شیر آکادمیک در مورد جرم. لو اوکون

سالگرد آکادمی Lev Borisovich Okun

آکادمیک

اوکون لو بوریسوویچ

در سال 1953 از موسسه فیزیک مهندسی مسکو فارغ التحصیل شد. کلیه فعالیت های علمی L.B. اوکونیا با مؤسسه فیزیک نظری و تجربی پیوند ناگسستنی دارد، جایی که در سال 1954 به عنوان دانشجوی کارشناسی ارشد به آنجا آمد، بیش از 30 سال ریاست آزمایشگاه نظری را بر عهده داشت و تا به امروز به عنوان محقق ارشد به کار خود ادامه می دهد.

عضو مسئول از 1966، آکادمیک از 1990 - گروه علوم فیزیکی.

L. B. Okun دانشمند مشهور جهان است. متخصص در نظریه ذرات بنیادی.

علایق علمی Lev Borisovich تقریباً کل فیزیک ذرات بنیادی را در بر می گیرد.

تعاملات ضعیف یکی از موضوعات تحقیقاتی لو بوریسوویچ از همان آغاز فعالیت علمی او بوده است. قبلاً در کارهای اولیه در سال 1957 (که به طور مشترک با B.L. Ioffe و A.P. Rudik انجام شد)، این نتیجه اساسی حاصل شد که نقض برابری P در $\beta$-decays نیز به معنای نقض برابری C است. در همان سال به همراه ب.م. Pontecorvo تفاوت بین جرم های $K_L$- و $K_S$-مزون ها را تخمین زد.

در اوایل دهه هفتاد، در چارچوب نظریه چهار فرمیون، در کار مشترک خود با V.N. گریبوف، A.D. Dolgov و V.I. زاخاروف رفتار فعل و انفعالات ضعیف در انرژی های مجانبی بالا را مطالعه می کند. نظریه گیج جدید برهمکنش های الکتروضعیف در لپتون ها و کوارک ها که در سال 1981 منتشر شد، توضیح داده شد.

در دهه 90، مجموعه‌ای از کارها طرح جدیدی را برای در نظر گرفتن اصلاحات تابشی حلقه برای مشاهده‌های ضعیف الکتریسیته، به ویژه احتمال فروپاشی بوزون $Z$ پیشنهاد کردند و نتایج اندازه‌گیری‌های دقیق در LEP I، LEP II را تحلیل کردند. ، شتاب دهنده های Tevatron و SLC (نویسندگان همکار M.I. Vysotsky، V.A. Novikov، A.N.

یکی دیگر از زمینه های مورد علاقه L.B. Okun تعاملات قوی است. برخی از نتایج به دست آمده در اینجا نیز کلاسیک شده اند. در مقاله ای در سال 1956، قضیه معروف Okun-Pomeranchuk در مورد برابری مقاطع برای برهمکنش ذرات از یک هم چندگانه در انرژی های مجانبی بالا اثبات شد. در سال 1958، یک مدل ترکیبی از هادرون‌ها پیشنهاد شد که در آن وجود مزون‌های $\eta$- و $\eta^\prime$-mesons پیش‌بینی شده بود (اصطلاح "هادرون" توسط L.B. Okun به فیزیک معرفی شد). در پایان دهه هفتاد، قوانینی برای مبالغ QCD برای charmonium پیشنهاد شد (به همراه A.I. Vainshtein، M.B. Voloshin، V.I. Zakharov، V.A. Novikov و M.A. Shifman) و نقد معروف "Charmonium" و کوارک ها نوشته شد" (1977).

پوند. اوکون بنیانگذار یک مکتب علمی قدرتمند است. او 20 نامزد و دکترای علوم تربیت کرد.

او یکی از سازمان دهندگان بنیاد بین المللی علوم (بنیاد سوروس) و انجمن بین المللی حمایت و همکاری با دانشمندان CIS (INTAS) بود.

در سال 1981 - 1986. پوند. اوکون عضو کمیته سیاست علمی سرن بود و از سال 1992 عضو شورای علمی DESI بود.

پوند. اوکون برنده جایزه Mateuci آکادمی ایتالیا XL (1988)، جایزه لی پیج (ایالات متحده آمریکا، 1989)، جایزه Karpinsky (آلمان، 1990) شد.

جایزه هومبولت (آلمان، 1993)، جایزه برونو پونتکوروو (دوبنا، 1996)، مدال طلای لاندو (2004)، جایزه پومرانچوک (2008).

زیر بخش ها

من در سال چهارم دیرتر از سایر دانش‌آموزان وارد گروه نظری ITEP شدم. در سال 1970 بود. برای شرکت در امتحان ولادیمیر بوریسوویچ برستتسکی آمدم و لو بوروسویچ اوکون و میخائیل ساموئیلوویچ مارینوف مرا با او معاینه کردند. اولین بار لو بوروسویچ را اینگونه دیدم. پس از امتحان، LB من را به کناری برد و گفت که باید به سمینارهای جمعه بروم: اوکون گفت: "در ابتدا چیزی نمی فهمی، اما به تدریج به کلمات و اصطلاحات عادت کن، چیزی در سرت می ماند. درک فوراً به دست نخواهد آمد، اما او قطعاً خواهد آمد.»

از این سمینار، که همیشه LB در مرکز آن بود، سفر من به فیزیک با انرژی بالا آغاز شد. ویژگی بارز LB که او را از بسیاری متمایز می کرد احترام او به هر موضوع جدیدی بود که در افق مطرح می شد. آثار جدید در سمینار اوکونف به طور جدی و عمیق مورد بحث قرار گرفت، گاهی اوقات تا حد خستگی کامل مخاطب.

حتی برای نظریه های پیچیده، اوکون دوست داشت تصاویر فیزیکی ساده بسازد. این درس برای فیزیکدانان مبتدی بسیار مهم است: بدون درک کیفی این پدیده، یک نظریه فیزیکی کافی نمی تواند ایجاد شود. الان هم همین را به شاگردانم یاد می دهم. به یاد دارم که اینگونه بود که تئوری "تجزیه خلاء کاذب" ایجاد شد که LB با میخائیل ولوشین و ایگور کوبزارف روی آن کار کردند. اکنون این نظریه در کتاب های درسی فیزیک انرژی بالا ارائه شده است.

من در مجموع نوزده سال را در بخش نظری ITEP گذراندم. همانطور که اکنون متوجه شدم، یکی از بهترین بخش های نظری در جهان بود. موتور بخش نظری، قلب آن، بدون شک اوکون بود. او نه تنها توسط همکارانش در بخش نظری، بلکه همچنین توسط ریاست ITEP مورد احترام بی پایان بود. توصیه های او مورد توجه قرار گرفت. آنها به ویژه برای نظریه پردازان مبتدی مهم بودند. اغلب، بدون دخالت اوکون، آنها (نظریه پردازان تازه کار) در مشکلات روزمره آن زمان غرق می شدند. در اینجا شاید فقط به نظریه‌پرداز مشهور جهان، اوگنی بوگومولنی اشاره کنم. او اصالتا اهل اودسا است. رویه «ثبت نام» که در آن زمان وجود داشت، هیچ شانسی برای شغلی برای او باقی نمی گذاشت. Lev Borisovich به او کمک کرد... و اکنون نظریه پردازان جهان از BPS، ساخت بوگومولنی-پراساد-سامرفیلد بارها، هم در تئوری میدان و هم در نظریه ریسمان استفاده می کنند. این اثر ژنیا یکی از پراستنادترین آثار شوروی است.

اوکون بی نهایت فیزیک را دوست داشت و معتقد بود که هیچ چیز مهم‌تری وجود ندارد، انجام آن اولیه است و هر چیز دیگری فرعی است. یک بار، در دوران تاریک رکود برژنف، زمانی که مشکلاتی داشتم، اوکون مرا به دفتر خود فراخواند و گفت: "می دانم که اکنون بسیار ناراحت هستید، سعی کنید توجه نکنید، روی کاری که انجام می دهید تمرکز کنید. ” خوب - در فیزیک. همه چیزهای بد از بین می‌روند و فراموش می‌شوند، اما این کلاس‌های ما، بحث‌ها و نظریه‌های ما، سمینارها و استدلال‌های ما تا زمانی که خشن شویم - همه اینها برای همیشه باقی می‌مانند...»

زمانی که در سال ششم روی دیپلم کار می کردم، لو بوریسوویچ سرپرست من بود. او مرا به دانشگاه نبرد. همانطور که اکنون می فهمم، در آن زمان بیش از حد افسرده و ترسو به نظر می رسیدم. بنابراین استاد راهنما پایان نامه من بوریس لازارویچ آیوف بود. اما موضوع پایان نامه او - پوسیدگی های ضعیف با تغییر در رایحه - به اوکون نزدیک بود و در چندین مورد مشخص شد که ما از نویسندگان مشترک هستیم. برای من، پسری بی ریش، مثل همه کارمندان دیگر، اوکون من را با نام کوچک و نام خانوادگی ام خطاب کرد. آنها می گویند که این سنت توسط پومرانچوک، که ناظر علمی اوکون در اوایل دهه 1950 بود، آغاز شد. البته الان چیزی از این و همچنین کل گروه تئوری باقی نمانده است.

این چیزی است که کارکنان بخش تئوری روز گذشته در رابطه با مرگ اوکون نوشتند:

"لو بوریسوویچ درگذشت ...

دانشمندی بی‌نظیر، بی‌نظیر، که نمی‌توان سهمش را در علم دست‌کم گرفت. او خیلی وقت پیش به مؤسسه آمد. و بلافاصله هسته او شد، سیمان، تبدیل به وجدان او شد. دوره ها، رهبران، مدیران تغییر کردند و موسسه به عنوان یک ارگانیسم واحد زندگی می کرد که با اهداف مشترک و فضای علمی منحصر به فرد متحد شده بود. لو بوریسوویچ معلم ما بود. او نه تنها فیزیک را به ما یاد داد، بلکه به ما آموخت که در همه چیز صادق باشیم و وجدان داشته باشیم. باهوش و ظریف هیچ وقت صدایش را بلند نمی کرد و خیلی آرام صحبت می کرد. و همه یخ زدند و گوش دادند. چون همیشه حرف اصلی را می زد. اصل اصل. در حضور او دروغ گفتن، نه در علم و نه در روابط انسانی غیرممکن بود. او برای همه ما یک مرجع مطلق بود. و تا زمانی که او زنده و سالم بود، مؤسسه ما علیرغم مشکلات و بلایای اجتناب ناپذیر زندگی و شکوفا شد. جانش را داد و به دست ما سپرد. و سپس به شدت بیمار شد. و همراه با او، موسسه ما به طور ناامید کننده ای بیمار شد و شروع به مرگ کرد. افراد جدیدی ظاهر شده اند. مؤسسه به «سکو» تبدیل شد و فضای علمی جای خود را به «مصلحت» داد. یک "شورای آکادمیک" دست نشانده ظاهر شد و دانشمندان ناخواسته شروع به اخراج از موسسه کردند. همکاران سابق شروع به پنهان کردن گاز از یکدیگر کردند و عبارت "خب، چه کنیم؟" وجدان رفته، فقط سازش باقی مانده است.

امروز دو برابر بیشتر درد دارد. لو بوریسوویچ رفت. اما ما نتوانستیم موسسه را نجات دهیم.

ما را ببخش، لو بوریسوویچ."

لو بوریسوویچ اوکون رفت، دورانی به پایان رسید...

مطالب مقدمه چاپ سوم. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . پیشگفتار چاپ دوم. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . پیشگفتار چاپ اول. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ورق تقلب: ذرات و فعل و انفعالات. . . . . . . . . . . . . . . . . . ذرات اساسی: الکترون، پروتون، نوترون، فوتون. . . . . . . جرم، انرژی، تکانه، تکانه زاویه ای در مکانیک نیوتنی جرم، انرژی و تکانه در مکانیک اینشتینی. . . . . . . . . . نیروها و میدان ها. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . پدیده های کوانتومی . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . واکنش های اتمی و هسته ای . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . تعاملات ضعیف و قوی. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . فیزیک انرژی بالا . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . شتاب دهنده ها . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ضد ذرات . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . هادرون ها و کوارک ها . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ذرات مسحور شده . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . حبس کوارک. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . گلوئون ها رنگ. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . لپتون ها . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . نسل های لپتون و کوارک. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . تجزیه لپتون ها و کوارک ها. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ذرات مجازی . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . جریان ها . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . تقارن های C -، P -، T. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . جریان های خنثی . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . بوزون های W و Z پیش بینی شده . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . کشف بوزون های W - و Z - . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . فیزیک در برخورد دهنده ها پس از Z. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . "فیزیک خاموش" و اتحاد بزرگ. . . . . . . . . . . . . . . . . . سوپریونیون؟ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . کیهان شناسی و اخترفیزیک. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . یک کلمه تحسین برانگیز برای فیزیک انرژی بالا. . . . . . . . . . . . . . . 20 سال بعد . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . کتابشناسی - فهرست کتب. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . نمایه موضوعی . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4 4 5 8 9 12 15 20 23 27 29 33 34 37 40 43 44 47 52 53 55 61 66 71 78 80 85 93 97 104 106 209 THE DI 1 انتشار در روزهایی منتشر می شود که پرتاب هادرون بزرگ در CERN در نزدیکی ژنو اتفاق می افتد. این رویداد توجه گسترده ای را به خود جلب می کند و پوشش رسانه ای پر جنب و جوشی دریافت می کند. شاید این کتاب به خواننده کمک کند تا بفهمد که برخورد دهنده بزرگ هادرونی چرا ساخته شده است و به چه سوالاتی باید پاسخ دهد. برخی از اشتباهات تایپی در این نسخه اصلاح شده است. من از M. N. Andreeva، E. S. Artobolevskaya و E. A. Ilyina برای کمک آنها در تهیه نسخه های دوم و سوم برای چاپ عمیقا سپاسگزارم. مسکو نوامبر 2008 مقدمه برای ویرایش دوم متن اصلی کتاب فقط به اصلاحات «زیبایی» نیاز داشت. مهمترین تحولات بیست سال اخیر در فیزیک، اخترفیزیک و کیهان شناسی در بخش اضافی "20 سال بعد" خلاصه شده است. هر چیزی که 20 سال پیش در فیزیک به نظر می رسید امروز نیز صادق است. از یک طرف، این با این واقعیت توضیح داده می شود که پایه و اساس فیزیک قرن بیستم به درستی ساخته شده است. از سوی دیگر، کاهش بودجه در پایان قرن باعث مرگ پروژه‌های شتاب‌دهنده حیاتی شد و در نتیجه از آزمایش برخی از فرضیه‌های اساسی مورد بحث در کتاب جلوگیری کرد. اول از همه، این به کشف (یا "بستن") بوزون های هیگز مربوط می شود. این مشکل عمده حل نشده به نسل جدیدی از فیزیکدانان منتقل شده است که ممکن است از این کتاب بهره ببرند. اگر بشریت به طور کلی، و سیاستمداران به طور خاص، ذره ای از عقل سلیم را حفظ کنند، آزمایش های تعیین کننده در فیزیک در ثلث اول قرن جدید حرف خود را خواهند زد. مسکو اکتبر 2005 به یاد اسحاق یاکولوویچ پومرانچوک مقدمه چاپ اول این کتاب به فیزیک ذرات بنیادی، نیروهایی که بین آنها اعمال می شود، اختصاص دارد. ابتدا چند کلمه در مورد عنوان کتاب. تحقیقات مدرن در مورد نیروهای بنیادی بین ذرات در سال 1896 با کشف رادیواکتیویته و مطالعه بعدی پرتوهای α-، β- و γ آغاز شد. تکمیل یک دوره طولانی تحقیقات، کشف مورد انتظار و در عین حال پر شور در سال 1983 بود. بوزون های W - و Z - از این رو عنوان کتاب: αβγ. . . Z. اما این کتاب در مورد تاریخ فیزیک نیست، بلکه در مورد وضعیت فعلی و چشم انداز آن است. به هر حال، کشف بوزون‌های W و Z در عین حال آغاز مرحله امیدوارکننده جدیدی است. فیزیک یک الفبا نیست و توسعه آن به Z ختم نمی شود. به یک معنا، نام αβγ است. . . Z نشان می دهد که کتاب، به اصطلاح، یک آغازگر است، مقدمه ای بر مبانی فیزیک بنیادی مدرن. این کتاب بر اساس سخنرانی های علوم عامه پسند است که هر از چند گاهی برای افرادی که از فیزیک ذرات بنیادی دور بودند و گاهی اوقات از فیزیک به طور کلی دور بودند، می خواندم. آخرین مورد از این سخنرانی ها در تابستان 1983، بلافاصله پس از کشف بوزون Z برگزار شد. با تعمق در سؤالات مطرح شده در طول سخنرانی، طرح این کتاب را شرح دادم. سعی کردم کتاب را طوری بنویسم که برای فردی که از دبیرستان فارغ التحصیل شده یا در حال فارغ التحصیلی است و علاقه فعالی به فیزیک دارد قابل درک باشد. من روی این واقعیت حساب می کردم که خواننده آینده ام کم و بیش به طور منظم به شماره های بعدی مجله کوانتوم نگاه می کند و حداقل برخی از کتاب های مجموعه کتابخانه کوانتوم را قبلاً خوانده است. (توجه داشته باشید که نقاشی روی جلد این کتاب شامل تصویری نمادین از پرتوهای α-، β- و γ از روی جلد اولین کتابی است که این مجموعه را افتتاح کرد، کتاب M. P. Bronstein "اتم ها و الکترون ها.") خطر اصلی. اینکه در کمین من در هر صفحه، میل غیرارادی برای آگاه کردن خواننده نه تنها از مهمترین چیزها، بلکه از جزئیات مختلف جزئی بود که چنین لذتی را برای متخصصان و مبتدیان را آزار می دهد. می ترسم در برخی موارد متن را به اندازه کافی «علف هرز» نکردم و در برخی موارد زیاده روی کردم. من خودم علاقه مند به انتخاب مهم ترین اطلاعات بودم و بی رحمانه هر چیزی را که اهمیت کمتری داشت کنار می گذاشتم. در ابتدا می خواستم خودم را به حداقل اصطلاحات و مفاهیم محدود کنم. اما وقتی کتاب را نوشتم، مشخص شد که بدون برخی اصطلاحات، که در ابتدا امیدوار بودم بدون آنها عمل کنم، توضیح ماهیت برخی پدیده ها غیرممکن است. بنابراین کتاب در پایان پیچیده تر می شود. به هر حال، یکی از مشکلات اصلی در هنگام آشنایی با یک رشته جدید علم، فراوانی اصطلاحات جدید است. برای کمک به خواننده، پس از مقدمه، یک "برگ تقلب" وجود دارد - خلاصه ای از مفاهیم اساسی فیزیک ذرات ابتدایی. فیزیک ذرات اغلب فیزیک انرژی بالا نامیده می شود. فرآیندهایی که فیزیک با انرژی بالا مطالعه می کند در نگاه اول بسیار غیرعادی هستند. در عین حال، اگر در مورد آن فکر کنید، معلوم می شود که از بسیاری جهات، این فرآیندها با یک پدیده معمولی مانند، مثلاً سوزاندن چوب، نه از نظر کیفی، بلکه فقط از نظر کمی - در میزان آزاد شدن انرژی متفاوت است. بنابراین، من کتاب را با اصول اولیه و به ویژه با بحث کوتاهی درباره مفاهیم به ظاهر شناخته شده ای مانند جرم، انرژی و تکانه آغاز می کنم. مدیریت صحیح آنها به خواننده کمک می کند تا صفحات بعدی کتاب را درک کند. مفهوم کلیدی تمام فیزیک بنیادی مفهوم میدان است. من بحث خود را با مثال‌های مدرسه‌ای معروف شروع می‌کنم و به تدریج خواننده را با انبوهی از خواص شگفت‌انگیز که میدان‌های کوانتیزه دارند آشنا می‌کنم. سعی کردم آنچه را که کم و بیش ساده می توان توضیح داد به زبان ساده تر توضیح دهم. اما باید تاکید کنم که همه چیز در فیزیک مدرن را نمی توان به سادگی توضیح داد و برای درک تعدادی از مسائل، کار عمیق بیشتر توسط خواننده روی کتاب های پیچیده تر دیگر ضروری است. متن مقدماتی کتاب در اکتبر 1983 تکمیل شد. این کتاب توسط L. G. Aslamazov، Ya B. Zeldovich، V. I. Kisin، A. V. Kogan، V. I. Kogan، A. B. Migdal، B. L. Okun و Y. A. Smorodinsky خوانده شد. آنها نظرات بسیار مفیدی ارائه کردند که به من امکان داد متن اصلی را ساده کنم و تعدادی از قسمت های نسبتاً دشوار را حذف کنم و تعدادی دیگر را با جزئیات بیشتر توضیح دهم. از این بابت عمیقا از آنها سپاسگزارم. من از E. G. Gulyaeva و I. A. Terekhova به خاطر کمک آنها در تهیه نسخه خطی سپاسگزارم. من از کارلو روبیا برای اجازه تکثیر در نقاشی های کتاب اینستالیشن که در آن بوزون های میانی کشف شده اند سپاسگزارم. با صمیمیت و تشکر ویژه، می خواهم در اینجا در مورد معلمم بگویم - آکادمیسین ایزاک یاکولوویچ پومرانچوک، که مرا با دنیای ذرات بنیادی آشنا کرد و حرفه ام را به من آموخت. I. Ya. کار او در تعدادی از زمینه های فیزیک نقش اساسی داشت: در تئوری دی الکتریک ها و فلزات، در نظریه مایعات کوانتومی، در تئوری شتاب دهنده ها، در نظریه راکتورهای هسته ای، در نظریه ذرات بنیادی. تصویر او تصویر مردی متعصبانه و فداکارانه به علم است، مردی که خستگی ناپذیر کار می کرد، با علاقه شدید به هر چیز جدید، بی رحمانه منتقد و خودانتقادگر، که از صمیم قلب از موفقیت دیگران خوشحال بود - این تصویر در یاد همه کسانی که او را می شناختند این کتاب را به یاد مبارک اسحاق یاکولویچ پومرانچوک تقدیم می کنم. مسکو سپتامبر 1984 ورق چیت: ذرات و برهمکنش‌ها اتم‌ها از الکترون‌های e تشکیل شده‌اند که پوسته‌ها و هسته‌ها را تشکیل می‌دهند. هسته از پروتون p و نوترون n تشکیل شده است. پروتون ها و نوترون ها از دو نوع کوارک u و d تشکیل شده اند: p = uud، n = ddu. یک نوترون آزاد تحت واپاشی بتا قرار می گیرد: n → pe νe، جایی که νe یک پادنوترینوی الکترونی است. واپاشی نوترون بر اساس فروپاشی کوارک d است: d → ue νe. جاذبه الکترون به هسته نمونه ای از برهمکنش الکترومغناطیسی است. جاذبه متقابل کوارک ها نمونه ای از تعامل قوی است. فروپاشی بتا نمونه ای از تعامل ضعیف است. علاوه بر این سه برهمکنش اساسی، چهارمین برهمکنش اساسی در طبیعت نقش مهمی ایفا می کند - برهمکنش گرانشی که همه ذرات را به سمت یکدیگر جذب می کند. فعل و انفعالات اساسی توسط میدان های نیروی مربوطه توصیف می شوند. برانگیختگی این میدان ها ذراتی هستند که بوزون های بنیادی نامیده می شوند. میدان الکترومغناطیسی مربوط به فوتون γ، میدان قوی مربوط به هشت گلوئون، میدان ضعیف مربوط به سه بوزون میانی W +، W −، Z 0، و میدان گرانشی مربوط به گراویتون است. بیشتر ذرات دارای همتایان هستند - پادذراتی که جرم های یکسانی دارند، اما بارهایی با علامت مخالف (مثلاً الکتریکی، ضعیف) دارند. ذراتی که منطبق با پادذرات خود هستند، یعنی هیچ باری ندارند، مانند فوتون، واقعا خنثی نامیده می شوند. همراه با e و νe، دو جفت دیگر از ذرات مشابه آنها شناخته شده است: μ، νμ و τ، ντ. همه آنها لپتون نامیده می شوند. همراه با کوارک های u- و d، دو جفت کوارک پرجرم تر نیز شناخته شده اند: c، s و t، b. لپتون ها و کوارک ها فرمیون های بنیادی نامیده می شوند. ذرات متشکل از سه کوارک باریون و ذرات متشکل از کوارک و آنتی کوارک مزون نامیده می شوند. باریون ها و مزون ها خانواده ای از ذرات با تعامل قوی - هادرون ها را تشکیل می دهند. ذرات اولیه: الکترون، پروتون، نوترون، فوتون فیزیک ذرات کوچکترین ذرات را مطالعه می کند که دنیای اطراف ما و خودمان از آنها ساخته شده است. هدف از این مطالعه تعیین ساختار درونی این ذرات، بررسی فرآیندهایی است که در آن شرکت می کنند و قوانین حاکم بر روند این فرآیندها را تعیین می کند. اصلی‌ترین (اما نه تنها!) روش تجربی فیزیک ذرات، انجام آزمایش‌هایی است که در آن پرتوهای ذرات پرانرژی با اهداف ثابت یا با یکدیگر برخورد می‌کنند. هر چه انرژی برخورد بیشتر باشد، فرآیندهای برهمکنش بین ذرات غنی‌تر می‌شود و بیشتر می‌توانیم درباره آنها بیاموزیم. به همین دلیل است که امروزه فیزیک ذرات و فیزیک پرانرژی تقریباً مترادف هستند. اما ما آشنایی خود را با ذرات نه با برخورد با انرژی بالا، بلکه با اتم های معمولی آغاز خواهیم کرد. به خوبی شناخته شده است که ماده از اتم تشکیل شده است و اتم ها دارای اندازه هایی در حدود 10-8 سانتی متر هستند. با این حال، تقریبا تمام جرم یک اتم در هسته آن متمرکز است. هسته سبک ترین اتم هیدروژن دارای یک پروتون و پوسته دارای یک الکترون است. (یک گرم هیدروژن حاوی 6 × 1023 اتم است. بنابراین، جرم پروتون تقریباً 1.7 × 10-24 گرم است. جرم یک الکترون تقریباً 2000 برابر کمتر است.) هسته اتم های سنگین تر نه تنها حاوی پروتون، بلکه همچنین نوترون ها یک الکترون با حرف e، یک پروتون با حرف p و یک نوترون با حرف n نشان داده می شود. در هر اتمی تعداد پروتون ها برابر با تعداد الکترون هاست. یک پروتون دارای بار الکتریکی مثبت، یک الکترون دارای بار منفی، و اتم به عنوان یک کل از نظر الکتریکی خنثی است. اتم هایی که هسته آنها دارای تعداد پروتون یکسان است، اما در تعداد نوترون ها متفاوت است، ایزوتوپ های 10 ذره پایه داده شده نامیده می شوند: الکترون، پروتون، نوترون، فوتون یک عنصر شیمیایی. به عنوان مثال، همراه با هیدروژن معمولی، ایزوتوپ های سنگین هیدروژن - دوتریوم و تریتیوم وجود دارد که هسته های آنها به ترتیب حاوی یک و دو نوترون هستند. این ایزوتوپ ها به ترتیب 1 H، 2 H، 3 H تعیین می شوند. (توجه داشته باشید که هسته دوتریوم را دوترون و هسته تریتیوم را تریتون می نامند. ما دوترون را D می نامیم؛ گاهی اوقات به صورت d نوشته می شود.) هیدروژن معمولی 1 H فراوان ترین عنصر در جهان است. جایگاه دوم را ایزوتوپ هلیوم 4 He اشغال کرده است که لایه الکترونی آن شامل دو الکترون و هسته شامل دو پروتون و دو نوترون است. از زمان کشف رادیواکتیویته، هسته ایزوتوپ 4 He نام ویژه ای دریافت کرد: α-ذره. ایزوتوپ هلیوم کمتر رایج 3He است که دو پروتون و فقط یک نوترون در هسته خود دارد. شعاع پروتون و نوترون تقریباً با یکدیگر برابر است، آنها در حدود 10-13 سانتی متر هستند. نوترون ها و پروتون ها در هسته های اتمی کاملاً متراکم هستند، به طوری که حجم هسته تقریباً برابر با مجموع حجم نوکلئون های تشکیل دهنده آن است. (اصطلاح "نوکلئون" به یک اندازه به معنای پروتون و نوترون است و در مواردی استفاده می شود که تفاوت بین این ذرات ناچیز باشد. کلمه "نوکلئون" از کلمه لاتین هسته - هسته گرفته شده است. هنوز قابل اندازه گیری نیست تنها مشخص است که شعاع یک الکترون مطمئناً کمتر از 10-16 سانتی متر است، بنابراین، الکترون ها معمولاً به عنوان ذرات نقطه ای صحبت می شوند. گاهی الکترون های موجود در اتم ها را با سیارات منظومه شمسی مقایسه می کنند. این مقایسه از چند جهت بسیار نادرست است. اولاً حرکت الکترون از نظر کیفی با حرکت سیاره متفاوت است به این معنا که عوامل تعیین کننده الکترون قوانین مکانیک کلاسیک نیستند، بلکه قوانین مکانیک کوانتومی هستند که در ادامه به آن خواهیم پرداخت. در حال حاضر، اجازه دهید توجه داشته باشیم که در نتیجه ماهیت کوانتومی الکترون، "در عکاسی آنی" از یک اتم، الکترون با احتمال قابل توجهی می تواند در هر لحظه در هر نقطه از مدارش و حتی "عکاسی" شود. در خارج از آن، در حالی که موقعیت سیاره در مدار خود، طبق قوانین مکانیک کلاسیک، به طور واضح و با دقت زیادی محاسبه می شود. Es- ذرات اساسی: الکترون، پروتون، نوترون، فوتون 11 اگر سیاره را با یک تراموا که روی ریل حرکت می کند مقایسه کنیم، الکترون شبیه یک تاکسی خواهد بود. در اینجا مناسب است به تعدادی از تفاوت های صرفا کمی اشاره کنیم که شباهت بین الکترون های اتمی و سیارات را از بین می برد. برای مثال، نسبت شعاع مدار الکترون یک اتم به شعاع الکترون بسیار بیشتر از نسبت شعاع مدار زمین به شعاع خود زمین است. یک الکترون در اتم هیدروژن با سرعتی برابر با یک صدم سرعت نور ∗ حرکت می کند و می تواند حدود 1016 دور را در یک ثانیه انجام دهد. این حدود یک میلیون برابر بیشتر از تعداد چرخشی است که زمین در تمام مدت وجود خود به دور خورشید انجام داده است. الکترون‌ها در لایه‌های داخلی اتم‌های سنگین حتی سریع‌تر حرکت می‌کنند: سرعت آنها به دو سوم سرعت نور می‌رسد. سرعت نور در خلاء معمولا با حرف c نشان داده می شود. این ثابت فیزیکی اساسی با دقت بسیار بالایی اندازه گیری شده است: c = 2.997 924 58 (1.2) 108 m/s ∗∗). تقریباً: c ≈ 300000 کیلومتر بر ثانیه. پس از صحبت در مورد سرعت نور، طبیعی است که در مورد ذرات نور - فوتون ها صحبت کنیم. فوتون جزء اتم ها مانند الکترون ها و نوکلئون ها نیست. بنابراین، معمولاً از فوتون ها نه به عنوان ذرات ماده، بلکه به عنوان ذرات تشعشع صحبت می شود. اما نقش فوتون ها در مکانیسم کیهان کمتر از نقش الکترون ها و نوکلئون ها نیست. بسته به انرژی فوتون، به اشکال مختلف ظاهر می شود: امواج رادیویی، تابش مادون قرمز، نور مرئی، تابش فرابنفش، اشعه ایکس، و در نهایت، γ-کوانتا با انرژی بالا. هر چه انرژی کوانتوم ها بیشتر باشد، نافذتر یا به قول خودشان «سخت» هستند و حتی از کوانتوم های کاملاً ضخیم عبور می کنند *) به طور دقیق تر، نسبت سرعت یک الکترون در اتم هیدروژن به سرعت نور تقریباً 1/137 است. این شماره را به خاطر بسپار او را بیش از یک بار در صفحات این کتاب خواهید دید. ∗∗) در اینجا و در تمام موارد مشابه، عدد داخل پرانتز نشان دهنده عدم دقت آزمایشی در آخرین ارقام مهم عدد اصلی است. در سال 1983، کنفرانس عمومی اوزان و معیارها تعریف جدیدی از متر را به تصویب رساند: مسافت طی شده توسط نور در خلاء در 1/299،792،458 ثانیه. بنابراین سرعت نور 299792458 متر بر ثانیه تعریف می شود. 12 جرم، انرژی، تکانه، تکانه زاویه ای در صفحه های فلزی مکانیک نیوتنی. در فیزیک ذرات، فوتون ها بدون توجه به انرژی آنها با حرف γ مشخص می شوند. تفاوت اصلی فوتون های نور با همه ذرات دیگر این است که به راحتی ایجاد می شوند و به راحتی از بین می روند. کافی است یک کبریت بزنیم تا میلیاردها فوتون به دنیا بیایم، یک تکه کاغذ سیاه را در مسیر نور مرئی قرار دهیم - و فوتون ها در آن جذب شوند. بازدهی که یک صفحه نمایش خاص با آن فوتون‌های وارد شده بر روی آن را جذب، تبدیل و دوباره ساطع می‌کند، البته به ویژگی‌های خاص صفحه و انرژی فوتون‌ها بستگی دارد. محافظت از خود در برابر اشعه ایکس و γ-کوانتای سخت به آسانی محافظت از خود در برابر نور مرئی نیست. در انرژی های بسیار بالا، تفاوت بین فوتون ها و ذرات دیگر احتمالاً بیشتر از تفاوت بین این ذرات نیست. در هر صورت تولید و جذب فوتون های پرانرژی اصلا آسان نیست. اما هر چه فوتون انرژی کمتری داشته باشد، "نرم تر" باشد، به دنیا آوردن و از بین بردن آن آسان تر است. یکی از ویژگی های قابل توجه فوتون ها که تا حد زیادی خواص شگفت انگیز آنها را تعیین می کند، صفر بودن جرم آنهاست. برای یک ذره عظیم مشخص است: هر چه انرژی آن کمتر باشد، کندتر حرکت می کند. یک ذره عظیم ممکن است اصلا حرکت نکند، اما ممکن است در حالت سکون باشد. یک فوتون، صرف نظر از اینکه انرژی آن چقدر کم است، همچنان با سرعت c حرکت می کند. جرم، انرژی، تکانه، تکانه زاویه ای در مکانیک نیوتن ما قبلاً چندین بار از اصطلاحات "انرژی" و "جرم" استفاده کرده ایم. زمان آن فرا رسیده است که معنای آنها را با جزئیات بیشتر توضیح دهیم. در همان زمان، ما در مورد چیستی تکانه و تکانه زاویه ای صحبت خواهیم کرد. همه این مقادیر فیزیکی - جرم، انرژی، تکانه، و تکانه زاویه ای (که در غیر این صورت به عنوان تکانه زاویه ای شناخته می شود) - نقش اساسی در فیزیک دارند. نقش اساسی این کمیت های فیزیکی به این دلیل است که برای یک سیستم جدا شده از ذرات، صرف نظر از اینکه چقدر برهمکنش آنها با یکدیگر پیچیده است، انرژی و تکانه کل سیستم، تکانه زاویه ای کل و جرم آن کمیت های حفظ شده است. یعنی با گذشت زمان تغییر نمی کنند. جرم، انرژی، تکانه، تکانه زاویه ای در مکانیک نیوتنی 13 بیایید بحث خود را با مکانیک نیوتنی شروع کنیم که از کتاب های درسی مدرسه برای شما کاملاً شناخته شده است. جسمی به جرم m را در نظر بگیرید که با سرعت v ∗ حرکت می کند. بر اساس مکانیک نیوتنی، چنین جسمی دارای تکانه p = mv و انرژی جنبشی T = mv2 p2 = است. 2 2m در اینجا v2 = vx2 + vy2 + vz2، که در آن vx، vy، vz به ترتیب پیش بینی های بردار v روی محورهای مختصات x، y، z هستند (شکل 1). ما می توانیم سیستم مختصات را در فضا به هر طریقی جهت دهی کنیم. مقدار v2 تغییر نخواهد کرد. در عین حال، هر دو جهت و مقادیر بردارهای v و p به مقدار و جهت سرعت حرکت سیستم مختصاتی که در آن حرکت بدن را توصیف می کنید یا، همانطور که می گویند، بستگی دارد. سیستم مرجع به عنوان مثال، در چارچوب مرجع مرتبط با زمین، خانه شما در حال استراحت است. در چارچوب مرجع مرتبط با خورشید، با سرعت 30 کیلومتر بر ثانیه حرکت می کند. هنگام توصیف حرکت چرخشی اجسام، نقش مهمی توسط کمیتی به نام تکانه زاویه ای یا تکانه زاویه ای ایفا می شود. 1. پیش بینی بردار سرعت v روی محورهای مختصات. اجازه دهید به عنوان مثال ساده ترین حالت حرکت یک ذره - یک نقطه مادی - را در یک مدار دایره ای به شعاع r = |r| با سرعت ثابت v = |v|، که r و v به ترتیب مقادیر مطلق بردارهای r و v هستند. در این حالت، تکانه زاویه ای حرکت مداری L، طبق تعریف، برابر است با حاصلضرب بردار شعاع r و تکانه ذره p: L = r × p. و اگرچه با گذشت زمان جهت بردار r و بردار p تغییر می کند، بردار L بدون تغییر باقی می ماند. اگر به شکل 2. طبق تعریف، حاصلضرب برداری a × b از دو بردار a و b برابر است با بردار c که قدر مطلق آن |c| = |الف||ب| sin θ، جایی که ∗) در اینجا و در ادامه، از حروف پررنگ برای نشان دادن بردارها استفاده خواهیم کرد، یعنی مقادیری که نه تنها با مقدار عددی، بلکه با جهت آنها در فضا مشخص می شوند. 14 جرم، انرژی، تکانه، تکانه زاویه ای در مکانیک نیوتنی θ - زاویه بین بردارهای a و b. بردار c عمود بر صفحه ای است که بردارهای a و b در آن قرار دارند، به طوری که a، b و c به اصطلاح سه گانه راست را تشکیل می دهند (مطابق با قانون معروف گیملت (شکل 3)). در مولفه ها، حاصلضرب برداری به صورت cx = ay bz − az by، cy = az bx − ax bz، cz = ax با − ay bx نوشته می شود. برنج. 2. تکانه مداری L وقتی ذره ای با تکانه p در مداری دایره ای به شعاع r حرکت می کند، از آنجایی که ما در مورد ضرب برداری صحبت می کنیم، اجازه دهید در اینجا حاصل ضرب اسکالر دو بردار a و b را نیز ذکر کنیم که با ab یا a مشخص می شود. ب طبق تعریف، ab = ax bx + ay توسط + az bz. بررسی آسان (به شکل 3) که ab = |a| |ب| cos θ و اینکه حاصل ضرب اسکالر با چرخش های دلخواه محورهای متعامد متعامد (به اصطلاح دکارتی) x، y، z تغییر نمی کند. برنج. 3. بردار c حاصلضرب برداری بردارهای a و b است شکل. 4. بردارهای سه واحدی توجه داشته باشید که بردارهای متعامد سه واحدی بردار نامیده می شوند و معمولاً با nx، ny، nz مشخص می شوند (شکل 4). از تعریف حاصلضرب اسکالر مشخص است که تبر = انکس. برای مورد نشان داده شده در شکل. 2، همانطور که بررسی آسان است، Lx = Ly = 0، Lz = |r| |p| = ثابت سیارات منظومه شمسی نه در مدارهای دایره ای، بلکه در مدارهای بیضی شکل حرکت می کنند، به طوری که فاصله سیاره تا خورشید با زمان تغییر می کند. مقدار مطلق سرعت نیز در طول زمان به صورت دوره ای تغییر می کند. اما حرکت مداری سیاره بدون تغییر باقی می ماند. (به عنوان یک تمرین، قانون دوم کپلر را از اینجا دریافت کنید، که طبق آن بردار شعاع یک سیاره در بازه های زمانی مساوی مناطق مساوی را "جرو می کند"). همراه با تکانه زاویه ای مداری، که مشخصه حرکت به دور خورشید است، زمین نیز مانند سایر سیارات دارای تکانه زاویه ای خاص خود است که مشخصه چرخش روزانه آن است. پایستگی تکانه زاویه ای ذاتی اساس استفاده از ژیروسکوپ است. تکانه زاویه ای ذاتی ذرات بنیادی را اسپین می گویند (از انگلیسی spin - چرخش). جرم، انرژی و تکانه در مکانیک انیشتین مکانیک نیوتن حرکت اجسام را زمانی که سرعت آنها بسیار کمتر از سرعت نور باشد کاملاً توصیف می کند: v c. اما این نظریه زمانی که سرعت حرکت جسم v برابر با سرعت نور c باشد، و حتی زمانی که v=c باشد، به شدت نادرست است. اگر می خواهید بتوانید حرکت اجسام را با هر سرعتی، تا سرعت نور توصیف کنید، باید به نظریه نسبیت خاص، مکانیک انیشتین یا به اصطلاح مکانیک نسبیتی مراجعه کنید. مکانیک غیرنسبیتی نیوتن تنها یک مورد خاص (اگرچه در عمل بسیار مهم) محدودکننده مکانیک نسبیتی اینشتین است. اصطلاحات «نسبیت» و (که همان چیزی است) «نسبی‌گرایی» به اصل نسبیت گالیله برمی‌گردد. گالیله در یکی از کتاب‌هایش بسیار رنگارنگ توضیح می‌دهد که هیچ آزمایش مکانیکی در داخل کشتی نمی‌تواند ثابت کند که آیا کشتی در حال استراحت است یا به طور یکنواخت نسبت به ساحل حرکت می‌کند. البته اگر به ساحل نگاه کنید انجام این کار سخت نیست. اما با حضور در کابین و نگاه نکردن به بیرون از پنجره، تشخیص حرکت یکنواخت و خطی کشتی غیرممکن است. از نظر ریاضی، اصل نسبیت گالیله در این واقعیت بیان می شود که معادلات حرکت اجسام - معادلات مکانیک - در به اصطلاح سیستم های مختصات اینرسی یکسان به نظر می رسند. یعنی در سیستم های مختصات مرتبط با اجسامی که به طور یکنواخت و مستطیل نسبت به ستارگان بسیار دور حرکت می کنند. (البته در مورد کشتی گالیله نه چرخش روزانه زمین، نه چرخش آن به دور خورشید و نه چرخش خورشید به دور مرکز کهکشان ما لحاظ نشده است.) مهمترین شایستگی انیشتین این بود که او اصل نسبیت گالیله را به همه پدیده‌های فیزیکی، از جمله پدیده‌های الکتریکی و نوری، که فوتون‌ها در آن‌ها شرکت می‌کنند، بسط داد. این امر مستلزم تغییرات قابل توجهی در دیدگاه ها در مورد مفاهیم اساسی مانند فضا، زمان، جرم، تکانه و انرژی بود. به طور خاص، همراه با مفهوم انرژی جنبشی T، مفهوم انرژی کل E معرفی شد: E = E0 + T، که در آن E0 انرژی استراحت مربوط به جرم m بدن با فرمول معروف E0 = mc2 است. برای فوتونی که جرم آن صفر است، انرژی باقیمانده E0 نیز صفر است. فوتون "فقط رویای صلح را می بیند": همیشه با سرعت c حرکت می کند. ذرات دیگر مانند الکترون ها و نوکلئون ها که جرم غیر صفر دارند انرژی سکون غیر صفر دارند. برای ذرات آزاد با m = 0، روابط بین انرژی و سرعت و تکانه و سرعت در مکانیک انیشتین به شکل mc2 Ev E= , p= 2 است. 1 - v 2 /c2 c بنابراین رابطه m2 c4 = E 2 - p2 c2 برقرار است. هر یک از دو عبارت سمت راست این برابری هر چه بدن سریعتر حرکت کند بزرگتر است، اما تفاوت آنها بدون تغییر باقی می ماند، یا، همانطور که فیزیکدانان معمولا می گویند، ثابت می ماند. جرم یک جسم یک متغیر نسبیتی است که به سیستم مختصاتی که در آن حرکت بدن در نظر گرفته می شود، بستگی ندارد. به راحتی می توان بررسی کرد که عبارات نسبیتی اینشتینی برای تکانه و انرژی به عبارات نیوتنی و غیرنسبیتی متناظر با v/c 1 تبدیل می شوند. در واقع، در این مورد، سمت راست رابطه جرم، انرژی و تکانه در اینشتین گسترش می یابد. مکانیک E = mc2 1 − 17 در یک سری با توجه به پارامتر کوچک v 2 /c2 ، به دست آوردن عبارت 1 v2 3 v2 2 دشوار نیست. E = mc2 1 + + + . . . 2 2 2 c 8 c در اینجا نقطه ها عبارت های مرتبه بالاتر را در پارامتر v 2 /c2 نشان می دهند. وقتی x 1 باشد، تابع f (x) را می توان به یک سری با توجه به پارامتر کوچک x گسترش داد. متمایز کردن سمت چپ و راست رابطه f (x) = f (0) + xf (0) + x2 x3 f (0) + f (0) + . . . 2 3 و با در نظر گرفتن هر بار نتیجه برای x = 0، به راحتی می توان اعتبار آن را تأیید کرد (برای x 1 اصطلاحات دور ریخته شده کوچک هستند). در موردی که به آن علاقه داریم، f (x) = (1 - x) -1/2، 1 (1 - x) -3/2، 2 3 f (x) = (1 - x) -5/2 , 4 f ( x) = f (0) = 1, 1 2 3 f (0) = . 4 f (0) =، توجه داشته باشید که برای زمینی که در مدار با سرعت 30 کیلومتر بر ثانیه حرکت می کند، پارامتر v 2 /c2 10-8 است. برای هواپیمایی که با سرعت 1000 کیلومتر در ساعت پرواز می کند، این پارامتر حتی کوچکتر است، v 2 /c2 ≈ 10-12. بنابراین برای یک هواپیما، با دقت مرتبه 10-12، روابط غیرنسبیتی T = mv 2/2، p = mv برآورده می شود، و اصلاحات نسبیتی را می توان با خیال راحت نادیده گرفت. بیایید به فرمول اتصال مربع جرم به مربع انرژی و تکانه برگردیم و آن را به شکل E 2 m 2 c2 = − p2x − p2y − p2z بنویسیم. ج این واقعیت که سمت چپ این برابری هنگام حرکت از یک سیستم اینرسی به سیستم دیگر تغییر نمی کند، مشابه این واقعیت است که مربع تکانه p2 = p2x + p2y + p2z، 18 جرم، انرژی و تکانه در مکانیک انیشتین، و همچنین مربع هر بردار سه بعدی، با چرخش سیستم مختصات (نگاه کنید به شکل 1 در بالا) در فضای معمولی اقلیدسی تغییر نمی کند. بر اساس این قیاس، آنها می گویند که مقدار m2 c2 مربع یک بردار چهار بعدی است - تکانه چهار بعدی pμ (شاخص μ چهار مقدار می گیرد: μ = 0، 1، 2، 3): p0 = E/ c، p1 = px، p2 = py، p3 = pz. فضایی که در آن بردار pμ = (p0, p) تعریف شده است، شبه اقلیدسی است. پیشوند "شبه" در این مورد به این معنی است که ثابت، مجموع مجذورهای هر چهار جزء نیست، بلکه عبارت p20 - p21 - p22 - p23 است. تبدیل هایی که مختصات زمانی و مکانی دو سیستم اینرسی متفاوت را به هم متصل می کنند، تبدیلات لورنتس نامیده می شوند. ما آنها را در اینجا ارائه نمی کنیم، فقط توجه می کنیم که اگر بین دو رویداد در زمان t و در فضای r فاصله وجود داشته باشد، فقط مقدار s که بازه نامیده می شود: s = (ct)2 - r2 تغییر نمی کند. تحت تبدیل های لورنتس، یعنی e. ما تاکید می کنیم که نه t و نه r به خودی خود ثابت نیستند. اگر s > 0 باشد، بازه زمانی مانند اگر s نامیده می شود< 0, то - пространственноподобным, если s = 0, то - светоподобным. Если s < 0, то два пространственно разделенных события могут быть одновременными в одной системе координат и неодновременными в другой. Рассмотрим теперь систему n свободных, не взаимодействующих между собой частиц. Пусть Ei - энергия i-й частицы, pi - импульс, а mi - ее масса. Суммарная энергия и импульс системы соответственно равны E= n Ei , i=1 p= n i=1 Из определения массы системы, M2 = E2 p2 − , c4 c2 pi . Масса, энергия и импульс в механике Эйнштейна 19 следует, что масса системы, вообще говоря, не равна сумме масс составляющих ее частиц. В нашей нерелятивистской повседневной жизни мы привыкли к тому, что M = n mi . Но для быстрых частиц это равенство, i=1 как правило, не выполняется. Так, суммарная масса двух электронов, летящих навстречу друг другу с равными по абсолютной величине импульсами, равна 2E/c2, где E - энергия каждого из них, и в экспериментах на электронных ускорителях на много порядков превышает величину 2me , где me - масса электрона. Уместно завершить этот раздел некоторыми замечаниями, относящимися к терминологии. В некоторых книгах и научно-популярных статьях можно встретить термины «масса покоя» m0 и «масса движения», или, что то же самое, «релятивистская масса» m, которая растет с ростом скорости тела. Под массой покоя m0 подразумевается при этом та физическая величина, которую мы выше назвали просто массой и обозначили m. Под релятивистской массой m подразумевается энергия тела, деленная на квадрат скорости света: m = E/c2 (разумеется, эта величина растет с ростом скорости тела). Такая устаревшая и по существу неадекватная терминология была распространена в начале XX века, когда по каким-то чисто психологическим причинам казалось желательным сохранить ньютоновское соотношение между импульсом, массой и скоростью: p = mv. В настоящее время, в начале XXI века, эта терминология является архаизмом, который только затемняет смысл релятивистской механики для тех, кто недостаточно овладел ее основами. Следует подчеркнуть, что в релятивистской механике масса m не играет ни роли коэффициента между силой и ускорением (инертная масса), ни роли коэффициента, определяющего действие на тело гравитационного поля (гравитационная масса). Связь между силой F и ускорением dv/dt можно найти из приведенного выше выражения для импульса: p= mv 1 − v 2 /c2 , если учесть, что F = dp/dt. Известная из школьных учебников формула F = ma получается отсюда лишь в нерелятивистском пределе. Что касается гравитационного притяжения, то и здесь 20 Силы и поля масса ни при чем. Так, экспериментально установлено, что обладающий нулевой массой фотон отклоняется в гравитационном поле. Другой пример неудачной терминологии - это часто встречающееся утверждение о том, что в физике высоких энергий и в ядерной физике осуществляются якобы переходы энергии в массу и массы в энергию. Как уже было сказано выше, энергия строго сохраняется. Энергия ни во что не переходит. Происходят лишь взаимные превращения различных частиц. Многочисленные примеры процессов, в которых происходят эти превращения, будут рассмотрены на последующих страницах книги. Суть дела можно понять на примере химической реакции соединения углерода и кислорода, проявление которой можно наблюдать, глядя на тлеющие угли костра: C + O2 → CO2 + фотоны. Кинетическая энергия фотонов и молекул CO2 возникает в этой реакции за счет того, что сумма масс атома C и молекулы O2 несколько превышает массу молекулы CO2 . Таким образом, если у исходных компонентов реакции вся энергия находится в форме энергии покоя, то у конечных продуктов она представляет собой сумму энергии покоя и кинетической энергии. Итак, энергия сохраняется, меняются лишь ее носители, меняется форма, в которой она проявляется. СИЛЫ И ПОЛЯ Энергия и импульс свободно движущегося тела не меняются со временем. Но при взаимодействии двух или большего числа тел импульс (и, вообще говоря, и энергия) каждого из них претерпевает изменение. Для того чтобы произошло такое изменение, совершенно не обязательно, чтобы тела пришли в непосредственное соприкосновение, столкнулись. Они могут действовать друг на друга и на расстоянии. Так, например, Земля и спутник взаимно притягивают друг друга, в результате чего их импульсы все время меняются. Изменения импульсов у них равны и противоположны, так что полный импульс системы не меняется. (Мы замечаем изменение импульса спутника и не замечаем изменения импульса Земли, потому что масса Земли очень велика по сравнению с массой Силы и поля 21 спутника, а изменение скорости тела при данном изменении импульса обратно пропорционально массе.) Примерно так же действуют друг на друга протон и электрон в атоме водорода. Между Землей и спутником действует так называемое гравитационное (ньютоновское) притяжение, между протоном и электроном - электрическое (кулоновское). В обоих случаях сила притяжения обратно пропорциональна квадрату расстояния. Тела действуют друг на друга на расстоянии, создавая вокруг себя силовые поля. Другим хорошо известным примером силового поля является магнитное поле, например, магнитное поле Земли, действующее на стрелку компаса. Находясь в силовом поле, частица наряду с энергией покоя E0 и кинетической энергией T обладает еще и потенциальной энергией U. Так что полная энергия в этом случае является суммой не двух, а трех слагаемых: E = E0 + T + U. Потенциальная энергия равна со знаком минус работе, которую надо затратить, чтобы развести два покоящихся взаимодействующих тела на такие большие расстояния, где их воздействие друг на друга становится пренебрежимо малым. Из этого определения следует, что потенциальная энергия в случае притяжения отрицательна. Здесь уместно сделать отступление и сказать о единицах энергии и массы. Единицей энергии в физике частиц служит электрон-вольт (эВ) и его производные 1 кэВ = 103 эВ, 1 МэВ = 106 эВ, 1 ГэВ = 109 эВ, 1 ТэВ = 1012 эВ. Один электрон-вольт равен энергии, которую приобретает электрон, проходя разность потенциалов в один вольт. Если учесть, что 1 Дж = · = 1 Кл · 1 В и что один кулон равен суммарному заряду примерно 6 × × 1018 электронов, то нетрудно получить 1 эВ ≈ 1,6 · 10−19 Дж. Отметим, что вольт, кулон и джоуль являются единицами международной системы единиц СИ (Systèm International d’Unités). Электрон-вольт служит в физике элементарных частиц и единицей массы. Более точно было бы сказать, что единицей массы служит величина 1 эВ/ с2, где c - скорость света: 1 эВ/c2 ≈ 1,8 · 10−33 г. Но физики, имеющие дело с элементарными частицами, как правило, используют c в качестве единицы скорости и предпочитают ве- 22 Силы и поля личину c опускать, поскольку c/c = 1. Зачастую такую систему на физическом жаргоне называют системой c = 1. Так, масса электрона me ≈ 0,511 МэВ, масса протона mp ≈ 938,28 МэВ, масса нейтрона mn ≈ 939,57 МэВ. Вернемся теперь к движению тел в поле центральных сил, обратно пропорциональных квадрату расстояния до центра системы. Используя уравнение нерелятивистской механики, нетрудно убедиться, что при стационарном движении спутника по круговой орбите вокруг Земли или электрона вокруг атомного ядра потенциальная энергия по абсолютной величине в два раза больше кинетической: U = −2T. Действительно, ньютоновская потенциальная энергия U =− GN M m , r здесь r - расстояние от спутника до центра Земли, m - масса спутника, M - масса Земли, а GN - константа Ньютона (в единицах СИ GN = 6,7 · 10−11 м3 · кг−1 · с−2 , но для наших рассуждений числовое значение GN несущественно). Сила гравитационного притяжения спутника Земли F = = GN M m/r2, а его центростремительное ускорение равно v 2 /r. Учитывая, что кинетическая энергия спутника T = mv 2 /2, получаем T = GN M m 2r и, следовательно, T = Рис. 5. Соотношение между кинетической энергией T и потенциальной энергией U спутника, ε - энергия связи 1 |U |. 2 Зависимость U от r и соотношение между U и T приведены на рис. 5. На рисунке изображена также величина ε, называемая энергией связи. По определению энергия связи ε равна ε = − (U + T) . Для ньютоновского потенциала ε = 1 = − U = T. Мы видим, что масса системы «спутник + Земля» 2 меньше, чем сумма масс спутника и Земли на ε/c2. Значение энергии связи тем больше, чем ближе к Земле спутник. Квантовые явления 23 Аналогичным образом масса атома водорода меньше, чем сумма масс электрона и протона, и тоже зависит от того, на каком среднем расстоянии r от ядра движется электрон. Соответствующая разность масс носит название дефекта массы (умноженная на c2 она равна энергии связи электрона). КВАНТОВЫЕ ЯВЛЕНИЯ В случае атома мы говорим о среднем расстоянии между электроном и ядром, а не о радиусе орбиты, потому что, как уже упоминалось выше, в силу законов квантовой механики, электрон в атоме, в отличие от спутника, не имеет определенной орбиты. В отличие от энергии спутника, энергия электрона в атоме, а следовательно, и масса атома могут принимать лишь дискретный (не непрерывный) набор значений. Этого требует квантовая механика, законам которой подчиняется движение мельчайших частиц материи. Важную роль в квантовой механике играет физическая величина S , называемая действием. Размерность действия равна произведению размерностей энергии и времени: [S] = [E] [t] ; здесь скобки означают размерность заключенной в них величины. Поскольку [E] = [m] l2 t−2 , где l - длина, a m - масса, то легко убедиться, что [S] = [m] l2 t−1 . Подобно тому, как в теории относительности фундаментальной константой является скорость света c, так в квантовой механике фундаментальной константой является квант действия h̄ (его называют также постоянной Планка): h̄ = 1,054 588 7 (57) · 10−34 Дж · с. Глядя на это число, нетрудно осознать, что для всех макроскопических процессов значение S колоссально по сравнению с h̄. Именно поэтому макроскопические процессы так хорошо описываются классической механикой и квантовые эффекты в них пренебрежимо малы. 24 Квантовые явления Однако для электронов в атомах действие S - порядка h̄, и квантовые эффекты становятся определяющими. Одним из ярких проявлений квантовой механики является так называемое квантование углового момента. Нетрудно проверить, что угловой момент имеет ту же размерность, что и постоянная Планка. Так вот, согласно квантовой механике, угловой момент орбитального движения частиц может принимать лишь значения, кратные h̄. В нашей обыденной жизни мы не можем заметить этой дискретности углового момента, потому что угловые моменты макроскопических тел выражаются в единицах h̄ поистине астрономическими числами, и точность макроскопических измерений недостаточна, чтобы можно было, скажем, у обычного детского волчка (юлы) обнаружить дискретность углового момента. Но для электронов в атомах величина h̄ является естественной единицей измерения углового момента. Наинизшее орбитальное состояние электрона имеет нулевой угловой орбитальный момент, L = 0, более высоким состояниям соответствуют L = h̄, 2h̄ и т. д. Как ни парадоксально это звучит, но «квантованными величинами» являются не только сам угловой момент lh̄, но и его проекции на оси координат, которые могут принимать лишь целые значения от −lh̄ до +lh̄. Наряду с орбитальным угловым моментом элементарные частицы имеют и определенные значения собственного углового момента - спина. Значения спина кратны h̄/2. Так, у электрона и нуклонов спин равен 1/2 (в единицах h̄), у фотона он равен 1. Частицы с полуцелыми (в единицах h̄) значениями спина называются фермионами, а с целыми - бозонами (в честь итальянского физика Э. Ферми и индийского физика Ш. Бозе). Фермионы - «индивидуалисты», бозоны - «коллективисты»: на данном энергетическом уровне может находиться не более одного фермиона с данной проекцией спина. Именно этим объясняется то, что электроны в атомах не сидят все на самом нижнем энергетическом уровне, а по мере роста заряда ядра заполняют все более далекие от ядра оболочки, формируя таким образом таблицу Менделеева. Бозоны, наоборот, все стремятся попасть в одно и то же состояние. Заметим попутно, что это свойство бозонов служит причиной сверхтекучести гелия (спин атома гелия равен нулю); это же свойство бозонов лежит в основе действия лазера. Квантовые явления 25 Квантование углового момента является лишь одним из многочисленных проявлений квантовой природы микрочастиц. Здесь следует подчеркнуть, что, внеся жесткую дискретность в одни классические величины (дискретные уровни энергии, квантование углового момента), квантовая механика, вместе с тем, потребовала отказа от классической детерминированности целого ряда других величин, которые приобрели в ней вероятностный характер. В частности, вероятностный характер приобрело понятие траектории частицы. Место траектории - величины однозначной в классической механике - заняла сумма по путям. Вероятностный, статистический характер имеют также и такие понятия, как время жизни возбужденного уровня атома и сечение - величина, имеющая размерность площади и характеризующая вероятность того или иного процесса, который может произойти в результате столкновения частиц. В квантовой механике частицы описываются так называемыми волновыми функциями. Вообще, микрочастицы являются своеобразными «кентаврами», соединяющими в себе и свойства корпускул, т. е. частиц, и свойства волн. Проще всего наблюдать эту корпускулярноволновую двойственность (или как говорят, корпускулярно-волновой дуализм) у фотонов. С одной стороны, при столкновении фотона с электроном фотон не в меньшей степени, чем электрон, ведет себя как частица, отскакивая в определенном направлении, с определенной энергией в соответствии с тем, каков импульс отдачи электрона. С другой стороны, фотон с импульсом p ведет себя и как волна с длиной волны λ = h̄/|p|. Волновые свойства фотонов особенно ярко проявляются в таких явлениях, как дифракция и интерференция света. То же самое соотношение между длиной волны и импульсом, λ = h̄/|p|, характеризует не только фотоны, но и все другие частицы: электроны, протоны, нейтроны, а также конгломераты частиц: атомы, молекулы, автомобили. . . Но чем тяжелее тело, тем больше его импульс, тем меньше его длина волны и, следовательно, тем труднее обнаружить его волновые свойства. Ярким выражением корпускулярно-волновой природы частиц является соотношение неопределенности, связывающее между собой неопределенности в координате и импульсе частицы: Δr Δp h̄. 26 Квантовые явления Чем меньше область, в которой движется частица, тем больше неопределенность в ее импульсе. По существу, именно это обстоятельство и приводит к тому, что в каждом атоме существует наинизшее энергетическое состояние с ненулевой кинетической энергией: оно называется основным. Действительно, при заданных размерах атома импульс, а следовательно, и кинетическая энергия электрона не могут быть сколь угодно малыми. Используя соотношение неопределенности, можно оценить порядок величины энергии связи ε электрона, находящегося на основном уровне атома водорода. Запишем выражение для потенциальной U и кинетической T энергии электрона: e2 r U =− , T = p2 . 2me Полагая в соответствии с соотношением неопределенности p ≈ h̄/r и учитывая (см рис. 5), что 2T = |U |, получим h̄2 e2 ≈ , r r me 2 откуда r ≈ h̄2 e me 2 и для энергии связи ε имеем следующую оценку: ε=T ≈ e4 me . 2h̄2 По счастливой случайности наши грубые оценки r и ε совпали с округленными величинами общепринятых значений радиуса атома водорода (так называемого боровского радиуса r0) и энергии связи атома водорода ε0: r0 = h̄2 = 0,529 177 210 8(18) · 10−10 м, e2 me ε0 = e4 me = 13,605 692 3(12) эВ. 2h̄2 Если ввести безразмерную величину α = e2 /h̄c, то получим ε0 = 1 2 α m e c2 , 2 r0 = 1 h̄ . α me c (Отношение h̄/me c = 3,861 592 678(26) · 10−13 м принято называть комптоновской длиной волны электрона). Величина α получила в атомной физике название «постоянной тонкой структуры» и имеет значение α = 1/137,035 999 11(46). Атомные и ядерные реакции 27 Теперь нетрудно оценить и скорость электрона в атоме водорода. Она, как уже было сказано (см. с. 11), действительно составляет примерно 1/137 скорости света. При столкновениях атома с другими атомами или при облучении атома ультрафиолетовым излучением электрон либо может быть выбит из атома (это называется ионизацией атома), либо может перейти на какой-либо из более высокорасположенных уровней (это называется возбуждением атома). Энергия связи n-го возбужденного уровня атома водорода εn выражается через энергию связи основного уровня ε0 следующим образом: εn = ε0 (n + 1)−2 , где n = 1, 2, 3, . . . Дискретные уровни характерны, разумеется, не только для электронов в атоме, но и для атомов в молекулах (здесь расстояния между уровнями существенно меньше, чем в атомах), и для нуклонов в атомных ядрах (здесь расстояния между уровнями гораздо больше, чем в атомах). Итак, каждая молекула, каждый атом, каждое атомное ядро (за исключением самых простейших - протона и дейтрона) имеют, наряду с основным состоянием, набор дискретных возбужденных состояний. Из сказанного выше ясно, что массы молекул, атомов, ядер в возбужденных состояниях превышают их массы в основном состоянии. АТОМНЫЕ И ЯДЕРНЫЕ РЕАКЦИИ Вы уже знаете, что когда горит костер, атомы углерода и водорода, входящие в состав древесины, соединяются с атомами кислорода из воздуха, и образуются соответственно углекислый газ и вода. Сумма масс молекул, вступающих в реакцию горения, больше, чем сумма масс образовавшихся молекул. В силу сохранения энергии, кинетическая энергия продуктов горения должна быть больше, чем кинетическая энергия молекул, вступающих в реакцию. Этот избыток кинетической энергии мы воспринимаем как выделение тепла при горении. Неправильно было бы говорить, что при этом происходит превращение массы в энергию. Правильнее было бы сказать, что часть массы превращается в кинетическую энергию. И совсем правильно было бы сказать, что энергия переходит из одной формы (энергии покоя) 28 Атомные и ядерные реакции в другую форму (кинетическую энергию). Заметьте, что полная масса системы не меняется. Когда в листьях растений под действием солнечных лучей углекислый газ и вода превращаются в органические соединения и кислород, то масса возрастает. Необходимая для этого энергия поставляется Солнцем - это кинетическая энергия солнечных фотонов. В течение всей предшествующей истории человечества именно Солнце в конечном счете являлось поставщиком энергии, использовавшейся людьми. А что является источником энергии самого Солнца? Таких источников два: во-первых, гравитационное сжатие, во-вторых, препятствующие этому сжатию ядерные реакции, в которых суммарная масса возникших в реакции ядер меньше, чем суммарная масса ядер, вступивших в реакцию. Разность масс (разность энергий покоя) равна избыточной кинетической энергии образовавшихся при этом частиц. Солнце излучает эту энергию в пространство, в основном - в виде фотонов. Когда атомы сталкиваются друг с другом с достаточно высокими скоростями, они возбуждаются; электроны в них переходят на возбужденные уровни и массы атомов возрастают. Атом не может долго находиться в возбужденном состоянии: через некоторое время он испускает фотон и переходит в основное состояние. Фотоны излучаются атомными электронами, переходящими с одной орбиты на другую. Очень важно осознать, что фотон, излучаемый атомом, не хранился в нем до этого, а рождается в момент излучения. Изменение движения электрических зарядов (электронов) вызывает возбуждение электромагнитного поля, квантами, «порциями» которого являются фотоны. Точно так же не хранятся фотоны и в раскаленной нити электрической лампочки. Они рождаются и излучаются «разогретыми» электронами. Энергия E фотона связана с его частотой ω соотношением E = h̄ω. Если учесть, что длина волны света и его частота связаны соотношением λ = ωc, то мы увидим, что квант света определенной длины волны имеет строго определенную энергию. Поле покоящегося электрического заряда - чисто статическое, это - так называемое кулоновское поле. Но поле движущегося заряда содержит возбуждения с ненулевой частотой. При изменении скорости заряда эти возбуждения как бы «стряхиваются» и вылетают в виде свободных фотонов. Слабое и сильное взаимодействия 29 Возбужденные атомы излучают не только видимый свет. Если атом тяжелый и возбуждены в нем внутренние, быстро движущиеся электроны, то при его высвечивании испускаются рентгеновские лучи. Аналогично атомам излучают фотоны и возбужденные ядра. Только фотоны, испускаемые ядрами (ядерные γ -кванты), гораздо энергичнее атомных фотонов. (Если энергия связи электрона в атоме водорода составляет 13,6 эВ, то энергия связи нуклона в ядре в среднем равна примерно 8 МэВ.) При достаточно большой энергии возбуждения ядра могут излучать и другие частицы, а не только фотоны. Разнообразие таких ядерных реакций очень велико. Но все их можно разбить на два больших класса. К одному классу принадлежат такие реакции, когда из ядра вылетают одиночные нуклоны или даже целые сгустки нуклонов - ядерные осколки. Это происходит, например, при α-распаде (напомним, что α-частица - это ядро атома гелия) или при делении урана. К другому классу принадлежат такие реакции, в которых избыточная энергия нестабильного ядра уносится частицами, которых до момента излучения в ядре не было. Простейший пример этого, второго, класса реакций - испускание фотонов. Сейчас мы познакомимся с другим явлением - испусканием ядрами пары частиц: электрона и нейтрино (более точно: электрона и антинейтрино). Это явление было открыто в конце XIX века и было названо β -распадом. СЛАБОЕ И СИЛЬНОЕ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ Природа частиц, испускаемых при β -распаде, была установлена далеко не сразу. Одна из этих частиц электрически заряжена, вторая - электрически нейтральна. До тех пор, пока не установили, что заряженная частица - это электрон, ее называли β -частицей. (Сам электрон был открыт незадолго до открытия β -распада.) Вообще, после открытия радиоактивности довольно быстро установили, что есть три типа радиоактивного распада: α, β , γ. Мы знаем теперь, что α-лучи - это ядра гелия, β -лучи - это электроны, а γ -лучи - ядерные γ -кванты. В начале 30-х годов стало ясно, что при β -распаде испускается не только электрон, но и еще какая-то частица, не имеющая заряда. Ее назвали нейтрино (по-итальянски это означает «нейтрончик»). 30 Слабое и сильное взаимодействия Простейшим примером β -распада является распад свободного нейтрона (рис. 6), при котором нейтрон превращается в протон, испуская электрон и нейтрино (более точно - антинейтрино ∗), смысл приставки «анти» мы поясним через некоторое время): n → p + e− + ν. Распад нейтрона возможен потому, что масса нейтрона превышает сумму масс протона, электрона и антинейтриРис. 6. β -распад нейтрона но. Как и в случае испускания γ -кванта возбужденным ядром, частицы, возникающие при β -распаде нейтрона, не «сидели в нем» заранее, они рождаются в момент распада, «стряхиваются» с него. Но если при изменении состояния атомного электрона излучается одна частица - фотон, то при превращении нейтрона в протон излучается сразу пара частиц: электрон плюс антинейтрино. С точки зрения энергетики процесс β -распада не отличается от других процессов, которые мы рассматривали выше. И тем не менее, в нем мы имеем дело с фундаментальными силами, с которыми мы до сих пор на страницах этой книги не встречались. Выше мы говорили о гравитационном взаимодействии. Говорили о различных проявлениях электромагнитного взаимодействия, в частности, о притяжении разноименно заряженных частиц и об испускании и поглощении фотонов. Неявно касались мы и так называемого сильного взаимодействия, притягивающего друг к другу нуклоны в ядре. Сильным это взаимодействие назвали потому, что ядерные силы гораздо интенсивнее электромагнитных, о чем свидетельствует большая энергия связи нуклонов в ядре. В β -распаде мы сталкиваемся с проявлением четвертого типа фундаментальных сил - так называемого слабого взаимодействия. Слабым его назвали потому, что в каждодневной жизни его проявления кажутся пренебрежимо слабыми, и потому, что в атомах и ядрах оно действует гораздо слабее, чем сильное и электромагнитное взаимодействия; а обусловленные им процессы имеют меньшие вероятности и, следовательно, протекают медленнее. ∗) Нейтрино обозначают обычно греческой буквой ν (ню). Для обозначения антинейтрино над буквой ν ставят знак тильда: ν. Слабое и сильное взаимодействия 31 Как известно, в магнитном поле γ -лучи вообще не отклоняются, а α- и β -лучи отклоняются в противоположные стороны, как это изображено на рисунке на обложке этой книги. Мне вспоминается одно из долгих вечерних обсуждений судеб физики, которые много лет назад время от времени устраивал со своими учениками и сотрудниками руководитель теоретического отдела Института теоретической и экспериментальной физики академик И. Я. Померанчук. Во время этого обсуждения широко известный специалист по квантовой электродинамике В. Б. Берестецкий заметил, что упомянутый рисунок, вошедший во все школьные учебники, может служить символом трех фундаментальных взаимодействий: ведь α-распад - это проявление сильного взаимодействия, β -распад - слабого, а γ -распад - электромагнитного. В первые десятилетия прошлого века физика каждого из этих взаимодействий оформилась в отдельную науку. В настоящее время происходит синтез этих наук, об этом речь пойдет в конце книги. А пока продолжим разговор о β -распаде. На первый взгляд может показаться, что мир вообще и человечество в частности вполне могли бы обойтись без слабого взаимодействия. Ведь β -распад - это довольно экзотическое явление. Но такое заключение о несущественности слабого взаимодействия было бы глубоко ошибочным. Достаточно сказать, что если бы удалось «выключить» слабое взаимодействие, то погасло бы наше Солнце. Дело в том, что узловым процессом, открывающим путь к дальнейшим ядерным реакциям на Солнце, является процесс, в котором два протона и электрон превращаются в дейтрон D и нейтрино νe . Заметим, что одноступенчатое превращение (рис. 7) p + p + e− → D + ν происходит лишь в 0,25 % всех случаев В 99,75 % случаев реакция идет в две ступени. На первом этапе рождается позитрон e+ в реакции (рис. 8) p + p → D + ν + e+. На втором этапе происходит реакция аннигиляции в фотоны позитрона и одного из солнечных электронов e+ + e− → 2γ или 3γ. 32 Слабое и сильное взаимодействия Рис. 7. Слабая реакция p + p + e− → D + ν Рис. 8. Слабая реакция p + p → D + ν + e+ Более подробно о позитронах и аннигиляции будет сказано ниже (см. раздел «Античастицы»). Напомним, что дейтрон D - это ядро дейтерия, тяжелого изотопа водорода, представляющее собой связанное состояние протона и нейтрона. На рис. 7 и 8 волнистые линии условно изображают сильное ядерное взаимодействие, связывающее протон и нейтрон в дейтроне. Энергия связи дейтрона составляет примерно 2,2 МэВ. Если учесть, что масса нейтрона на 1,3 МэВ больше массы протона, масса позитрона составляет 0,5 МэВ, а масса нейтрино пренебрежимо мала, то нетрудно оценить энерговыделение в процессе, изображенном на рис. 8. Оно составляет всего 0,4 МэВ. Описанный выше слабый процесс, который в некотором смысле можно считать процессом, обратным β -распаду нейтрона, является основным поставщиком солнечных нейтрино. Однако мы только что убедились, что кинетическая энергия, выделенная в этом процессе, сравнительно невелика. Основное выделение тепла происходит за счет дальнейшего превращения двух ядер дейтерия в ядро гелия, содержащее два протона и два нейтрона. В основном это превращение происходит за счет двух реакций: D + p → 3 He + γ + 5,5 МэВ, 3 He + 3 He → 4 He + 2p + 12,9 МэВ. В первой из них работает как сильное, так и электромагнитное взаимодействие (в ней испускается γ -квант), во второй - только сильное взаимодействие. Большее энерговыделение во второй реакции связано с тем, что нуклоны в α-частице плотно упакованы и обладают большей энергией связи. Подобные реакции слияния ядер называются термоядерными, поскольку они идут только при высокой температуре. Высокая Физика высоких энергий 33 температура необходима для того, чтобы ядра могли вплотную подойти друг к другу. Ведь, как известно, одноименные электрические заряды отталкиваются. Чтобы ядра могли преодолеть это электрическое отталкивание и сблизиться на расстояние порядка 10−13 см, им надо сообщить достаточно большую кинетическую энергию. Основная надежда человечества и основная угроза самому его существованию связаны с термоядерными реакциями. Если бы удалось осуществить управляемые термоядерные реакции в промышленных условиях, то это дало бы доступ к огромным запасам энергии и навсегда (в современных масштабах) избавило бы человечество от угрозы энергетического кризиса. С другой стороны, если взорвутся те огромные запасы водородных бомб, которые накоплены и продолжают накапливаться в ядерных арсеналах все большего числа стран, то человечество будет уничтожено. ФИЗИКА ВЫСОКИХ ЭНЕРГИЙ До сих пор мы были только на подступах к основной теме этой книги. Предмет нашего изучения - физика частиц высоких энергий - не имеет никакого отношения ни к атомным электростанциям, ни к атомным бомбам. Цель физики высоких энергий - выяснение природы фундаментальных сил и структуры элементарных частиц. Такое подробное введение нам понадобилось потому, что «нельзя получить высшего образования, не имея до этого низшего». Кроме того, в процессах при высоких энергиях имеется много общего с процессами при низких энергиях. (Энергии термоядерных реакций, если сравнить их с тем, что сегодня называют высокими энергиями, столь же низки, сколь низка энергия видимого света по сравнению с энергией ядерных γ -квантов.) В частности, все реакции при высоких энергиях, сколько бы частиц в них ни рождалось, подчиняются закону сохранения энергии. Поэтому, чтобы родить новую тяжелую частицу, необходимо осуществить столкновение достаточно энергичных исходных частиц. Именно поэтому на предыдущих страницах мы затратили так много времени на рассмотрение процессов, при которых более легкие частицы превращаются в более тяжелые и наоборот. В этом отношении в процессах, происходящих при высоких энергиях, ничего принципиально нового нет. Но в целом ряде других отношений физика высоких энергий 2 Л. Б. Окунь 34 Ускорители поразительна: она открыла нам целый мир фундаментальных, глубинных и вместе с тем удивительных явлений и закономерностей. Первый этап развития физики высоких энергий, начало 30-х - конец 40-х годов прошлого века, был связан с изучением космических лучей. Первичные космические лучи - это поток быстрых протонов, падающих на Землю из космического пространства. Сталкиваясь с ядрами атомов атмосферы, первичные протоны рождают многочисленные вторичные частицы. При изучении этих вторичных частиц удалось обнаружить, что среди них, наряду с обычными частицами - фотонами, электронами, нуклонами, рождаются и другие, совершенно новые частицы. Для выяснения природы этих частиц с конца 40-х годов начали строить все более мощные ускорители заряженных частиц. УСКОРИТЕЛИ В зависимости от типа ускоряемых частиц, различают электронные и протонные ускорители, а также ускорители тяжелых ионов. Кроме того, ускорители бывают кольцевые и линейные. Кольцевых ускорителей в настоящее время намного больше, чем линейных. Один из самых больших кольцевых протонных ускорителей находится в Европейской организации ядерных исследований, вблизи Женевы, другой - в Фермиевской национальной лаборатории в Батавии, вблизи Чикаго. Максимальная энергия протонов в этих ускорителях составляет 400 и 1000 ГэВ соответственно. Ускорители эти расположены в кольцевых тоннелях длиной около семи километров. До пуска в начале 70-х годов большого ускорителя вблизи Женевы рекордной энергией (76 ГэВ) обладал протонный ускоритель в Институте физики высоких энергий в Протвино, вблизи Серпухова, работающий с 1968 г. Длина кольцевого тоннеля этого ускорителя - около полутора километров. В тоннеле кольцевого ускорителя, вдоль всего кольца, стоят электромагниты, которые, отклоняя частицы, заставляют их двигаться по кольцу внутри трубы, из которой откачан воздух. Эта кольцевая труба называется вакуумной камерой. Чем сильнее магнитное поле в магнитах, тем более энергичные частицы могут быть удержаны внутри камеры. Ускорители 35 Итак, магниты удерживают частицы на «цирковом треке». Роль ускоряющего бича при этом играет электрическое поле. Несколько ускоряющих промежутков с электрическим полем, ускоряющим частицы, расположено вдоль кольца. В кольцевом ускорителе частица много раз пролетит по кольцу, прежде чем наберет нужную энергию, поэтому электрическое поле здесь может быть не очень сильным. В линейном ускорителе, напротив, ускоряющие электрические потенциалы должны быть предельно высокими, потому что частица должна набрать всю свою энергию за один пролет. Рекордные значения переменных электрических полей были достигнуты в свое время в Институте ядерной физики в новосибирском Академгородке: они приближались к мегаэлектронвольту на сантиметр. Эти поля создавались для будущего линейного электронного ускорителя, в котором темп ускорения составит примерно 100 МэВ/м. Активно обсуждаются также и возможности использования лазеров для создания еще больших темпов ускорения. Но это уже - техника XXI века. Самый большой из действующих линейных ускорителей расположен в Стенфорде, вблизи Сан-Франциско. Его длина несколько превышает 3 км. В нем ускоряются электроны до энергии 20 ГэВ. Примерно такова же предельная энергия и двух самых больших кольцевых электронных ускорителей, один из которых расположен в том же Стенфорде, а другой - вблизи Гамбурга. Длина колец этих ускорителей превышает 2 км. Внимательный читатель, по-видимому, заметил, что эффективность на единицу длины у протонных кольцевых ускорителей больше, чем у электронных. Это связано с тем, что электроны, будучи более легкими, при движении по изогнутой траектории более интенсивно излучают так называемое синхротронное излучение. Чтобы уменьшить потери энергии на синхротронное излучение, приходится уменьшать центростремительное ускорение и, следовательно, увеличивать радиусы электронных ускорителей. После того как частицы разогнались до нужной энергии, пучок частиц выпускают из ускорителя и направляют на мишень, в которой, сталкиваясь с ядрами вещества мишени, частицы пучка рождают новые частицы. Некоторые из этих новых частиц обладают большими временами жизни и вылетают из мишени, другие живут так мало, что распадаются прямо в мишени (многие из них не успевают даже вылететь за пределы того атома, 2* 36 Ускорители на ядре которого они рождены). В последнем случае из мишени вылетают частицы - продукты распада. С помощью специальных магнитов частицы, вылетающие из мишени, формируются во вторичные пучки, которые направляются в экспериментальные залы, где расположены установки, детектирующие эти частицы и их взаимодействия. В последние годы все большее значение приобретают такие кольцевые ускорители, в которых ускоренные частицы сталкиваются не с неподвижной мишенью, а с пучком частиц, ускоренных в противоположном направлении. Преимуществом сталкивающихся пучков является то, что они дают большой выигрыш полезной энергии, которую можно использовать для рождения новых частиц. Рассмотрим два встречных пучка частиц массы m, имеющих энергию E и противоположно направленные импульсы: +p и −p. Полная энергия таких сталкивающихся частиц равна 2E , а их суммарный импульс равен нулю. Система координат, в которой суммарный импульс двух частиц равен нулю, называется системой центра масс. В данном случае система центра масс совпадает с лабораторной системой координат. Энергии 2E отвечает масса M , равная 2E/c2. Вся эта энергия 2E , вообще говоря, может идти на создание новых частиц. Рассмотрим теперь столкновение пучка тех же частиц с неподвижной водородной мишенью (мишенью, содержащей атомы водорода). Пусть энергии каждой из частиц пучка по-прежнему равна E , масса частицы m, а импульс равен p, так что p2 c2 = E 2 − m2 c4 . Обозначим массу протона (в водородной мишени) через μ. Тогда, по определению, масса системы «частица + протон» или, что то же самое, полная энергия в системе центра масс частицы и протона определяется соотношением 2 M 2 c4 = E + μc2 − p2 c2 = 2Eμc2 + μ2 c4 + m2 c4 . Теперь уже система центра масс движется относительно лабораторной системы координат. Если E во много раз больше μc2 и mc2, то получается, что энергия в системе центра масс сталкивающихся частиц в первом случае в 2E/μc2 раз больше, чем во втором. А по существу, только энергия в системе центра масс и является эффективной энергией столкновения и определяет характер этого столкновения. Античастицы 37 Ясно и без всяких формул, что лобовое столкновение двух встречных автомобилей гораздо энергичнее, чем столкновение одного из них со стоящей машиной. Однако в случае релятивистских частиц выигрыш в энергии гораздо больший. Первые ускорители со встречными пучками, их назвали коллайдерами, появились еще в 50-е годы, но наиболее интересные результаты получены на них в течение последних десятилетий. В дальнейшем мы еще познакомимся с некоторыми экспериментами, проведенными на коллайдерах, а пока попытаемся кратко сформулировать то основное, что вообще принесли эксперименты при высоких энергиях. Наиболее яркие достижения физики высоких энергий - это античастицы, адроны и кварки, поколения лептонов и кварков, нарушенные симметрии, фундаментальные векторные бозоны. Разъясним по порядку, что кроется за этими терминами. АНТИЧАСТИЦЫ Первая античастица - позитрон - была теоретически предсказана и экспериментально открыта в начале 30-х годов. Позитрон является античастицей по отношению к электрону. Он имеет точно такую же массу и абсолютную величину заряда, что и электрон, но знак заряда позитрона противоположен знаку заряда электрона: заряд позитрона положителен. Поэтому электрон и позитрон обозначают соответственно e− и e+. В пустоте позитрон так же стабилен, как и электрон. Однако встреча электрона с позитроном кончается плохо для них обоих: они «исчезают» - аннигилируют, излучая при этом фотоны (γ -кванты). При аннигиляции электрона и позитрона испускается, как правило, два или три γ -кванта: e+ + e− → γ + γ , e+ + e− → γ + γ + γ. Ничего мистического в «исчезновении» электрона и позитрона нет. Просто, в отличие от реакций, рассмотренных выше, в реакции аннигиляции энергия покоя электрона и позитрона полностью переходит в энергию движения γ -квантов. В лабораторных условиях, на ускорителях, наблюдается также реакция, обратная реакции аннигиляции электрона и позитрона. При столкновении двух γ -квантов рождается пара «электрон + позитрон»: γ + γ → e+ + e− . 38 Античастицы Вслед за позитроном были открыты и другие античастицы. В частности, в середине 50-х годов на ускорителях были созданы антипротон и антинейтрон, а затем - даже легкие антиядра. Как правило, античастицы обозначаются той же буквой, что и соответствующие частицы, но над буквой ставится тильда. - антинейтрон, ν - антинейтрино. Например, p - антипротон, n Масса каждой античастицы строго равна массе соответствующей частицы, а знаки их зарядов противоположны. Мысленная операция замены «частица → античастица» называется зарядовым сопряжением. При этой операции фотон, который не несет ни электрического, ни какого-либо другого заряда, переходит сам в себя. Фотон принадлежит к сравнительно редкому типу истинно нейтральных частиц, не имеющих зарядовых двойников. Естественно задать вопрос: «Если в фотоны аннигилируют электрон и позитрон, то почему не аннигилируют электрон и протон, почему стабилен атом водорода, почему не идет реакция e− + p → 2γ ?» Легко понять, что если бы такая реакция была возможна, то в мире в конце концов остались бы лишь фотоны и нейтрино (нейтрино - как продукты распада нейтронов). Не правда ли, довольно унылая перспектива? Стабильность водорода наводит на мысль, что наряду с электрическим зарядом существуют и другие сохраняющиеся заряды, или, как говорят, другие сохраняющиеся квантовые числа. Для объяснения стабильности водорода и более тяжелых атомов, а также для объяснения отсутствия ряда других процессов были сформулированы гипотезы о существовании и сохранении так называемых барионного и лептонного зарядов (квантовых чисел). Начнем с барионного заряда. Существует большое семейство частиц, называемых барионами (от греческого «бариос» - тяжелый). Согласно гипотезе, каждый барион обладает единичным положительным барионным зарядом. Протон самый легкий из барионов. Кроме протона и нейтрона известно много десятков других, более тяжелых барионов. У каждого из барионов имеется античастица - соответствующий антибарион, обладающий единичным отрицательным барионным зарядом. Из сказанного выше в частности следует, что хотя нейтрон электрически нейтрален, он не является истинно нейтральной частицей. Семейство частиц, называемых лептонами (от греческого «лептос» - мелкий; более подробно о них будет рассказано на последующих страницах книги), состоит из гораздо меньшего числа частиц, чем семейство барионов. Электрон - самый Античастицы 39 легкий из заряженных лептонов - обладает положительным единичным лептонным зарядом. Тем же лептонным зарядом, что и электрон, обладает, согласно гипотезе о лептонном заряде, и нейтрино. Позитрон и антинейтрино имеют отрицательный единичный лептонный заряд. Легко проверить, что в распаде нейтрона n → p + e− + ν сохраняются как барионный, так и лептонный заряды. К вопросу о том, насколько строгими законами являются законы сохранения барионного и лептонного зарядов, мы еще вернемся в конце этой книги. А сейчас обратимся к вопросу о том, существуют ли античастицы в окружающем нас мире. Из-за реакций аннигиляции сколько-нибудь тесное сосуществование частиц и античастиц невозможно. Поэтому, попав в соприкосновение с «враждебной средой», те немногие античастицы, которые удается произвести в лабораторных условиях, рано или поздно гибнут. Но в областях Вселенной, далеких от нашего обычного вещества, вполне могли бы существовать антимиры, построенные из антиатомов. Энергетические уровни антиатомов и атомов одинаковы, их химические свойства неотличимы. (Очень небольшие отличия между веществом и антивеществом проявляются лишь в слабых взаимодействиях.) Поэтому в принципе могли бы существовать и «антижизнь», и «антилюди», и «антимиры». Фотоны, приходящие к нам от антизвезд, не должны ничем отличаться от фотонов обычных звезд. Так что оптические радионаблюдения не могли бы уловить разницу между звездой и антизвездой. Это можно было бы в принципе сделать при дальнейшем развитии нейтринной астрономии. Ведь обычные звезды, как и наше Солнце, испускают нейтрино, рождающиеся в термоядерных реакциях, а антизвезды должны испускать антинейтрино. В настоящее время астрофизики скептически относятся к возможности существования антимиров. Они исходят при этом из того, что в первичных космических лучах, приходящих к нам из отдаленных областей Вселенной, не найдено заметной примеси антипротонов. Другим аргументом является то, что не наблюдаются те характерные γ -кванты с энергией, равной энергии покоя электрона, которые должны были бы возникать при аннигиляции медленных электронов и позитронов на границе раздела между веществом и антивеществом (e+ e− → 2γ). 40 Адроны и кварки Вопрос о том, почему наш мир состоит из вещества, а не из антивещества или не из равных количеств того и другого, в последние годы привлекает все большее внимание физиков-теоретиков. А тем временем физики-экспериментаторы уже широко используют пучки позитронов и антипротонов в своих экспериментах. В частности, в подавляющем большинстве существующих в настоящее время коллайдеров сталкиваются пучки частиц и соответствующих античастиц - протонов и антипротонов, электронов и позитронов. АДРОНЫ И КВАРКИ Целый пласт новых явлений и понятий был вскрыт при исследовании сильных взаимодействий. Еще в 40-х годах стало ясно, что нуклоны отнюдь не являются единственными частицами, обладающими сильными взаимодействиями; они принадлежат к обширному классу частиц, впоследствии (в начале 60-х годов) названных адронами. По-гречески «хадрос» - массивный, сильный. Кстати, от этого же греческого слова очень давно было образовано русское слово «ядро». С пуском мощных ускорителей новые адроны посыпались, как из рога изобилия, и в настоящее время известно свыше трехсот различных адронов. В середине 60-х годов была выдвинута гипотеза, что все адроны построены из более фундаментальных частиц, названных кварками. Последующие исследования подтвердили правильность этой гипотезы. Все кварки имеют спин, равный 1/2. В настоящее время установлено существование пяти разновидностей кварков: u, d, s, c, b. (Здесь кварки перечислены в порядке возрастания их масс: mu ≈ 5 МэВ, md ≈ 7 МэВ, ms ≈ 150 МэВ, mc ≈ 1,3 ГэВ, mb ≈ 5 ГэВ.) Ожидают, что должен существовать и шестой, еще более тяжелый кварк, t ∗). Безуспешные поиски адронов, содержащих t-кварки, указывают на то, что mt > 20 گیگا ولت کوارک های u، c و t دارای بار الکتریکی 2/3 + و کوارک های d، s و b دارای بار 1/3- هستند. کوارک هایی با بار 2/3 + معمولاً کوارک های بالا نامیده می شوند و کوارک هایی با بار 1/3- را کوارک های پایین می نامند. نام کوارک ها از کلمات انگلیسی up, down, strange, charm, bottom, top گرفته شده است. ∗) برای کشف کوارک بالا، بخش "20 سال بعد" را ببینید. هادرون ها و کوارک ها 41 مدل کوارک در زمانی ارائه شد که فقط هادرون های به اصطلاح سبک شناخته شده بودند، یعنی هادرون هایی که فقط از کوارک های سبک u، d و s تشکیل شده بودند. این مدل بلافاصله کل سیستماتیک این هادرون ها را مرتب کرد. بر اساس آن، نه تنها ساختار ذرات در آن زمان شناخته شده بود، بلکه تعدادی هادرون ناشناخته در آن زمان نیز پیش‌بینی شد. همه هادرون ها را می توان به دو دسته بزرگ تقسیم کرد. برخی از آنها که باریون نامیده می شوند از سه کوارک ساخته شده اند. باریون ها فرمیون هستند و دارای اسپین نیمه صحیح هستند. برخی دیگر که مزون نامیده می شوند از یک کوارک و یک آنتی کوارک تشکیل شده اند. مزون ها بوزون هستند، آنها یک اسپین کامل دارند. (بوزون ها، فرمیون ها و باریون ها قبلاً در بالا مورد بحث قرار گرفته اند.) نوکلئون ها سبک ترین باریون ها هستند. یک پروتون از دو کوارک u و یک کوارک d (p = uud)، یک نوترون از دو کوارک d و یک کوارک u (n = ddu) تشکیل شده است. یک نوترون از یک پروتون سنگین تر است زیرا کوارک d سنگین تر از کوارک u است. اما به طور کلی، همانطور که به راحتی قابل مشاهده است، جرم نوکلئون ها تقریباً دو مرتبه بزرگتر از مجموع جرم سه کوارک مربوطه است. این با این واقعیت توضیح داده می شود که نوکلئون ها از کوارک های "برهنه" تشکیل نمی شوند، بلکه از کوارک هایی "پیچیده شده" در نوعی "پوشش گلوئونی" سنگین تشکیل شده اند (گلئون ها در بخش بعدی مورد بحث قرار خواهند گرفت). باریون هایی که از بیش از کوارک های u و d تشکیل شده اند، هایپرون نامیده می شوند. به عنوان مثال، سبک ترین هایپرون، Λ-هایپرون، از سه کوارک مختلف تشکیل شده است: Λ = uds. سبک‌ترین مزون‌ها - مزون‌ها یا پیون‌ها هستند: π +، π -، π 0. ساختار کوارکی پیون‌های باردار ساده است: π + = ud، π - = d u. در مورد پیون خنثی، ترکیبی خطی از حالت‌های uu و dd است: بخشی از زمان را در حالت uu و بخشی از زمان را در حالت dd می‌گذراند. با احتمال مساوی، مزون π 0 را می توان در هر یک از این حالات یافت: 1 π 0 = √ (u u − dd). π + - π - - مزونها 2 جرمها و (این مزونها متقابلاً ضد ذرات هستند) تقریباً 140 مگا ولت هستند. جرم مزون π 0 (مزون π 0، مانند فوتون، واقعاً خنثی است) تقریباً 135 مگا ولت است. مزون های بعدی به ترتیب افزایش جرم، مزون های K هستند که جرم آنها تقریباً 500 مگا ولت است. مزون های K حاوی s کوارک هستند: 0 = sd، K − = s K + = u s، K 0 = d s، K u. 42 هادرون ها و کوارک ها K + - و K - - مزون ها پادذره هایی نسبت به یکدیگر هستند 0 -مزون ها که مشابه یکدیگر هستند. همین امر در مورد K 0 صدق می کند - و K واقعاً ذرات خنثی نیستند. توجه داشته باشید که ذرات حاوی اس کوارک را ذرات عجیب و به خود s کوارک کوارک عجیب می گویند. این نام در دهه 50 بوجود آمد، زمانی که برخی از خواص ذرات عجیب و غریب شگفت انگیز به نظر می رسید. بدیهی است که از سه کوارک (u, d, s) و سه آنتی کوارک d, s 9 حالت مختلف می توان ساخت: (u u u ud u s d u dd d s s u sd s s. هفت حالت از این نه حالت (سه حالت برای مزون π و چهار برای K -مزون) ما قبلاً در مورد دو برهم نهفته - ترکیبات خطی حالتهای u، dd و s بحث کردیم. جرم دیگری - جرم η -مزون - برابر با 960 است مزون‌های π 0، η - و η-مزون‌های واقعاً خنثی هستند (جزئیات بیشتر. برهم‌نهی‌های مکانیکی کوانتومی در صفحه 48 مورد بحث قرار گرفته‌اند.) 9 مزونی که اکنون به آنها نگاه کردیم دارای اسپین صفر هستند: J = 0. هر یک از این مزون‌ها شامل یک کوارک و یک آنتی کوارک که دارای تکانه مداری صفر هستند: L = 0. اسپین های کوارک و آنتی کوارک به سمت یکدیگر نگاه می کنند، به طوری که اسپین کل آنها نیز صفر است: S = 0. اسپین مزون J مجموع هندسی است. تکانه مداری کوارک ها L و کل اسپین آنها S: J = L + S. در این حالت، مجموع دو صفر به طور طبیعی صفر می دهد. هر یک از نه مزون مورد بحث در نوع خود سبک ترین هستند. به عنوان مثال، مزون هایی را در نظر بگیرید که در آنها تکانه مداری کوارک و آنتی کوارک هنوز صفر است، L = 0، اما اسپین های کوارک و آنتی کوارک موازی هستند، به طوری که S = 1 43 ذرات جذاب و در نتیجه J = 1. مزون‌ها سنگین‌تر ∗0، ω 0، ϕ0 را تشکیل می‌دهند: نه (ρ+، ρ−، ρ0، K∗+، K∗0، K∗−، K ρ+، ρ−، ρ0 770 MeV ∗0 K∗+ , K ∗ 0 , K ∗− , K 892 MeV ω0 783 MeV ϕ0 1020 MeV مزون های متعددی شناخته شده است که برای آنها L = 0 و J > 1 است. توجه داشته باشید که در سال 1983 یک مزون با اسپین بالا در شتاب دهنده سرپوخوف کشف شد: J = 6 اکنون به باریون های ساخته شده از کوارک های u-، d- و s می پردازیم. بر اساس مدل کوارک، گشتاورهای مداری سه کوارک در یک نوکلئون برابر با صفر است و اسپین نوکلئون J برابر است. به عنوان مثال، اسپین های دو کوارک در پروتون موازی هستند و اسپین کوارک d در جهت مخالف است. 2. طبق مدل کوارک، پروتون، نوترون، λ-هایپرون و پنج هایپرون دیگر یک هشت تایی (هشت) از باریون ها را با J = 1 تشکیل می دهند. و باریون ها با J = 3/2 یک دکوپلت (ده) تشکیل می دهند: ddd udd uud uuu dds uds uus dss uss sss ←→ Δ− Δ0 Δ+ Δ++ Σ− Σ0 Σ+ Ξ− Ξ0 Ω− 1232 MeV 1385 MeV 153 MeV 1672 MeV. هایپرون Ω−، راس این هرم معکوس، به طور تجربی در سال 1964 پیدا شد. جرم آن دقیقاً همان چیزی بود که مدل کوارک پیش بینی کرده بود. ذرات افسون شده اما پیروزی واقعی مدل کوارک، کشف ذرات افسون شده حاوی سی کوارک بود (کلمه روسی "افسون" با جذابیت انگلیسی مطابقت دارد). اولین ذره جذاب به نام مزون J/ψ با جرم 3.1 GeV در سال 1974 کشف شد. تقریباً به طور همزمان در دو آزمایش با شتاب دهنده های مختلف. در شتاب دهنده پروتون، مزون J/ψ به صورت 44 مشاهده شد که محصور شدن کوارک در میان محصولات برخورد پرتو پروتون با هدف بریلیوم توسط فروپاشی آن J/ψ → e+ e− مشاهده شد. در برخورددهنده الکترون پوزیترون در واکنش e+e- → J/ψ مشاهده شد. گروه اول فیزیکدانان این مزون را J نامیدند، دومی - ψ، بنابراین مزون J/ψ نام دوگانه خود را گرفت. مزون J/ψ یکی از سطوح سیستم cc است که به آن "charmonium" (از افسون انگلیسی) می گویند. از برخی جهات، c شبیه اتم هیدروژن است. با این حال، مهم نیست که وضعیت اتم هیدروژن در چه مفهومی از سیستم باشد (الکترون آن در هر سطحی که قرار دارد)، همچنان اتم هیدروژن نامیده می شود. در مقابل، سطوح مختلف شارمونیوم (و نه تنها شارمونیوم، بلکه سایر سیستم های کوارکی) به عنوان مزون های جداگانه در نظر گرفته می شوند. در حال حاضر، حدود دوازده مزون - سطوح شارمونیوم - کشف و مطالعه شده است. این سطوح در جهت گیری متقابل اسپین های کوارک و آنتی کوارک، مقادیر گشتاور زاویه ای مداری آنها و تفاوت در خواص شعاعی توابع موج آنها با یکدیگر متفاوت هستند. به دنبال شارمونیوم، مزون هایی با جذابیت آشکار کشف شد: D+ = cd، D0 = c u، F + = cs، − 0 − D = d c، D = u c، F = s c، 1869 MeV 1865 MeV 2020 MeV (مقادیر تقریبی عبارتند از در اینجا انبوهی از مزون های جذاب را نشان می دهد). باریون های جذاب نیز کشف شدند. کشف ذرات جذاب و سپس هادرون‌های سنگین‌تر حاوی کوارک‌های b و مطالعه خواص آنها تأییدی درخشان بر نظریه کوارک هادرون‌ها بود. برای اولین بار، به لطف جرم بزرگ کوارک های c و b، تصویر سطوح سیستم کوارک-آنتی کوارک با تمام غنا و وضوح ظاهر شد. تأثیر روانی این کشف بسیار زیاد بود. حتی کسانی که قبلاً در مورد آنها بیش از حد شک داشتند به کوارک ها اعتقاد داشتند. شکست کوارک ها اگر همه هادرون ها از کوارک ها تشکیل شده باشند، به نظر می رسد که کوارک های آزاد نیز باید وجود داشته باشند. یافتن کوارک های رایگان آسان خواهد بود. از این گذشته ، آنها بارهای الکتریکی کسری دارند. اما خنثی کردن یک بار کسری با هر تعداد الکترون و پروتون غیرممکن است: همیشه یا "کم تابش کوارک ها به مدت 45 سال" یا "بیش از حد" وجود خواهد داشت. اگر مثلاً یک قطره روغن حاوی یک کوارک باشد، بار تمام قطره کسری خواهد بود. آزمایش‌هایی با قطرات در آغاز قرن، زمانی که بار یک الکترون اندازه‌گیری شد، انجام شد. در جستجوی کوارک ها، در زمان ما با دقت بسیار بالاتری تکرار شدند. اما بارهای کسری هرگز کشف نشد. تجزیه و تحلیل طیف‌سنجی جرمی بسیار دقیق آب نیز منجر به یک نتیجه منفی شد که حد بالایی را برای نسبت تعداد کوارک‌های آزاد به تعداد پروتون‌های مرتبه 27-10 داد. درست است، آزمایش‌کنندگان در آزمایشگاه دانشگاه استنفورد، با معلق کردن توپ‌های کوچک نیوبیوم در میدان‌های مغناطیسی و الکتریکی، بارهای کسری روی آنها کشف کردند. اما این نتایج در آزمایشگاه های دیگر تایید نشد. امروزه اکثر متخصصان در نتیجه گیری های خود تمایل دارند بر این باورند که کوارک ها در طبیعت در حالت آزاد وجود ندارند. یک وضعیت متناقض بوجود آمده است. کوارک ها بدون شک در داخل هادرون ها وجود دارند. این نه تنها توسط سیستماتیک کوارک هادرون ها که در بالا توضیح داده شد، بلکه با "انتقال" مستقیم نوکلئون ها توسط الکترون های پرانرژی نیز مشهود است. تجزیه و تحلیل نظری این فرآیند (به نام پراکندگی عمیق غیرالاستیک) نشان می‌دهد که در داخل هادرون‌ها، الکترون‌ها بر روی ذرات نقطه‌ای با بارهای برابر با 3/2+ و 3/1- پراکنده می‌شوند و اسپین برابر با 2/1 است. در فرآیند پراکندگی عمیق غیرکشسانی، الکترون به شدت تکانه و انرژی خود را تغییر می دهد و بخش قابل توجهی از آن را به کوارک می دهد (شکل 9). در اصل، این بسیار شبیه به تغییر ناگهانی تکانه یک ذره آلفا در هنگام برخورد با هسته یک اتم است (شکل 10). اینگونه بود که وجود هسته های اتمی در آغاز قرن بیستم در آزمایشگاه رادرفورد مشخص شد. بارهای کسری کوارک ها نیز خود را در یک فرآیند عمیقا غیرکشسان دیگر نشان می دهند: ایجاد جت های هادرون در نابودی e+e- در انرژی های بالا (در برخورد دهنده های بزرگ). جت های هادرون در e+e−-annihilation با جزئیات بیشتر در پایان کتاب مورد بحث قرار خواهد گرفت. بنابراین، بدون شک کوارک ها در داخل هادرون ها وجود دارند. اما حذف آنها از هادرون غیرممکن است. این پدیده را کلمه انگلیسی “confinement” می نامند که به معنای اسارت، حبس است. کوارکی که در نتیجه برخورد با یک الکترون انرژی به دست آورده است (نگاه کنید به شکل 9) به عنوان یک ذره آزاد از نوکلئون پرواز نمی کند، بلکه انرژی خود را برای تشکیل یک کوارک-ضد کوارک هدر می دهد. 9. پراکندگی الکترون روی یکی از سه کوارک پروتون. پروتون - دایره بزرگ، کوارک - نقاط سیاه شکل. 10. پراکندگی یک ذره α بر روی هسته اتم. اتم یک دایره بزرگ است، هسته یک نقطه سیاه در مرکز جفت کوارک است، یعنی تشکیل هادرون های جدید، عمدتا مزون ها. به یک معنا، تلاش برای شکستن یک مزون به کوارک‌ها و آنتی‌کوارک‌های تشکیل‌دهنده آن شبیه به تلاش برای شکستن سوزن قطب‌نما به قطب‌های جنوب و شمال است: با شکستن سوزن، به جای یک دوقطبی، دو قطب مغناطیسی به دست می‌آید. با شکستن یک مزون دو مزون بدست می آوریم. انرژی ای که برای جدا کردن کوارک اصلی و آنتی کوارک صرف می کنیم برای ایجاد یک جفت آنتی کوارک به اضافه کوارک استفاده می شود که دو مزون با مزون های اصلی تشکیل می دهند. اما قیاس با سوزن مغناطیسی ناقص و فریبنده است. از این گذشته، ما می دانیم که در آهن، نه تنها در سطح ماکرو، بلکه در سطح خرد، هیچ قطب مغناطیسی وجود ندارد، فقط گشتاورهای دوقطبی مغناطیسی ناشی از اسپین ها و حرکت مداری الکترون ها وجود دارد. برعکس، در اعماق هادرون ها کوارک های منفرد وجود دارند - هر چه عمیق تر به داخل نفوذ کنیم، آنها را واضح تر می بینیم. در گرانش و الکترودینامیک، ما به این واقعیت عادت کرده‌ایم که وقتی ذرات به هم نزدیک می‌شوند، نیروهای بین ذرات افزایش می‌یابد و وقتی ذرات از هم دور می‌شوند ضعیف می‌شوند (پتانسیل‌هایی مانند 1/r). در مورد کوارک و آنتی کوارک وضعیت متفاوت است. یک شعاع بحرانی r0 ≈ 10-13 سانتی متر وجود دارد: در r r0 پتانسیل بین کوارک و آنتی کوارک کم و بیش شبیه کولمبی یا نیوتنی است، اما در r0 رفتار آن به شدت تغییر می کند - شروع به رشد می کند. ممکن است فکر کنیم که اگر کوارک های سبک (u, d, s) در جهان وجود نداشت، بلکه فقط کوارک های سنگین (c, b, t) وجود داشت، در این صورت، با شروع از r≈ r0، پتانسیل به صورت خطی افزایش می یابد. افزایش r، و ما محدودیتی را خواهیم داشت که توسط یک پتانسیل نوع Gluon توصیف شده است. رنگ قیفی 47 (برای مقایسه به شکل 11 و شکل 5 مراجعه کنید). پتانسیل رشد خطی مربوط به نیرویی است که با فاصله تغییر نمی کند. به یاد بیاورید که وقتی یک فنر سفت معمولی کشیده می شود، انرژی پتانسیل آن با افزایش طولش به طور درجه دوم افزایش می یابد. بنابراین، محدودیت توصیف شده توسط یک پتانسیل رشد خطی را می توان به طور طبیعی نرم نامید. متأسفانه، در دنیای واقعی، ایجاد جفت کوارک های سبک امکان جداسازی کوارک و آنتی کوارک اصلی را در فواصل بزرگتر از شکل 1 فراهم نمی کند. 11. پتانسیل از نوع vo10-13 سانتی متر، بدون اینکه شاخ های اولیه توصیف کننده پلکوارک و آنتی کوارک دوباره توسط کوارک موجود در هادرون، این بار در دو مزون مختلف، به هم متصل شوند. بنابراین نمی توان فنر محصور کننده نرم را در فواصل طولانی آزمایش کرد. چه میدان‌های نیرویی باعث می‌شوند کوارک‌ها به این شیوه‌های عجیب رفتار کنند؟ چه نوع چسب غیر معمولی آنها را به هم می چسباند؟ GLUONS. COLOR میدان نیروی قوی که توسط کوارک ها و آنتی کوارک ها ایجاد می شود و بر روی آنها اثر می گذارد، میدان گلوئون نامیده می شود و ذرات g که کوانتوم های تحریک این میدان هستند را گلوئون می نامند (از چسب انگلیسی - glue). گلوئون ها با میدان گلوئون مطابقت دارند همانطور که فوتون ها با میدان الکترومغناطیسی هستند. ثابت شده است که مانند فوتون ها، گلوئون ها دارای اسپین برابر با یک هستند: J = 1 (مثل همیشه، به واحدهای h̄). برابری گلوئون ها مانند فوتون ها منفی است: P = -1. (تعادل در زیر، در بخش ویژه "تقارن های C -، P -، T - مورد بحث قرار خواهد گرفت.") ذرات با اسپین برابر با یک و برابری منفی (J P = 1-) بردار نامیده می شوند، زیرا در طول چرخش و بازتاب مختصات توابع موج آنها به عنوان بردارهای فضایی معمولی تبدیل می شوند. بنابراین گلوئون نیز مانند فوتون به دسته ای از ذرات به نام بوزون های بردار بنیادی تعلق دارد. 48 گلوئون. رنگ نظریه برهمکنش فوتون ها با الکترون ها الکترودینامیک کوانتومی نامیده می شود. نظریه برهم کنش گلوئون ها با کوارک ها کرومودینامیک کوانتومی (از یونانی "chromos" - رنگ) نامیده شد. واژه «رنگ» هنوز در صفحات این کتاب نیامده است. اکنون سعی خواهم کرد به شما بگویم که پشت آن چه چیزی نهفته است. شما قبلاً می‌دانید که پنج نوع مختلف (یا همانطور که می‌گویند طعم) کوارک‌ها (u، d، s، c، b) را به‌طور تجربی مشاهده کرده‌اید و در شرف کشف ششمین (t) هستید. بنابراین، بر اساس کرومودینامیک کوانتومی، هر یک از این کوارک ها نه یک، بلکه سه ذره متفاوت هستند. بنابراین در مجموع 6، بلکه 18 کوارک وجود دارد و با در نظر گرفتن آنتی کوارک ها، معمولاً می گویند که یک کوارک از هر طعم به شکل سه نوع وجود دارد که از نظر رنگ با یکدیگر متفاوت هستند. رنگ‌های کوارک‌ها معمولاً زرد (g)، آبی (c) و قرمز (k) هستند. رنگ های آنتی کوارک ها ضد آبی (c)، ضد قرمز (k) است. البته همه چیز زرد (g) است، این نام ها کاملاً متعارف هستند و ربطی به رنگ های نوری معمولی ندارند. فیزیکدانان از آنها برای تعیین بارهای خاصی که کوارک ها دارند و منابع میدان های گلوئونی هستند، استفاده می کنند، همانطور که بار الکتریکی منبع میدان فوتون (الکترومغناطیسی) است. وقتی در مورد میدان های گلوئون صحبت می کنم از جمع و هنگام صحبت در مورد میدان فوتون از مفرد استفاده کردم اشتباه نکردم. واقعیت این است که هشت نوع رنگی گلوئون وجود دارد. هر گلوئون حامل یک جفت بار است: بار رنگ یا c یا k است. در مجموع، نه جفت ترکیب را می توان از (w یا s، یا k) و "ضد رنگ" (w سه رنگ و سه "ضد رنگ") ساخت: zhs w k zh ss s k szh ks k k ترکیب‌های زوجی به طور طبیعی به شش غیر مورب «رنگی واضح» تقسیم می‌شوند: s g s، szh، k، ks، kzh، kzh و سه مورب (که روی مورب جدول ما ایستاده‌اند)، که نوعی «رنگ پنهان» دارند: ss, k zhzh, Gluons Color 49 بارهای رنگی، مانند یک بار الکتریکی، حفظ می شوند، بنابراین، شش جفت رنگی غیر مورب نمی توانند با یکدیگر ترکیب شوند بقای بارهای رنگی مانع از انتقال نمی شود: ↔ ss ↔ در نتیجه این انتقال ها، سه ترکیب خطی (برهم نهفته) به وجود می آیند که یکی از آنها 1 + ss + k √ (lj k) است. نسبت به رنگ ها کاملاً متقارن است، حتی شارژ رنگی پنهان ندارد، یا همانطور که می گویند، می توان دو ترکیب مورب دیگر را انتخاب کرد: 1 − ss. zh 2 و 1 + ss − 2k √ (zh k) . 6 یا به دو روش دیگر (با جایگزینی چرخه ای zh → s → k → zh). ما در اینجا ضرایب این برهم نهی های خطی را مورد بحث قرار نخواهیم داد، زیرا این از حوصله این کتاب خارج است. همین امر در مورد هم ارزی فیزیکی سه انتخاب مختلف از برهم نهی های مورب صدق می کند. در اینجا مهم است که هر یک از هشت ترکیب (شش رنگ واضح و دو رنگ پنهان) مربوط به یک گلوئون باشد. بنابراین، هشت گلوئون وجود دارد: 8 = 3 · 3 − 1. بسیار مهم است که در فضای رنگی هیچ جهت ترجیحی وجود نداشته باشد: سه کوارک رنگی برابر، سه آنتی کوارک رنگی برابر، و هشت گلوون رنگی برابر هستند. تقارن رنگ سخت است. با گسیل و جذب گلوئون ها، کوارک ها به شدت با یکدیگر تعامل دارند. برای قطعیت، اجازه دهید کوارک قرمز را در نظر بگیریم. با گسیل، به دلیل حفظ رنگ، به یک ژلگلون از نوع kzh یعنی کوارک هفتم تبدیل می شود، زیرا طبق قوانین بازی، انتشار ضد رنگ c، قرمز معادل جذب رنگ است. با گسیل یک گلوئون، کوارک آبی می شود. واضح است که همین نتایج در مورد gluon ks نیز صدق می کند. همچنین منجر به جذب یک گلوئون توسط یک کوارک قرمز می شود. در حالت اول، کوارک زرد می شود و در حالت دوم آبی می شود. این 50 گلوون فرآیندهای رنگی انتشار و جذب گلوئون توسط کوارک قرمز را می توان به این شکل نوشت: qк → ql + gkl، qk + gkl → ql، qk → qс + gкс، qk + gкс → qс، که در آن qk، ql، qs نشان می دهد. قرمز، زرد و آبی، به ترتیب کوارک هایی با هر طعمی، و gkzh، g kzh، gks و g ks گلوئون های قرمز-ضد زرد، ضد قرمز-زرد، قرمز-ضد آبی و ضد قرمز-آبی هستند. به روشی مشابه، می‌توان گسیل و جذب گلوئون‌های خارج از مورب توسط کوارک‌های زرد و آبی را در نظر گرفت. بدیهی است که انتشار و جذب گلوئون های مورب رنگ کوارک را تغییر نمی دهد. این واقعیت که گلوئون ها بارهای رنگی را حمل می کنند منجر به تفاوت اساسی بین این ذرات و فوتون ها می شود. فوتون بار الکتریکی ندارد. بنابراین، فوتون فوتون‌ها را ساطع نمی‌کند یا تکان نمی‌دهد. گلوئون ها بارهای رنگی دارند. بنابراین، یک گلوئون گلوئون ساطع می کند. هر چه جرم یک ذره باردار کوچکتر باشد، ذره راحتتر ساطع می کند. گلوئون‌ها بدون جرم هستند، بنابراین انتشار گلوئون‌ها توسط گلوئون‌ها، اگر آزاد باشند، به‌طور فاجعه‌باری قوی خواهد بود. اما به فاجعه نمی رسد. فعل و انفعالات قوی بین گلوئون ها منجر به محصور شدن خود و کوارک ها می شود. برهمکنش قوی بارهای رنگی در فواصل حدود 10-13 سانتی متر به قدری قوی می شود که بارهای رنگ ایزوله نمی توانند در فواصل طولانی فرار کنند. در نتیجه، تنها چنین ترکیباتی از بارهای رنگی می توانند به صورت آزاد وجود داشته باشند که به طور کلی بار رنگی ندارند. الکترودینامیک امکان وجود اتم های خنثی الکتریکی و الکترون ها و یون های جدا شده را فراهم می کند. کرومودینامیک اجازه می دهد که در حالت ایزوله فقط هادرون های بی رنگ و "سفید" وجود داشته باشد که در آن همه رنگ ها به طور مساوی مخلوط می شوند. به عنوان مثال، π + -مزون زمان مساوی را در هر یک از سه k ممکن صرف می کند: حالت های رنگی uл dж، uc dс و uk d مجموع این حالت ها را نشان می دهد. جمله آخر، مانند جمله در مورد گلوئون با رنگ پنهان، نباید برای خواننده آموزش ندیده خیلی واضح باشد. اما، همانطور که در بالا ذکر شد، همه چیز در فیزیک Gluon نیست. رنگ ذرات بنیادی 51 ke را می توان به سادگی و به وضوح "روی انگشتان شما" توضیح داد. در این زمینه، به نظر من مناسب است در اینجا نظراتی ارائه کنم که نه تنها به این بخش، بلکه به بخش های دیگر کتاب و به طور کلی به ادبیات علوم عامه مرتبط باشد. کتاب ها و مقالات علمی عامه پسند با اجازه دادن به خواننده به نحوی در هزارتوی چند بعدی، عظیم و پیچیده علم، منفعت بی شک و بزرگی را به ارمغان می آورند. در عین حال، آنها باعث آسیب شناخته شده می شوند. با ارائه توصیفی شفاهی، بسیار تقریبی و ساده‌سازی شده از تئوری‌ها و آزمایش‌های علمی (و توصیف‌های دیگر در کتاب‌های رایج اغلب غیرممکن است)، می‌توانند حس کاذبی از سادگی و درک کامل را در خواننده ایجاد کنند. بسیاری از مردم این تصور را دارند که نظریه های علمی توصیف شده تا حد زیادی، اگر نگوییم کاملا اختیاری، دلبخواه هستند. آنها می گویند ممکن است چیز دیگری اختراع شود. این ادبیات علم عامه است که مسئول جریان تمام نشدنی حروف حاوی «ردیه‌ها» و «پیشرفت‌های شدید» بی‌سواد نظریه نسبیت، مکانیک کوانتومی و نظریه ذرات بنیادی است که بر نهادهای فیزیکی اصلی کشور می‌افتد. به نظر من نویسنده یک کتاب علمی عامه پسند نه تنها باید ساده را توضیح دهد، بلکه باید در مورد وجود چیزهای پیچیده ای که فقط برای متخصصان در دسترس است به خواننده هشدار دهد. کوارک ها و گلوئون های رنگی اختراع ذهن بیکار نیستند. کرومودینامیک کوانتومی توسط طبیعت به ما تحمیل شده است، توسط تعداد زیادی از حقایق تجربی تأیید شده و همچنان ادامه دارد. این یکی از پیچیده ترین تئوری های فیزیکی (و شاید پیچیده ترین) با دستگاه ریاضی بسیار غیر پیش پا افتاده و کاملاً توسعه نیافته است. در حال حاضر، هیچ حقیقت واحدی وجود ندارد که با کرومودینامیک کوانتومی مغایرت داشته باشد. با این حال، تعدادی از پدیده ها در آن فقط یک توضیح کیفی پیدا می کنند، و نه توصیف کمی. به طور خاص، هنوز درک کاملی از مکانیسم چگونگی توسعه جت‌های هادرونیک از جفت‌های "کوارک + آنتی کوارک" تولید شده در فواصل کوتاه وجود ندارد. تئوری حبس هنوز ساخته نشده است. اکنون قدرتمندترین فیزیکدانان نظری در سراسر جهان روی این سؤالات کار می کنند. این کار نه تنها با استفاده از ابزارهای سنتی - مداد و کاغذ، بلکه از طریق چندین ساعت محاسبات روی رایانه های مدرن قدرتمند انجام می شود. در این «آزمایش‌های عددی» 52 لپتون، فضا و زمان پیوسته با شبکه‌های چهار بعدی گسسته حاوی حدود 104 گره جایگزین می‌شوند و میدان‌های گلوئون روی این شبکه‌ها در نظر گرفته می‌شوند. لپتون‌ها در چند بخش آخر، خواص و ساختار هادرون‌ها، بسیاری از خویشاوندان پروتون را مورد بحث قرار دادیم. اجازه دهید اکنون به نزدیکان الکترون بپردازیم. آنها لپتون نامیده می شوند (در یونانی "لپتوس" به معنای کوچک، کوچک و "میت" به معنای یک سکه کوچک است). مانند الکترون، همه لپتون ها در برهمکنش های قوی شرکت نمی کنند و دارای اسپین 1/2 هستند. مانند الکترون، تمام لپتون‌های موجود در سطح دانش کنونی را می‌توان ذرات واقعاً بنیادی نامید، زیرا هیچ یک از لپتون‌ها ساختاری مشابه ساختار هادرون ندارند. به این معنا، لپتون ها را ذرات نقطه ای می نامند. در حال حاضر، وجود سه لپتون باردار ثابت شده است: e−، μ−، τ−، و سه لپتون خنثی: νe، νμ، ντ (دومی بر این اساس نام‌گذاری می‌شوند: نوترینو الکترونی، نوترینو میون و نوترینو تاو). هر یک از لپتون های باردار، البته، پادذره مخصوص به خود را دارند: e+، μ+، τ+. در مورد سه نوترینو، معمولاً اعتقاد بر این است که هر یک از آنها پادذره مخصوص به خود را دارند: νe، νμ، ντ. اما در حال حاضر نمی توان رد کرد که νe، νμ و ντ واقعاً ذرات خنثی هستند و هر یک از آنها به اندازه یک فوتون تنها هستند. اکنون در مورد هر یک از لپتون ها به طور جداگانه صحبت می کنیم. قبلاً در صفحات قبلی کتاب به تفصیل درباره الکترون ها صحبت کرده ایم. میون در پرتوهای کیهانی کشف شد. فرآیند کشف میون (از اولین مشاهده آن تا درک این واقعیت که این ذره محصول فروپاشی یک پیون باردار است: π + → μ+ νμ ، π - → μ− νμ) به مدت یک دهه به طول انجامید - از اواخر دهه 30 تا اواخر دهه 40. توجه داشته باشید که حضور نوترینوی میون خود میون حتی بعدها - در اوایل دهه 60 - ثابت شد. در مورد لپتون تاو، در سال 1975 در واکنش e+ e- → τ + τ- در برخورد دهنده الکترون-پوزیترون کشف شد. جرم میون و τ-لپتون به ترتیب 106 MeV و 1784 MeV است. برخلاف الکترون، میون و τ -لپتون ناپایدار هستند. طول عمر یک میون 2·10-6 ثانیه است، طول عمر یک τ-لپتون تقریباً 5·10-13 ثانیه است. میون از طریق یک کانال تجزیه می شود. بنابراین، محصولات فروپاشی μ− e− νe νμ هستند و محصولات فروپاشی μ+ e+ νe νμ هستند. لپتون τ کانالهای فروپاشی زیادی دارد: τ - → e - νe ντ ، τ - → μ− νμ ντ، τ - → ντ + مزونها، τ + → e+ νe ντ، τ + → μ+ νμ ντ، τ + → ντ + مزون ها این فراوانی کانال‌های فروپاشی با این واقعیت توضیح داده می‌شود که، به دلیل جرم زیاد، τ-لپتون می‌تواند به ذرات تبدیل شود که در آن فروپاشی میون توسط قانون بقای انرژی ممنوع است. دانش ما در مورد نوترینوها بسیار ناقص است. ما کمترین چیزی را در مورد ντ می دانیم. به ویژه، ما حتی در مورد جرم ντ نمی دانیم که آیا این جرم صفر است یا بسیار بزرگ. حد بالای تجربی mντ< 150 МэВ. Аналогичный верхний предел для мюонного нейтрино: mνμ < 0,5 МэВ. Для электронного нейтрино точность измерений несравненно выше. На пределе этой точности одна из экспериментальных групп сообщила, что mνe ≈ 30 эВ. Это сообщение ожидает в настоящее время независимой проверки в других лабораториях ∗). Экспериментально установлено, что каждый из заряженных лептонов принимает участие в слабых взаимодействиях вместе со своим нейтрино: e с νe , μ с νμ , τ с ντ . Например, n → pe− νe , π + → μ + νμ , τ + → ντ e+ νe . ПОКОЛЕНИЯ ЛЕПТОНОВ И КВАРКОВ Различия между кварками и лептонами бросаются в глаза: первые - цветные и дробнозарядные, вторые - бесцветные и целозарядные. Но есть у них и общие черты: и те, и другие имеют спин, равный 1/2; и те, и другие на современном уровне знания выглядят как точечные частицы. Поэтому лептоны и кварки называют фундаментальными фермионами. ∗) Современные данные о массах нейтрино см. в разделе «20 лет спустя». 54 Поколения лептонов и кварков Фундаментальные фермионы естественным образом разбиваются на три группы, которые принято называть поколениями: u d νe e− c s νμ μ− t? b ντ τ −. Вопросительный знак напоминает, что t-кварк пока что не открыт ∗). Но тот факт, что в двух поколениях заполнены все вакансии, наводит на мысль, что и третье поколение имеет ту же структуру. Частицы первого поколения - самые легкие, частицы третьего - самые тяжелые. Из заряженных частиц первого поколения построены атомы, а электронное нейтрино, хотя и прячется от глаз, но также играет важную роль, - не будь его, погасли бы Солнце и звезды. По существу, вся Вселенная покоится на плечах частиц первого поколения. Зачем нужны частицы двух других поколений, мы пока не знаем и только начинаем догадываться. Самая долгоживущая из них - мюон - живет микросекунды (2 · 10−6 с). Странные частицы живут 10−8 -10−10 с, остальные - меньше 10−12 с. С большим трудом рожденные на специально построенных ускорителях, эти частицы практически мгновенно гибнут. Исключение составляют лишь νμ и, возможно, ντ в том случае, если ντ безмассово или очень легкое. Невольно возникают вопросы: «Зачем нужно изучать эти эфемерные и экзотические создания, если никакой роли в нашей жизни они не играют? Оправданы ли затраты на дорогие ускорительные лаборатории?» В конце книги я попытаюсь собрать воедино различные ответы на первый вопрос и обосновать положительный ответ на второй. Здесь же хотелось бы сделать лишь два утверждения. Во-первых, изучение странных, очарованных и других частиц второго и третьего поколений позволило вскрыть кварковую структуру обычных нуклонов. Ведь на идею о кварках физиков натолкнуло экспериментальное исследование странных частиц, а окончательное подтверждение существования кварков дал чар∗) Современные данные о t-кварке см. в

(7. VII. 1929-23.XI.2015)- فیزیکدان نظری شوروی و روسی، ac. RAS (1990، عضو متناظر 1966). R. در سوخینیچی، منطقه کالوگا. فارغ التحصیل از موسسه فیزیک مهندسی مسکو (1953). از سال 1954 در مؤسسه فیزیک نظری و تجربی (رئیس آزمایشگاه نظری) مشغول به کار شد. از سال 1967 پروفسور MEPhI.

در زمینه تئوری ذرات بنیادی کار می کند. همراه با I.Ya . پومرانچوک(1956) برابری مقاطع در انرژی های بالای ذرات موجود در یک مضرب ایزوتوپی معین (قضیه Okun-Pomeranchuk) را پیش بینی کرد. اصطلاح "هادرون" را ابداع کرد (1962). پیش بینی کرد (1957) خواص ایزوتوپی جریان های هادرونی ضعیف، یک مدل ترکیبی از هادرون ها را پیشنهاد کرد و وجود 9 مزون شبه اسکالر را پیش بینی کرد.
به همراه B.L. آیوف و A.P. رودیکام (1957) پیامد نقض را در نظر گرفت R-، S-و عدم تغییر CP.
در همان سال به همراه ب.م. Pontecorvo تفاوت بین جرم Kl - و K s - مزونها را تخمین زد.
قواعد جمع کوانتومی کرومودینامیکی (1976) برای ذرات حاوی کوارک های جذاب (همراه با A.I. Vainshtein، M.B. Voloshin، V.I. Zakharov، V.A. Novikov و M.A. Shifman) ساخته شد.

در اوایل دهه هفتاد، در چارچوب نظریه چهار فرمیون، در کار مشترک با V.N. گریبوف، A.D. Dolgov و V.I. زاخاروف رفتار برهمکنش‌های ضعیف را در انرژی‌های مجانبی بالا مورد مطالعه قرار داد و یک نظریه سنج جدید از برهمکنش‌های الکتروضعیف ایجاد کرد (که در کتاب «لپتون‌ها و کوارک‌ها» که در سال 1981 منتشر شد و در سال 1990 بازنشر شد، توضیح داده شد. ).

در دهه 90، مجموعه‌ای از کارها طرح ساده‌ای را برای در نظر گرفتن اصلاحات تابشی ضعیف به احتمالات واپاشی بوزون Z ارائه کردند. در چارچوب این طرح، نتایج اندازه‌گیری‌های دقیق در شتاب‌دهنده‌های LEPI و SLC (هم‌نویسان M.I. Vysotsky، V.A. Novikov، A.N. Rozanov) تجزیه و تحلیل شد.
در کار در سال 1965 با SB. پیکلنر و یا.بی. زلدویچ غلظت احتمالی ذرات بنیادی باقیمانده (به ویژه کوارک های باردار کسری آزاد) را در جهان ما تجزیه و تحلیل کرد. در رابطه با کشف نقض برابری CP در کار با I.Yu. کوبزارف و آی.یا. پومرانچوک درباره «دنیای آینه‌ای» بحث می‌کرد که فقط از نظر گرانشی با دنیای ما مرتبط است.

در کار در سال 1974 با I.Yu. کوبزارف و یا.ب. زلدویچ تکامل حوزه‌های خلاء را در کیهان مطالعه کرد. در کار همان سال با I.Yu. کوبزارف و M.B. ولوشین مکانیزمی برای فروپاشی خلاء ناپایدار پیدا کرد (نظریه خلاء ناپایدار).

مدال ماتئوچی (1988). جایزه لی پیج (ایالات متحده آمریکا، 1989). جایزه کارپینسکی (آلمان، 1990). جایزه هومبولت (آلمان، 1993). جایزه برونو پونتکوروو از موسسه مشترک تحقیقات هسته ای (1996). مدال طلا به نام L. D. Landau RAS (2002). جایزه به نام I.Ya Pomeranchuk از موسسه فیزیک نظری و تجربی (2008).

مقالات:

1. Okun L. B. αβγ ... Z (مقدمه ابتدایی بر فیزیک ذرات بنیادی). - م.: علم. تحریریه اصلی ادبیات فیزیکی و ریاضی، 1985.- (کتابخانه کوانتوم، شماره 45).
2. نظریه نسبیت و قضیه فیثاغورث. کوانتوم، شماره 5، 1387، صص 3-10