Вы здесь

Мечта Эйнштейна. В поисках единой теории строения

Мечта Эйнштейна. В поисках единой теории строения

Мир частиц и полей


Итак, мы видели, какие трудности проявляются на макроскопическом уровне при создании единой теории строения Вселенной, и могли убедиться в том, что некоторые из этих трудностей связаны с микроскопической структурой Вселенной. В этой главе мы постараемся понять, откуда они берутся, что мешает включить микромир в единую теорию.

Начнём с частиц. Большинство читателей, вероятно, представляет себе элементарные частицы в виде крошечных биллиардных шаров, притом вращающихся вокруг своей оси, что соответствует понятию спина. Оказывается, однако, что такое представление не совсем верно. Из квантовой теории следует, что с элементарными частицами, например с электроном, связана волна; иными словами, если бы мы могли на них посмотреть, то увидели бы что-то вроде маленького размазанного облачка. Самое странное, что нам не удалось бы установить его точное положение, как бы мы ни старались; координаты частицы можно определить только приблизительно.

Одно время считалось, что электрон, протон и большинство других частиц элементарны, т.е. фундаментальны и не состоят из более простых частей. Но постепенно этих так называемых элементарных частиц набралось столько, что учёные стали задумываться, все ли они действительно элементарны. И вообще, что означает слово «элементарный»? Можно сказать, что частица действительно элементарна, если она не имеет более глубокой структуры, но даже при таком упрощённом и расплывчатом определении сразу же возникают трудности. Вернёмся ненадолго к электрону. Предположим, что он состоит из более фундаментальных частиц, но тут же возникает вопрос, а из чего состоят они? Ответив на него, придётся решать, что внутри частиц следующего уровня, и так до бесконечности. Где-то этому процессу нужно положить конец. Можно, например, рассматривать как элементарную такую частицу, которая не имеет размеров и, следовательно, структуры, т.е. является по сути точечной. Ясно, что у не имеющей размеров точки не может быть внутренней структуры. Принято считать, что электрон – точечная частица; ни один эксперимент пока не позволил зафиксировать линейные размеры электрона.

С протоном дело обстоит иначе. Из экспериментов следует, что он имеет радиус порядка 10-13 см и, по-видимому, обладает внутренней структурой. В 1968 году на линейном ускорителе в Станфорде протоны подвергались бомбардировке высокоэнергетичными электронами. Из экспериментов следовало, что заряд распределён в протоне неоднородно, так, как будто внутри есть крошечные субчастицы. Сейчас их называют кварками. Принято считать, что семейство кварков и семейство электрона (вместе они носят название лептонов) являются действительно элементарными частицами.

А д р о н ы:

Барионы(тяжёлые частицы:p, n)

Мезоны(частицы промежуточной массы)

(Барионы и мезоны состоят из кварков)

Л е п т о н ы:

(лёгкие частицы: e-, ?, ?)

(Каждому типу лептонов соответствует частица, которая называется нейтрино и, как считают, не имеет массы)

Фундаментальные частицы: e- – электрон, p – протон, n – нейтрон, ? – мюон, ? – тау-частица

Раньше мы видели, что помимо электрона есть ещё два других лептона – мюон и тау-частица; с каждым из них связано соответствующее нейтрино. Протон же относится к адронам, которые, в свою очередь, делятся на барионы и мезоны. Частицы этих семейств не элементарны; они состоят из кварков.

Все перечисленные частицы взаимодействуют друг с другом посредством полей. В предыдущей главе шла речь об электрическом и магнитном полях и о том, как Максвелл показал, что вместе они образуют электромагнитное поле. Но что конкретно имеется в виду под словом «поле»? В самом простом виде – это некая величина, определённая в каждой точке пространства и времени. Это, по сути, удобный способ описания переноса сил между частицами (или вообще между любыми объектами).

Простейший тип поля – скалярное поле, в котором каждой точке пространства соответствует лишь один параметр. Хороший пример поля такого типа – область с определённой в каждой точке температурой (отметим, что это не силовое поле). Несколько сложнее векторное поле; для него в каждой точке определяется не только его интенсивность, но и направление силовых линий.

Взаимодействие двух частиц, проходящих на небольшом расстоянии друг от друга (верхний рисунок), и упрощённое представление взаимодействия, изображённого выше (нижний рисунок). Дуги соответствуют электрическому полю

Долгое время считалось, что электромагнитные взаимодействия можно представлять в виде дальнодействующих сил. Электрон, например, проходя мимо другого электрона, «ощущает» его электрическое поле и отклоняется им. Теперь это называется классическим подходом. Подход квантовой теории поля иной – считается, что взаимодействие осуществляется через частицы-переносчики. В случае электромагнитного поля такой частицей является фотон. Проходя на небольшом расстоянии друг от друга, электроны обмениваются фотонами, и этот обмен вызывает их отклонение. Аналогично, между протоном и нейтроном, проходящими на очень небольших расстояниях друг от друга, возникает очень сильное взаимодействие. В этом случае частица-переносчик не та, что в случае двух электронов.

Короче говоря, в природе имеются две фундаментальные сущности – частицы и поля – и нас интересует, как они взаимодействуют. Именно этому посвящена квантовая теория поля. Первая попытка рассмотреть взаимодействия с квантовой точки зрения была предпринята вскоре после создания (в 1926 году) квантовой механики. И тут же возникли трудности – в теории 1926 года можно было квантовать частицы, но не поля.

Страницы


В нашей электронной онлайн библиотеке вы можете бесплатно и без регистрации прочитать «Мечта Эйнштейна. В поисках единой теории строения» автора Паркер Барри на телефоне, андроиде, айфоне, айпаде. Сейчас вы находитесь в разделе „Глава 9Мир частиц и полей“ на странице 1. Приятного чтения.