белое, плюс – минус, холодно – тепло и т. д.). Частица не находится в определенной точке и не отсутствует там. Она не перемещается и не покоится. Изменяется только вероятная схема, то есть тенденция частицы находиться в определенных точках.

Точнее всего этот парадокс выразил Роберт Оппенгеймер, сказав: «Если мы спросим, например, постоянно ли нахождение электрона, нужно сказать „нет“, если мы спросим, изменяется ли местонахождения электрона с течением времени, нужно сказать „нет“, если мы спросим, неподвижен ли электрон, нужно сказать „нет“, если мы спросим, движется ли он, нужно сказать „нет“». Лучше не скажешь!

Не случайно В. Гейзенберг признавался: «Я помню многочисленные споры с Богом до поздней ночи, завершавшиеся признанием нашей беспомощности; когда после спора я выходил на прогулку в соседний парк, я вновь и вновь задавал себе один и тот же вопрос: „Разве может быть в природе столько абсурда, сколько мы видим в результатах атомных экспериментов?“»

Такие пары противоположных понятий, как сила и материя, частица и волна, движение и покой, существование и несуществование, объединенные в одновременное единство, представляют собой сегодня самое сложное для осознания положение квантовой теории. С какими еще парадоксами, переворачивающими все наши представления с ног на голову, столкнется наука, трудно предсказать

Бушующий мир . Но и это еще не все. Способность частиц реагировать на сжатие путем увеличения скорости движения говорит о фундаментальной подвижности материи, которая становится очевидной при углублении в субатомный мир. В этом мире большинство частиц приковано к молекулярным, атомным и ядерным структурам, и все они не покоятся, а находятся в состоянии хаотического движения; они подвижны по своей природе. Квантовая теория показывает, что вещество постоянно движется, не оставаясь ни на миг в состоянии покоя.

Например, взяв в руки кусок железа, мы не слышим и не чувствуем этого движения, оно, железо, кажется нам неподвижным и пассивным. Но стоит рассмотреть этот «мертвый» кусок железа под очень сильным микроскопом, который позволит нам увидеть все, что творится в атоме, мы увидим нечто совершенно другое. Давайте вспомним модель атома железа, в котором двадцать шесть электронов вращаются вокруг ядра, состоящего из двадцати шести протонов и тридцати нейтронов. Стремительный вихрь двадцати шести электронов вокруг ядра подобен хаотическому и постоянно изменяющемуся рою насекомых. Просто удивительно, как эти бешено вращающиеся электроны не сталкиваются друг с другом. Создается впечатление, что внутри каждого имеется встроенный механизм, бдительно следящий за тем, чтобы они не сталкивались.

А если мы заглянем в ядро, то увидим протоны и нейтроны, танцующие в бешеном ритме ламбаду, причем танцоры чередуются и пары меняют партнеров. Словом, в «мертвом» металле в буквальном и фигуральном смысле царит такое разнообразное движение протонов, нейтронов и электронов, которое просто невозможно себе представить.

Этот многослойный бушующий мир состоит из атомов и субатомных частиц, движущихся по различным орбитам с дикой скоростью, «танцующих» замечательный танец жизни под музыку, которую кто-то сочинил. Но ведь все материальные предметы, которые мы видим вокруг себя, состоят из атомов, связанных между собой внутримолекулярными связями различного типа и образующих таким образом молекулы. Только электроны в молекуле совершают движение не вокруг каждого атомного ядра, а вокруг группы атомов. И эти молекулы также находятся в беспрестанном хаотическом колебательном движении, характер которых зависит от термических условий вокруг атомов.

Словом, в субатомном и атомном мире безраздельно властвуют ритм, движение и непрестанное изменение. Но все изменения не случайны и не произвольны. Они следуют очень четким и ясным закономерностям: все частицы той или иной разновидности абсолютно идентичны по массе, величине электрического заряда и другим характерным показателям; все заряженные частицы имеют электрический заряд, который либо равен заряду электрона, либо противоположен ему по знаку, либо превышает его в два раза; и остальные характеристики частиц могут принимать не любые произвольные значения, а только ограниченное их количество, что позволяет ученым разделить частицы на несколько групп, которые могут быть также названы «семьями» (24).

Невольно напрашиваются вопросы: кто сочинил музыку для удивительного танца субатомных частиц, кто задал информационную программу и научил пары танцевать, в какой момент начался этот танец? Иными словами: как образуется материя, кто ее создал, когда это случилось? Это те вопросы, на которые наука ищет ответы.

К сожалению, наше мировосприятие характеризуется ограниченностью и приблизительностью. Наше ограниченное понимание природы приводит к разработке ограниченных «законов природы», которые позволяют описать большое количество явлений, но самые важные законы мироздания, влияющие на мировоззрение человека, по-прежнему во многом остаются для нас неизведанными.

«Позиция большинства физиков напоминает мировосприятие шизофреника, – говорит теоретик квантовой физики Фриц Рорлих из Сиракузского университета. – С одной стороны, они принимают стандартное толкование квантовой теории. С другой стороны, они настаивают на реальности квантовых систем, даже если таковые принципиально ненаблюдаемы».

Действительно странная позиция, которую можно выразить так: «Я не собираюсь думать об этом, даже если я знаю, что это правда». Эта позиция удерживает многих физиков от рассмотрения логических следствий из наиболее поразительных открытий квантовой физики. Как указывает Дэвид Мермин из Корнельского университета, физики подразделяются на три категории: первая – незначительное меньшинство, которому не дают покоя сами собой напрашивающиеся логические следствия; вторая – группа, уходящая от проблемы с помощью множества соображений и доводов, по большей части несостоятельных; и, наконец, третья категория – те, у кого нет никаких соображений, но это их не волнует. «Такая позиция, конечно, самая удобная», – отмечает Мермин (1).

Тем не менее ученые осознают, что все их теории, описывающие явления природы, включая и описание «законов», представляют собой продукт человеческого сознания, следствия понятийной структуры нашей картины мира, а не свойства самой реальности. Все научные модели и теории представляют собой лишь приближения к истинному положению дел. Ни одна из них не может претендовать на истину в последней инстанции. Неокончательность теорий проявляется прежде всего в использовании так называемых «фундаментальных констант», то есть величин, значения которых не выводятся из соответствующих теорий, а определяются эмпирически. Квантовая теория не может объяснить, почему электрон обладает именно такой массой и таким электрическим зарядом, а теория относительности не может объяснить именно такую величину скорости света.

Безусловно, наука никогда не сумеет создать идеальную теорию, которая объяснит все, но она постоянно должна стремиться к этому, пусть даже недостижимому рубежу. Ибо чем выше установлена планка, через которую должен перепрыгнуть прыгун, тем большую высоту он возьмет, даже если не установит рекорда. И ученые, как прыгун на тренировках, постоянно поднимают планку, последовательно разрабатывая отдельные частные и приблизительные теории, каждая из которых является более точной, чем предыдущая.

Сегодня наука уже располагает рядом частных теорий и моделей, достаточно успешно описывающих некоторые стороны волнующей нас волновой квантовой реальности. Как считают многие ученые, наиболее перспективными теориями – точками опоры для дальнейшего развития теоретической физики, опирающейся на сознание, являются гипотеза «бутстрапа» Джеффри Чу, теория Дэвида Бома и теория торсионных полей. А уникальные экспериментальные работы российских ученых под руководством академика В. П. Казначеева в значительной степени подтверждают правильность подходов в исследовании Вселенной и Сознания, заложенных в указанных гипотезах и теориях.

Из книги Гиперборейское учение автора Татищев Б Ю

2. 1. Парадоксы современной России. Времена изменились. Теперешним «демократом» для продолжения грабежа России и её народа приходится прилагать некоторые усилия для «стабилизации экономики». А у «патриотов - державников» давно уже прошли все сроки, отпущенные им на

Из книги Феномены иных миров автора Кульский Александр

Глава 11. ПАРАДОКСЫ, КОТОРЫХ НЕ БЫЛО Одним из самых краеугольных, фундаментальных камней, лежащих в основании традиционной физики и философии, является принцип причинности. То есть «железной» однонаправленности во взаимоотношениях причины и следствия. Сперва, стало быть,

Из книги Основы физики духа автора Скляров Андрей Юрьевич

Глава 6. Активные и пассивные объекты духовно-нематериального мира как аналог живого и неживого материального мира. «Все живо, но условно мы считаем живым только то, что достаточно сильно чувствует». К.Циолковский В материальном макромире, как известно, вещество (как один

Из книги Последний завет Дон Хуана: магия толтеков и эзотерика духовности автора Каптен (Омкаров) Юри (Артур) Леонардович

6. ПАРАДОКСЫ ЗДОРОВЬЯ С ПОЗИЦИЙ МАГИИ И ДУХОВНОСТИ Хотя многие аспекты магии самоисцеления уже были отмечены выше, и мне не раз пришлось повторяться, имеет смысл систематизировать и свести вместе моменты, связанные с обретением несокрушимого здоровья посредством

Из книги НЛО:Визитеры из вечности автора Комиссаров Виталий Сергеевич

Парадоксы древних знаний "…Bукоренившихся у нас взглядах на прошлое пращур неолита всегда представлялся в образе мохнатого детинушки, гоняющегося за мамонтом. Но неожиданные открытия посыпались одно за другим…" Кем были наши предки? На этот вопрос, казалось, давно был

Из книги Природа времени: Гипотеза о происхождении и физической сущности времени автора Бич Анатолий Макарович

3.3. Загадки и парадоксы времени Сомнения по поводу того, включать или не включать в настоящую работу этот раздел, не оставляли меня до последней минуты. С одной стороны, я хотел бы попытаться объяснить некоторые загадки времени и феномены парапсихологии, но с другой - это

Из книги Жизнь без границ. Нравственный закон автора

3.3.1. Физические парадоксы времени «Летом 1912 г. …газеты Великобритании описали загадочную историю, произошедшую в железнодорожном экспрессе, следовавшем из Лондона в Глазго. Свидетелями происшествия в одном из вагонов оказались двое незнакомых друг другу пассажиров -

Из книги Учение жизни автора Рерих Елена Ивановна

Из книги Книга 3. Пути. Дороги. Встречи автора Сидоров Георгий Алексеевич

Из книги Учение жизни автора Рерих Елена Ивановна

Из книги Искусство управления миром автора Виногродский Бронислав Брониславович

[Символ сокрытия Матерью Мира Своего Лика от мира] Напомню Вам, что Матерь Мира скрыла Свой Лик от человечества также и в силу космических причин. Ибо, когда Люцифер решил унизить женщину для захвата власти над человечеством, космические условия благоприятствовали такому

Из книги Жизнь без границ. Нравственный Закон автора Жикаренцев Владимир Васильевич

Управление состояниями Парадоксы сознания Как только возникает желание улучшить свое состояние, значит, произошло ухудшение. Как только собираешься совершенствовать себя, значит, обнаружил новые несовершенства.Намерение рождается там, где обнаруживается его

Из книги Как сны и почерк помогут исправить ошибки прошлого автора Энтис Джек

Управление состояниями Парадоксы великого Принципы развития сознания можно выразить устойчивыми определениями:Внутреннее состояние ясности в понимании совершенства может проявляться вовне как тьма непонимания.Внутреннее состояние продвижения по пути совершенного

Из книги Код бессмертия. Правда и мифы о вечной жизни автора Прокопенко Игорь Станиславович

Парадоксы русской жизни Законы и логика в России не работают, потому что главным законом в нашей стране является сердце, центр, где сходятся все противоположности. Сердце судит о мире, людях и явлениях, исходя из единства мира и вещей, поэтому для него нет законов,

Из книги автора

Глава 14 Сны, которые нас будят (Или сны-парадоксы) ВЕЩИЕ, или предсказательные, сны чаще всего мы отличаем по яркой раскраске и остроте ощущений. Но так же и по ПАРАДОКСАЛЬНОСТИ сюжета или образа…Вернёмся к нашей Алисе.Я вырву из контекста парадоксально связанные образы

Из книги автора

Глава 3. Парадоксы долголетия Летом 2013 года ученые сделали сенсационный прогноз: буквально через 10 лет средний срок жизни человека может увеличиться вдвое, а в более далекой перспективе есть возможность победить старение, а затем и смерть.Немецкие ученые из Кильского

Хотя серии элементов не содержат комбинаций движений с результирующим, положительным смещением меньше чем у водорода, 2–1–(-1), это не значит, что таких комбинаций не существует. Это означает, что они не обладают достаточным смещением скорости для формирования двух завершенных вращающихся систем и, соответственно, не обладают свойствами, характеризующими комбинации вращения, которые мы называем атомами. Эти менее сложные комбинации вращения можно определить как субатомные частицы . Как очевидно из вышесказанного, эти частицы не являются составляющими атомов , как они рассматриваются в современной научной мысли. Они являются структурами той же природы, что и атомы элементов, но их общее результирующее смещение ниже минимума, необходимого для формирования завершенной атомной структуры.

Термин “субатомный” относится к этим частицам согласно допущению, что эти частицы являются или могут быть строительными блоками, из которых строятся атомы. Наши открытия делают этот смысл устаревшим, но название приемлемо в смысле системы движений более низкой степени сложности, чем атомы. Поэтому в этой работе оно будет сохранено, но будет использоваться в модифицированном смысле. Термин “элементарная частица” следует отбросить. В смысле базовых единиц, из которых могут формироваться другие структуры, “элементарных” частиц не существует. Частица меньше и менее сложная, чем атом, но ни коей мере не элементарная. Элементарная единица – это единица движения.

Со времени публикации первого издания теоретические характеристики субатомных частиц, выведенные из постулатов СТОВ, изучались дополнительно. В результате произошло значительное увеличение объема информации, доступной в связи с этими объектами, включая теоретическое открытие некоторых частиц, более сложных, чем описанные в первом издании. Более того, сейчас мы может исследовать структуру и поведение космических субатомных частиц гораздо глубже (в последующих главах). Чтобы обеспечить представление увеличившегося объема информации, была разработана новая система представления распределения вращения по измерениям.

Конечно, это значит, что сейчас мы пользуемся одной системой для обозначения вращения элементов и другой системой для представления вращения той же природы, если имеем дело с частицами. На первый взгляд это может казаться ненужным усложнением. Но дело в следующем: поскольку мы хотим воспользоваться преимуществом удобства использования двойной единицы смещения, если имеем дело с элементами, в то время как должны пользоваться одной единицей, имея дело с частицами, мы вынуждены пользоваться двумя разными системами, похожи они или нет. По существу, именно отсутствие осознания этой разницы привело к путанице, которой сейчас нам бы хотелось избежать. Представляется, что пока для удобного пользования данными необходимы две разные системы обозначения, нам придется установить систему для частиц, которая будет лучше служить нашим целям и достаточно отличаться, чтобы избежать путаницы.

Как и в первом издании, новое обозначение, используемое в этом издании, будет указывать смещения в разных измерениях, и, как и раньше, выражать их в индивидуальных единицах, но будет показывать только действующие смещения и включать буквенные символы, предназначенные специально для обозначения основы вращения частицы. Из-за характеристик математических процессов, которыми мы будем пользоваться, имея дело с элементами, необходимо принимать во внимание исходную недействующую единицу вращения. В случае с субатомными частицами это не так. И поскольку атомным (двойным) обозначением нельзя пользоваться в любом событии, мы будем показывать только действующие смещения и предварять их буквами М или К для указания на то, является ли основа вращения комбинации материальной или космической. Это пойдет на пользу ясному указанию, что величины вращения в любом конкретном случае выражаются новым обозначением.

Изменение в символическом представлении вращений и другие модификации терминологии, которые мы делаем в этом издании, могут представлять трудности для тех, кто уже привык к способу представления в ранних трудах. Однако советуем воспользоваться любыми возможностями улучшения, которые могут быть осознаны на нынешней ранней стадии теоретического рассмотрения. С течением времени улучшения такой природы будут становиться менее подходящими, а существующие практики начнут сопротивляться изменению.

На новом основании основа материального вращения – М 0–0–0. К этой основе можно прибавить единицу положительного электрического смещения, создавая позитрон , М 0–0–1, или единицу отрицательного электрического смещения, в этом случае результатом будет электрон, М 0–0–(1). Электрон – уникальная частица. Это единственная структура, построенная на материальной основе, и, следовательно, устойчивая в локальной окружающей среде, которая обладает эффективным отрицательным смещением. Это возможно потому, что общим смещением вращения электрона является сумма исходной, положительной магнитной единицы, требуемая для нейтрализации негативного смещения фотона (не показанного в структурном изображении), и отрицательной электрической единицы. Как и в случае двумерного движения, магнитная единица является главным компонентом общего вращения, хотя ее числовая величина не больше, чем величина одномерного электрического вращения. Следовательно, электрон отвечает требованию, что результирующее общее вращение материальной частицы должно быть положительным.

Как уже говорилось, дополнительное движение с отрицательным смещением прибавляет большее пространство к существующей физической ситуации, какой бы она ни была. Следовательно, электрон является вращающейся единицей пространства. Позже мы увидим, что этот факт играет важную роль во многих физических процессах. Одним из мгновенных и очень заметных результатов является то, что в материальной окружающей среде изобилуют электроны, в то время как позитроны крайне редки. На основании соображений, относящихся к электрону, мы можем отнести позитрон к вращающейся единице времени. Как таковой, позитрон легко поглощается материальной системой комбинаций, составляющими которой являются преимущественно временные структуры; то есть, вращающиеся единицы с результирующим, положительным смещением (скорость = 1/t). В этих структурах возможности использования отрицательного смещения электронов крайне ограничены.

Если к основе вращения прибавляется магнитная единица, а не электрическая, результат можно выразить как М 1-0-0. Однако представляется, что обозначение М ½-½-0 предпочтительнее. Конечно, половинок единиц не существует, но единица двумерного вращения, очевидно, занимает оба измерения. Чтобы осознать этот факт, мы будем отводить каждому измерению половинку единицы. Обозначение ½-½ лучше выражает способ, которым эта система движений вступает в дальнейшие комбинации. По причинам, которые вскоре прояснятся, мы будем называть частицу М ½-½-0 безмассовым нейтроном.

На уровне единицы в одноединичной системе вращения магнитные и электрические единицы численно равны, то есть, 1 2 =1. Прибавление к комбинации движений М ½-½-0 единицы отрицательного электрического смещения - безмассового нейтрона, создает комбинацию с общим результирующим смещением равным нулю. Такая комбинация М ½-½-(1) может определяться как нейтрино .

В предыдущей главе свойство атомов материи, известное как атомный вес или масса, определялось как результирующее, положительное трехмерное смещение вращения (скорость) атомов. Это свойство будет детально обсуждаться в следующей главе, а сейчас заметим, что это же самое определение применяется и к субатомным частицам. То есть, эти частицы обладают массой в такой степени, в какой обладают результирующим, положительным смещением вращения в трех измерениях. До настоящего момента считалось, что ни одна из частиц не удовлетворяет этому требованию. Электрон и позитрон обладают результирующим вращением в одном измерении, безмассовый нейтрон – в двух. Нейтрино вообще не обладает никаким результирующим смещением. Отсюда, субатомные комбинации вращения определяются как безмассовые частицы .

Однако посредством комбинирования с другими движениями, смещение в одном или двух измерениях может достигать статуса компонента трехмерного смещения. Например, частица может обретать заряд – вид движения, который будет исследоваться позже. И когда это происходит, все смещение заряда и первичной частицы будет проявляться как масса. Или частица может комбинироваться с другими движениями так, что смещение безмассовой частицы становится компонентом трехмерного смещения структуры комбинации.

Прибавление единицы положительного, а не отрицательного, электрического смещения к безмассовому нейтрону будет создавать М ½-½-1, а результирующее общее смещение этой комбинации равно 2-м. Этого достаточно для формирования завершенной двойной вращающейся системы - атома. И бо льшая вероятность двойной структуры мешает любому существованию комбинации М ½-½-1, кроме моментального.

Те же соображения вероятности исключают двухединичную магнитную структуру М 1-1-0 и положительную производную М 1-1-1, которые обладают результирующими смещениями соответственно 2 и 3. Однако отрицательная производная М 1-1-(1), практически созданная путем прибавления нейтрино М ½-½-(1) к безмассовому нейтрону М ½-½-0, может существовать как частица, поскольку ее результирующее общее смещение представляет всего одну единицу, чего не достаточно для создания двойной структуры в обязательном порядке. Такую частицу можно определить как протон .

Здесь мы видим пример того, как сами по себе безмассовые частицы (поскольку не обладают трехмерным вращением) комбинируются для создания частицы с действующей массой. Безмассовый нейтрон вращается лишь в двух измерениях, в то время как нейтрино не обладает результирующим вращением. Но путем их сложения создается комбинация с действующим вращением во всех трех измерениях. В результате возникает протон М 1-1-(1), обладающий одной единицей массы.

На современной (скорее ранней) стадии развития теории невозможно точно оценить факторы вероятности и другие влияния, определяющие будет ли при данном наборе обстоятельств реально существовать теоретически уместная комбинация вращений или нет. Однако доступная сейчас информация указывает, что любая комбинация материального вида с результирующим смещением меньше 2-х способна существовать как частица в локальной окружающей среде. Ни одна из систем комбинаций, определенных в предыдущих параграфах, не наблюдается в реальной практике, и имеется большое сомнение в том, как их можно наблюдать иначе, чем с помощью косвенных процессов, позволяющих предполагать их существование. Например, нейтрино “наблюдается” лишь посредством продуктов определенных событий, в которых эта частица, предположительно, участвует. Электрон, позитрон и протон наблюдались только в заряженном, а не в незаряженном состоянии - базовом состоянии всех обсужденных до этого момента комбинаций вращения. Тем не менее, имеется достаточное основание утверждать, что все эти незаряженные структуры существуют на самом деле и играют значимые роли в физических процессах. Оно будет приведено позже по мере продолжения теоретического рассмотрения.

В предыдущих публикациях комбинация М ½-½-0 (1-1-0 в обозначении, использованном в них) определялась как нейтрон. Но было замечено, что в некоторых физических процессах, таких как неустойчивость (распад) космического луча, магнитное смещение, которое, как ожидалось, должно было испускаться в виде нейтронов, на самом деле передавалось в безмассовой форме. Поскольку наблюдаемый нейтрон является частицей с единицей атомного веса, в то время пришли к выводу, что в этих конкретных примерах нейтроны действуют как комбинации нейтрино и позитронов – безмассовых частиц. Исходя из этого, нейтрон играет двойную роль: в одних обстоятельствах он безмассовый, а в других – обладает единицей массы.

Дальнейшее исследование, фокусирующееся в основном на вторичной массе субатомных частиц, которое будет обсуждаться в главе 13, раскрыло, что наблюдаемый нейтрон не является одноединичным действующим магнитным вращением с результирующими смещениями М ½-½-0, а более сложной частицей с тем же результирующим смещением, и что одноединичное магнитное смещение безмассовое. Больше не нужно полагать, что одна и та же частица выступает двумя разными способами. Существуют две разные частицы.

Объяснение таково: новые открытия выявили существование структуры, промежуточной между индивидуальными вращающимися системами безмассовых частиц и целостными двойными системами атомов. В промежуточных структурах существует две вращающиеся системы, как в атомах элементов. Но лишь одна из них обладает результирующим действующим смещением. В такой системе вращение является вращением протона М 1-1-(1). Во второй системе имеется вращение типа нейтрино.

Безмассовые вращения второй системы могут быть либо вращениями материального нейтрино М ½-½-(1), либо космического нейтрино К ½-½-1. В случае вращения материального нейтрино комбинированные смещения представляют собой М ½-½-(2). Эта комбинация обладает массой одного изотопа водорода – структурой, идентичной структуре обычной массы двухатомного дейтерия М 2-2-(2) или М 2-1-(1) в атомном выражении, за исключением того, что ее магнитное смещение на одну единицу меньше, и, следовательно, масса тоже на одну единицу меньше. Если вращение космического нейтрино прибавляется к протону, комбинированные смещения будут М 2-2-0, та же результирующая сумма, что и у одноединичного магнитного вращения. Эту теоретическую частицу, сложный нейтрон , как мы будем ее называть, можно определить как наблюдаемый нейтрон.

Отождествление отдельных вращений структур промежуточного типа с вращениями нейтрино и протонов не следует интерпретировать так, что нейтрино и протоны как таковые реально существуют в комбинационных структурах. Например, на самом деле, это значит, что один из компонентов вращений, составляющих сложный нейтрон, обладает тем же видом вращения, что и нейтрон, составляющий протон, если последний существует отдельно.

Ввиду того, что результирующее общее смещение сложного нейтрона идентично результирующему общему смещению безмассового нейтрона, аспекты поведения частиц (свойства, как они называются), зависящие от результирующего общего смещения, одинаковы. Более того, идентичны и свойства, зависящие от общего магнитного смещения или общего электрического смещения. Но другие свойства, связанные со структурой частицы, у обоих нейтронов разные. Сложный нейтрон обладает действующей единицей трехмерного смещения в системе вращения с вращением по типу протона, следовательно, обладает одной единицей массы. Безмассовый нейтрон не обладает трехмерным смещением и, следовательно, не обладает массой.

| | | | | | | | | | | | |