शिक्षाविद् सिंह द्रव्यमान के बारे में सोचते हैं। लेव ओकुन

शिक्षाविद लेव बोरिसोविच ओकुन की वर्षगांठ

अकदमीशियन

ओकुन लेव बोरिसोविच

1953 में उन्होंने मॉस्को इंजीनियरिंग फिजिक्स इंस्टीट्यूट से स्नातक किया। एल.बी. की सभी वैज्ञानिक गतिविधियाँ। ओकुन्या सैद्धांतिक और प्रायोगिक भौतिकी संस्थान के साथ अटूट रूप से जुड़ा हुआ है, जहां वह 1954 में स्नातक छात्र के रूप में आए थे, 30 से अधिक वर्षों तक सैद्धांतिक प्रयोगशाला का नेतृत्व किया, और जहां वह आज भी मुख्य शोधकर्ता के रूप में काम कर रहे हैं।

1966 से संबंधित सदस्य, 1990 से शिक्षाविद - भौतिक विज्ञान विभाग।

एल. बी. ओकुन एक विश्व प्रसिद्ध वैज्ञानिक हैं। प्राथमिक कणों के सिद्धांत में विशेषज्ञ।

लेव बोरिसोविच की वैज्ञानिक रुचियाँ प्राथमिक कणों की लगभग संपूर्ण भौतिकी को कवर करती हैं।

लेव बोरिसोविच के लिए उनके वैज्ञानिक करियर की शुरुआत से ही कमजोर अंतःक्रियाएँ शोध का विषय रही हैं। 1957 में पहले से ही प्रारंभिक कार्य में (बी.एल. इओफ़े और ए.पी. रुडिक के साथ संयुक्त रूप से किया गया), मौलिक निष्कर्ष पर पहुंचा गया था कि $\beta$-decays में पी-समता उल्लंघन का अर्थ सी-समता उल्लंघन भी है। उसी वर्ष, बी.एम. के साथ मिलकर। पोंटेकोर्वो ने $K_L$- और $K_S$-मेसन के द्रव्यमान के बीच अंतर का अनुमान लगाया।

सत्तर के दशक की शुरुआत में, चार-फर्मियन सिद्धांत के ढांचे के भीतर, वी.एन. के साथ अपने संयुक्त कार्य में। ग्रिबोव, ए.डी. डोलगोव और वी.आई. ज़खारोव स्पर्शोन्मुख रूप से उच्च ऊर्जाओं पर कमजोर अंतःक्रियाओं के व्यवहार का अध्ययन करता है। इलेक्ट्रोवीक इंटरैक्शन के नए गेज सिद्धांत का वर्णन 1981 में प्रकाशित लेप्टन और क्वार्क में किया गया था।

90 के दशक में, कार्यों की एक श्रृंखला ने विशेष रूप से $Z$ बोसॉन की क्षय संभावनाओं के लिए इलेक्ट्रोवीक वेधशालाओं में लूप विकिरण सुधारों को ध्यान में रखने के लिए एक नई योजना का प्रस्ताव रखा, और एलईपी I, एलईपी II पर सटीक माप के परिणामों का विश्लेषण किया। , टेवाट्रॉन और एसएलसी त्वरक (सह-लेखक एम.आई. वायसोस्की, वी.ए. नोविकोव, ए.एन.

एल. बी. ओकुन की रुचि का एक अन्य क्षेत्र मजबूत बातचीत है। यहां प्राप्त कुछ परिणाम क्लासिक भी बन गए हैं। 1956 के एक पेपर में, स्पर्शोन्मुख रूप से उच्च ऊर्जा पर एक ही आइसोमल्टीप्लेट से कणों की परस्पर क्रिया के लिए क्रॉस सेक्शन की समानता पर प्रसिद्ध ओकुन-पोमेरेनचुक प्रमेय सिद्ध किया गया था। 1958 में, हैड्रॉन का एक समग्र मॉडल प्रस्तावित किया गया था, जिसके भीतर $\eta$- और $\eta^\ prime$-मेसन के अस्तित्व की भविष्यवाणी की गई थी (शब्द "हैड्रॉन" स्वयं एल.बी. ओकुन द्वारा भौतिकी में पेश किया गया था)। सत्तर के दशक के अंत में, चार्मोनियम के लिए क्यूसीडी रकम के नियम प्रस्तावित किए गए थे (ए.आई. वेन्स्टीन, एम.बी. वोलोशिन, वी.आई. ज़खारोव, वी.ए. नोविकोव और एम.ए. शिफमैन के साथ) और प्रसिद्ध समीक्षा "चार्मोनियम" लिखी गई थी और क्वार्क" (1977)।

LB। ओकुन एक शक्तिशाली वैज्ञानिक विद्यालय के संस्थापक हैं। उन्होंने विज्ञान के 20 उम्मीदवारों और डॉक्टरों को प्रशिक्षित किया।

वह इंटरनेशनल साइंस फाउंडेशन (सोरोस फाउंडेशन) और इंटरनेशनल एसोसिएशन फॉर सपोर्ट एंड कोऑपरेशन विद सीआईएस साइंटिस्ट्स (INTAS) के आयोजकों में से एक थे।

1981 -1986 में. LB। ओकुन CERN वैज्ञानिक नीति समिति के सदस्य थे, और 1992 से वह DESI वैज्ञानिक परिषद के सदस्य रहे हैं।

LB। ओकुन को इटालियन अकादमी XL (1988), ली पेज पुरस्कार (यूएसए, 1989), कारपिंस्की पुरस्कार (जर्मनी, 1990) के माटेउसी पुरस्कार से सम्मानित किया गया था।

हम्बोल्ट पुरस्कार (जर्मनी, 1993), ब्रूनो पोंटेकोर्वो पुरस्कार (डुबना, 1996), लैंडौ गोल्ड मेडल (2004), पोमेरानचुक पुरस्कार (2008)।

उपखंड

मैं अपने चौथे वर्ष में अन्य साथी छात्रों की तुलना में देर से आईटीईपी सैद्धांतिक समूह में शामिल हुआ। यह 1970 की बात है। मैं व्लादिमीर बोरिसोविच बेरेस्टेत्स्की के लिए परीक्षा देने आया था, और लेव बोरोसोविच ओकुन और मिखाइल सैमुइलोविच मारिनोव ने उसके साथ मेरी जांच की। इस तरह मैंने पहली बार लेव बोरोसोविच को देखा। परीक्षा के बाद, एलबी मुझे एक तरफ ले गया और कहा कि मुझे शुक्रवार के सेमिनार में जाना चाहिए: "पहले तो तुम्हें कुछ समझ नहीं आएगा," ओकुन ने कहा, "लेकिन धीरे-धीरे शब्दों और शब्दावली के अभ्यस्त हो जाओ, तुम्हारे दिमाग में कुछ न कुछ अटक जाएगा, समझ तुरंत नहीं आएगी, लेकिन वह ज़रूर आएगी।”

इस सेमिनार से, जिसके केंद्र में हमेशा एलबी था, उच्च-ऊर्जा भौतिकी में मेरी यात्रा शुरू हुई। एलबी की एक खास बात जो उन्हें कई लोगों से अलग करती थी, वह क्षितिज पर उभरे किसी भी नए विषय के प्रति उनका सम्मान था। ओकुनेव सेमिनार में नए कार्यों पर गंभीरता से और गहराई से चर्चा की गई, कभी-कभी दर्शकों की पूरी थकावट तक।

जटिल सिद्धांतों के लिए भी, ओकुन को सरल भौतिक चित्र बनाना पसंद था। शुरुआती भौतिकविदों के लिए यह पाठ बहुत महत्वपूर्ण है: घटना की गुणात्मक समझ के बिना, एक पर्याप्त भौतिक सिद्धांत उत्पन्न नहीं हो सकता है। अब मैं अपने विद्यार्थियों को भी यही सिखाता हूं। मुझे याद है कि इसी तरह "झूठे निर्वात के क्षय" का सिद्धांत बनाया गया था, जिस पर एलबी ने मिखाइल वोलोशिन और इगोर कोबज़ारेव के साथ मिलकर काम किया था। अब यह सिद्धांत उच्च ऊर्जा भौतिकी पर पाठ्यपुस्तकों में प्रस्तुत किया गया है।

मैंने ITEP के सैद्धांतिक विभाग में कुल उन्नीस वर्ष बिताए। जैसा कि मैं अब समझता हूं, यह दुनिया के सर्वश्रेष्ठ सैद्धांतिक विभागों में से एक था। सैद्धांतिक विभाग का इंजन, उसका हृदय, निस्संदेह ओकुन था। न केवल सैद्धांतिक विभाग में उनके सहयोगियों द्वारा, बल्कि आईटीईपी निदेशालय द्वारा भी उनका असीम सम्मान किया गया। उनकी सिफ़ारिशों पर ध्यान दिया गया. वे शुरुआती सिद्धांतकारों के लिए विशेष रूप से महत्वपूर्ण थे। अक्सर, ओकुन के हस्तक्षेप के बिना, वे (नौसिखिया सिद्धांतकार) उस समय की रोजमर्रा की कठिनाइयों में डूब जाते। यहां मैं शायद अब केवल विश्व-प्रसिद्ध सिद्धांतकार एवगेनी बोगोमोल्नी का ही उल्लेख करूंगा। वह मूल रूप से ओडेसा के रहने वाले हैं। उस समय मौजूद "पंजीकरण" प्रक्रिया ने उन्हें नौकरी पाने का कोई मौका नहीं छोड़ा। लेव बोरिसोविच ने उनकी मदद की... और अब विश्व सिद्धांतकार क्षेत्र सिद्धांत और स्ट्रिंग सिद्धांत दोनों में अनगिनत बार बीपीएस, बोगोमोल्नी-प्रसाद-सोमरफील्ड निर्माण का उपयोग करते हैं। झेन्या का यह कार्य सर्वाधिक उद्धृत सोवियत कार्यों में से एक है।

ओकुन को भौतिकी से असीम प्रेम था और उनका मानना ​​था कि इससे अधिक महत्वपूर्ण कुछ भी नहीं है, इसे करना प्राथमिक है, और बाकी सब गौण है। एक बार, ब्रेझनेव ठहराव के अंधेरे समय के दौरान, जब मुझे कुछ परेशानी हो रही थी, ओकुन ने मुझे अपने कार्यालय में बुलाया और कहा: "मुझे पता है कि आप अब बहुत परेशान हैं, ध्यान न देने की कोशिश करें, आप जो कर रहे हैं उस पर ध्यान केंद्रित करें। ठीक है - भौतिकी में। सभी बुरी चीजें दूर हो जाएंगी और भुला दी जाएंगी, लेकिन हमारी ये कक्षाएं, हमारी चर्चाएं और सिद्धांत, हमारे सेमिनार और तर्क-वितर्क जब तक हम कर्कश नहीं हो जाते - यह सब हमेशा के लिए रहेगा..."

जब मैं अपने छठे वर्ष में अपने डिप्लोमा पर काम कर रहा था तो लेव बोरिसोविच मेरे पर्यवेक्षक थे। वह मुझे स्नातक विद्यालय में नहीं ले गया। जैसा कि मैं अब समझता हूं, उस समय मैं बहुत उदास और डरपोक लग रहा था। तो मेरे शोध प्रबंध के पर्यवेक्षक बोरिस लाज़रेविच इओफ़े थे। लेकिन इसका (शोध प्रबंध) विषय - सुगंध में परिवर्तन के साथ कमजोर क्षय - ओकुन के करीब था, और कई मामलों में हम सह-लेखक बन गए। मेरे लिए, एक दाढ़ी रहित लड़का, अन्य सभी कर्मचारियों की तरह, ओकुन ने मुझे मेरे पहले नाम और संरक्षक नाम से संबोधित किया। उनका कहना है कि इस परंपरा की शुरुआत पोमेरानचुक ने की थी, जो 1950 के दशक की शुरुआत में ओकुन के वैज्ञानिक पर्यवेक्षक थे। अब, निःसंदेह, इसमें और साथ ही समग्र रूप से सैद्धांतिक विभाग में कुछ भी नहीं बचा है।

ओकुन की मृत्यु के संबंध में सिद्धांत विभाग के कर्मचारियों ने दूसरे दिन क्या लिखा:

"लेव बोरिसोविच की मृत्यु हो गई...

एक अद्वितीय वैज्ञानिक, अद्वितीय, जिनके विज्ञान में योगदान को कम करके आंका नहीं जा सकता। वह बहुत समय पहले संस्थान में आये थे। और तुरंत ही उसका मूल, सीमेंट, उसका विवेक बन गया। युग, नेता, निदेशक बदल गए, और संस्थान एक एकल संगठन के रूप में रहा, जो सामान्य लक्ष्यों और एक अद्वितीय वैज्ञानिक वातावरण से एकजुट था। लेव बोरिसोविच हमारे शिक्षक थे। उन्होंने हमें न केवल भौतिक विज्ञान सिखाया, उन्होंने हमें हर चीज में ईमानदार होना और विवेक रखना सिखाया। बुद्धिमान और नाजुक, उन्होंने कभी अपनी आवाज ऊंची नहीं की और बहुत धीरे से बात की। और हर कोई ठिठक कर सुनता रहा। क्योंकि वह हमेशा मुख्य बात कहते थे. बिल्कुल सार. उनकी उपस्थिति में झूठ बोलना असंभव था, न तो विज्ञान में और न ही मानवीय संबंधों में। वह हम सभी के लिए एक पूर्ण प्राधिकारी थे। और जब तक वह जीवित और स्वस्थ थे, हमारा संस्थान अपरिहार्य समस्याओं और आपदाओं के बावजूद जीवित रहा और फलता-फूलता रहा। उसने अपनी जान दे दी और उसे हमारे हाथों में सौंप दिया।' और फिर वह गंभीर रूप से बीमार हो गये. और उनके साथ, हमारा संस्थान निराशाजनक रूप से बीमार हो गया और ख़त्म होने लगा। नए लोग सामने आए हैं. संस्थान एक "मंच" में बदल गया, और वैज्ञानिक माहौल की जगह "समीक्षा" ने ले ली। एक कठपुतली "अकादमिक परिषद" सामने आई और अवांछित वैज्ञानिकों को संस्थान से निकाला जाने लगा। पूर्व सहयोगियों ने एक-दूसरे से गैस छिपाना शुरू कर दिया, और वाक्यांश "ठीक है, हम क्या कर सकते हैं?" विवेक खत्म हो गया है, केवल समझौते बचे हैं।

आज तो दुगना दर्द हो रहा है. लेव बोरिसोविच चले गए। लेकिन हम संस्थान को नहीं बचा सके.

हमें माफ कर दो, लेव बोरिसोविच।"

लेव बोरिसोविच ओकुन चले गए, एक युग समाप्त हो गया...

तीसरे संस्करण की विषयवस्तु प्रस्तावना। . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . दूसरे संस्करण की प्रस्तावना. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . प्रथम संस्करण की प्रस्तावना. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . चीट शीट: कण और अंतःक्रियाएँ। . . . . . . . . . . . . . . . . . मूल कण: इलेक्ट्रॉन, प्रोटॉन, न्यूट्रॉन, फोटॉन। . . . . . . न्यूटोनियन यांत्रिकी में द्रव्यमान, ऊर्जा, संवेग, कोणीय संवेग आइंस्टीनियन यांत्रिकी में द्रव्यमान, ऊर्जा और संवेग। . . . . . . . . . बल और क्षेत्र. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . क्वांटम घटनाएँ. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . परमाणु और परमाणु प्रतिक्रियाएँ। . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . कमजोर और मजबूत बातचीत. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . उच्च ऊर्जा भौतिकी. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . त्वरक। . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . प्रतिकण. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . हैड्रोन और क्वार्क. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . मंत्रमुग्ध कण. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . क्वार्क कारावास. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ग्लून्स। रंग। . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . लेप्टान। . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . लेप्टान और क्वार्क की पीढ़ियाँ। . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . लेप्टान और क्वार्क का क्षय। . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . आभासी कण. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . धाराएँ। . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . सी -, पी -, टी -समरूपता। . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . तटस्थ धाराएँ. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . W- और Z-बोसोन की भविष्यवाणी की गई। . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . डब्ल्यू - और जेड - बोसॉन की खोज। . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Z के बाद कोलाइडर पर भौतिकी। . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . "मूक भौतिकी" और भव्य एकीकरण। . . . . . . . . . . . . . . . . . सुपरयूनियन? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ब्रह्माण्ड विज्ञान और खगोल भौतिकी. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . उच्च ऊर्जा भौतिकी के लिए प्रशंसा का एक शब्द। . . . . . . . . . . . . . . 20 साल बाद। . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ग्रंथ सूची. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . विषय सूचकांक. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 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 97 104 106 109 112 122 123 तीसरे संस्करण की प्रस्तावना प्रकाशन पर प्रकाशित हुआ है वे दिन जब जिनेवा के पास सीईआरएन में कोलाइडर का बड़े हैड्रॉन का प्रक्षेपण हुआ। यह कार्यक्रम व्यापक रुचि को आकर्षित करता है और जीवंत मीडिया कवरेज प्राप्त करता है। शायद यह पुस्तक पाठक को यह समझने में मदद करेगी कि लार्ज हैड्रॉन कोलाइडर का निर्माण क्यों किया गया था और इसे किन सवालों के जवाब देने चाहिए। इस संस्करण में कुछ टाइपो त्रुटियों को ठीक कर दिया गया है। मुद्रण के लिए दूसरे और तीसरे संस्करण को तैयार करने में उनकी मदद के लिए मैं एम. एन. एंड्रीवा, ई. एस. आर्टोबोलेव्स्काया और ई. ए. इलिना का बहुत आभारी हूं। मास्को. नवंबर 2008 दूसरे संस्करण की प्रस्तावना पुस्तक के मुख्य पाठ में केवल "कॉस्मेटिक" संशोधन की आवश्यकता थी। भौतिकी, खगोल भौतिकी और ब्रह्मांड विज्ञान में पिछले बीस वर्षों के सबसे महत्वपूर्ण विकासों को अतिरिक्त खंड "20 साल बाद" में संक्षेपित किया गया है। 20 साल पहले भौतिकी में जो कुछ भी स्थापित लगता था वह आज भी सत्य है। एक ओर, इसे इस तथ्य से समझाया गया है कि 20वीं सदी की भौतिकी की नींव सुदृढ़ रूप से बनाई गई थी। दूसरी ओर, सदी के अंत में फंडिंग में कटौती ने महत्वपूर्ण त्वरक परियोजनाओं को ख़त्म कर दिया और इस तरह पुस्तक में चर्चा की गई कुछ मूलभूत परिकल्पनाओं के परीक्षण को रोक दिया गया। सबसे पहले, यह हिग्स बोसोन की खोज (या "समापन") से संबंधित है। यह बड़ी अनसुलझी समस्या भौतिकविदों की नई पीढ़ी को दे दी गई है जो इस पुस्तक से लाभान्वित हो सकते हैं। यदि सामान्य रूप से मानवता, और विशेष रूप से राजनेता, सामान्य ज्ञान का एक कण बरकरार रखते हैं, तो नई सदी के पहले तीसरे भाग में भौतिकी में निर्णायक प्रयोगों को अपनी बात कहने का मौका मिलेगा। मास्को. अक्टूबर 2005 इसहाक याकोवलेविच पोमेरेनचुक की स्मृति में प्रथम संस्करण की प्रस्तावना यह पुस्तक प्राथमिक कणों की भौतिकी, उनके बीच कार्य करने वाली शक्तियों को समर्पित है। सबसे पहले, पुस्तक के शीर्षक के बारे में कुछ शब्द। कणों के बीच मूलभूत बलों पर आधुनिक शोध 1896 में रेडियोधर्मिता की खोज और उसके बाद α-, β- और γ-किरणों के अध्ययन के साथ शुरू हुआ। अनुसंधान की लंबी अवधि का पूरा होना 1983 में लंबे समय से प्रतीक्षित और फिर भी सनसनीखेज खोज थी। डब्ल्यू - और जेड - बोसोन। इसलिए पुस्तक का शीर्षक: αβγ. . . Z. लेकिन यह किताब भौतिकी के इतिहास के बारे में नहीं है, बल्कि इसकी वर्तमान स्थिति और संभावनाओं के बारे में है। आख़िरकार, W और Z बोसॉन की खोज एक ही समय में एक नए आशाजनक चरण की शुरुआत है। भौतिकी कोई वर्णमाला नहीं है, और इसका विकास Z पर समाप्त नहीं होता है। एक अर्थ में, नाम αβγ है। . . Z इंगित करता है कि पुस्तक, इसलिए बोलने के लिए, एक प्राइमर है, आधुनिक मौलिक भौतिकी की बुनियादी बातों का परिचय है। यह पुस्तक लोकप्रिय विज्ञान व्याख्यानों पर आधारित है जिन्हें मुझे समय-समय पर उन लोगों को पढ़ना पड़ता था जो प्राथमिक कणों के भौतिकी से दूर थे, और कभी-कभी सामान्य रूप से भौतिकी से भी दूर थे। इनमें से आखिरी व्याख्यान ज़ेड बोसोन की खोज के तुरंत बाद 1983 की गर्मियों में हुआ था। व्याख्यान के दौरान पूछे गए प्रश्नों पर विचार करते हुए मैंने इस पुस्तक की योजना की रूपरेखा तैयार की। मैंने किताब को इस तरह से लिखने की कोशिश की कि यह उस व्यक्ति को समझ में आ सके जिसने हाई स्कूल से स्नातक किया है या कर रहा है और भौतिकी में सक्रिय रूप से रुचि रखता है। मैं इस तथ्य पर भरोसा कर रहा था कि मेरा भावी पाठक कमोबेश नियमित रूप से क्वांटम पत्रिका के अगले अंकों को देखेगा और उसने क्वांटम लाइब्रेरी श्रृंखला की कम से कम कुछ किताबें पहले ही पढ़ ली होंगी। (ध्यान दें कि इस पुस्तक के कवर पर चित्र में इस श्रृंखला को खोलने वाली पहली पुस्तक, एम. पी. ब्रोंस्टीन की पुस्तक "एटम्स एंड इलेक्ट्रॉन्स" के कवर से α-, β- और γ-किरणों की एक प्रतीकात्मक छवि शामिल है।) मुख्य खतरा हर पृष्ठ पर मेरे इंतजार में छिपी एक अनैच्छिक इच्छा थी कि पाठक को न केवल सबसे महत्वपूर्ण चीजों के बारे में सूचित किया जाए, बल्कि विभिन्न छोटी-छोटी जानकारियों के बारे में भी बताया जाए जो विशेषज्ञों को इतनी खुशी देती हैं और शुरुआती लोगों को परेशान करती हैं। मुझे डर है कि कुछ मामलों में मैंने पाठ को पर्याप्त रूप से "खराब" नहीं किया है, और अन्य में मैंने इसे ज़्यादा कर दिया है। मैं स्वयं सबसे महत्वपूर्ण जानकारी का चयन करने में रुचि रखता था, और निर्दयतापूर्वक हर कम महत्वपूर्ण चीज़ को त्याग देता था। सबसे पहले मैं खुद को न्यूनतम शब्दों और अवधारणाओं तक सीमित रखना चाहता था। लेकिन जैसे ही मैंने किताब लिखी, यह स्पष्ट हो गया कि कुछ शर्तों के बिना, जिनकी मैंने शुरुआत में आशा की थी, कुछ घटनाओं के सार को समझाना असंभव था; इसलिए पुस्तक अंत तक और अधिक जटिल हो जाती है। आख़िरकार, विज्ञान के किसी नए क्षेत्र से परिचित होने में मुख्य कठिनाइयों में से एक नए शब्दों की प्रचुरता है। पाठक की मदद के लिए, प्रस्तावना के बाद एक "चीट शीट" है - प्राथमिक कण भौतिकी की बुनियादी अवधारणाओं का सारांश। कण भौतिकी को अक्सर उच्च-ऊर्जा भौतिकी कहा जाता है। उच्च-ऊर्जा भौतिकी द्वारा अध्ययन की जाने वाली प्रक्रियाएँ पहली नज़र में बहुत असामान्य हैं; उनके विदेशी गुण कल्पना को आश्चर्यचकित करते हैं। उसी समय, यदि आप इसके बारे में सोचते हैं, तो यह पता चलता है कि कई मायनों में ये प्रक्रियाएँ ऐसी सामान्य घटना से भिन्न होती हैं, जैसे, लकड़ी जलाना, गुणात्मक रूप से नहीं, बल्कि केवल मात्रात्मक रूप से - ऊर्जा रिलीज की मात्रा में। इसलिए, मैं पुस्तक की शुरुआत बुनियादी बातों से करता हूं और विशेष रूप से, द्रव्यमान, ऊर्जा और गति जैसी प्रसिद्ध अवधारणाओं की संक्षिप्त चर्चा के साथ। उन्हें सही ढंग से संभालने से पाठक को पुस्तक के अगले पृष्ठों को समझने में मदद मिलेगी। समस्त मौलिक भौतिकी की प्रमुख अवधारणा क्षेत्र की अवधारणा है। मैं अपनी चर्चा प्रसिद्ध स्कूल उदाहरणों के साथ शुरू करता हूं और धीरे-धीरे पाठक को मात्रात्मक क्षेत्रों में मौजूद अद्भुत गुणों की संपदा से परिचित कराता हूं। जो बात कमोबेश सरलता से समझाई जा सकती है, उसे मैंने सरल शब्दों में समझाने की कोशिश की। लेकिन मुझे इस बात पर ज़ोर देना चाहिए कि आधुनिक भौतिकी में हर चीज़ को सरलता से नहीं समझाया जा सकता है और कई मुद्दों को समझने के लिए, पाठक द्वारा अन्य, अधिक जटिल पुस्तकों पर और अधिक गहराई से काम करना आवश्यक है। पुस्तक का प्रारंभिक पाठ अक्टूबर 1983 में पूरा हुआ। इसे एल. उन्होंने बहुत उपयोगी टिप्पणियाँ कीं जिससे मुझे कई अपेक्षाकृत कठिन अनुच्छेदों को छोड़कर मूल पाठ को सरल बनाने और कई अन्य को अधिक विस्तार से समझाने की अनुमति मिली। इसके लिए मैं उनका हृदय से आभारी हूं। मैं पांडुलिपि तैयार करने में उनकी सहायता के लिए ई. जी. गुल्येवा और आई. ए. तेरेखोवा का आभारी हूं। मैं कार्लो रूबिया का आभारी हूं कि उन्होंने उस संस्थापन के पुस्तक चित्रों को पुन: पेश करने की अनुमति दी जिसमें मध्यवर्ती बोसोन की खोज की गई थी। विशेष गर्मजोशी और कृतज्ञता के साथ, मैं यहां अपने शिक्षक - शिक्षाविद इसहाक याकोवलेविच पोमेरानचुक के बारे में कहना चाहूंगा, जिन्होंने मुझे प्राथमिक कणों की दुनिया से परिचित कराया और मुझे मेरा पेशा सिखाया। आई. हां. पोमेरानचुक ने छोटा जीवन जीया (1913-1966), लेकिन उन्होंने असाधारण जीवन जिया। उनके काम ने भौतिकी के कई क्षेत्रों में मौलिक भूमिका निभाई: ढांकता हुआ और धातुओं के सिद्धांत में, क्वांटम तरल पदार्थ के सिद्धांत में, त्वरक के सिद्धांत में, परमाणु रिएक्टरों के सिद्धांत में, प्राथमिक कणों के सिद्धांत में। उनकी छवि एक ऐसे व्यक्ति की छवि है जो विज्ञान के प्रति कट्टर और निस्वार्थ रूप से समर्पित है, एक ऐसा व्यक्ति जिसने अथक परिश्रम किया, हर नई चीज में गहरी रुचि रखता है, निर्दयतापूर्वक आलोचनात्मक और आत्म-आलोचना करता है, जो दूसरों की सफलता पर पूरे दिल से खुशी मनाता है - यह छवि जीवित है उन सभी की स्मृति जो उसे जानते थे। मैं इस पुस्तक को इसहाक याकोवलेविच पोमेरानचुक की धन्य स्मृति को समर्पित करता हूं। मास्को. सितंबर 1984 चीट शीट: कण और अंतःक्रिया परमाणुओं में इलेक्ट्रॉन ई होते हैं, जो कोश और नाभिक बनाते हैं। नाभिक में प्रोटॉन पी और न्यूट्रॉन एन होते हैं। प्रोटॉन और न्यूट्रॉन दो प्रकार के क्वार्क से बने होते हैं, यू और डी: पी = यूयूडी, एन = डीडीयू। एक मुक्त न्यूट्रॉन बीटा क्षय से गुजरता है: n → pe νe, जहां νe एक इलेक्ट्रॉन एंटीन्यूट्रिनो है। न्यूट्रॉन का क्षय डी-क्वार्क के क्षय पर आधारित है: d → ue νe। एक इलेक्ट्रॉन का नाभिक की ओर आकर्षण विद्युत चुम्बकीय संपर्क का एक उदाहरण है। क्वार्कों का पारस्परिक आकर्षण प्रबल अंतःक्रिया का एक उदाहरण है। बीटा क्षय कमजोर अंतःक्रिया का एक उदाहरण है। इन तीन मौलिक अंतःक्रियाओं के अलावा, चौथी मूलभूत अंतःक्रिया प्रकृति में एक महत्वपूर्ण भूमिका निभाती है - गुरुत्वाकर्षण अंतःक्रिया, जो सभी कणों को एक-दूसरे की ओर आकर्षित करती है। मौलिक अंतःक्रियाओं का वर्णन संगत बल क्षेत्रों द्वारा किया जाता है। इन क्षेत्रों के उत्तेजना कण हैं जिन्हें मौलिक बोसॉन कहा जाता है। विद्युत चुम्बकीय क्षेत्र फोटॉन γ से मेल खाता है, मजबूत क्षेत्र आठ ग्लूऑन से मेल खाता है, कमजोर क्षेत्र तीन मध्यवर्ती बोसॉन W +, W -, Z 0 से मेल खाता है, और गुरुत्वाकर्षण क्षेत्र गुरुत्वाकर्षण से मेल खाता है। अधिकांश कणों में समकक्ष होते हैं - प्रतिकण जिनका द्रव्यमान समान होता है, लेकिन विपरीत संकेत के आवेश होते हैं (उदाहरण के लिए, विद्युत, कमजोर)। वे कण जो अपने प्रतिकणों से मेल खाते हैं, यानी जिन पर कोई आवेश नहीं होता, जैसे कि फोटॉन, वास्तव में तटस्थ कहलाते हैं। ई और νe के साथ, उनके समान कणों के दो और जोड़े ज्ञात हैं: μ, νμ और τ, ντ। इन सभी को लेप्टान कहा जाता है। यू- और डी-क्वार्क के साथ, अधिक विशाल क्वार्क के दो और जोड़े ज्ञात हैं: सी, एस और टी, बी। लेप्टान और क्वार्क को मौलिक फर्मियन कहा जाता है। तीन क्वार्क से युक्त कणों को बैरियन कहा जाता है, और एक क्वार्क और एक एंटीक्वार्क से युक्त कणों को मेसॉन कहा जाता है। बैरियन और मेसॉन दृढ़ता से परस्पर क्रिया करने वाले कणों - हैड्रोन का एक परिवार बनाते हैं। प्राथमिक कण: इलेक्ट्रॉन, प्रोटॉन, न्यूट्रॉन, फोटॉन कण भौतिकी सबसे छोटे कणों का अध्ययन करती है जिनसे हमारे और हमारे आसपास की दुनिया का निर्माण होता है। इस अध्ययन का उद्देश्य इन कणों की आंतरिक संरचना का निर्धारण करना, उन प्रक्रियाओं की जांच करना है जिनमें वे भाग लेते हैं, और उन कानूनों को स्थापित करना है जो इन प्रक्रियाओं के पाठ्यक्रम को नियंत्रित करते हैं। कण भौतिकी की मुख्य (लेकिन एकमात्र नहीं!) प्रायोगिक विधि ऐसे प्रयोग करना है जिसमें उच्च-ऊर्जा कणों की किरणें स्थिर लक्ष्यों से या एक-दूसरे से टकराती हैं। टकराव की ऊर्जा जितनी अधिक होगी, कणों के बीच परस्पर क्रिया की प्रक्रिया उतनी ही समृद्ध होगी और हम उनके बारे में उतना ही अधिक जान सकते हैं। यही कारण है कि आज कण भौतिकी और उच्च-ऊर्जा भौतिकी लगभग पर्यायवाची हैं। लेकिन हम कणों से अपना परिचय उच्च-ऊर्जा टकराव से नहीं, बल्कि सामान्य परमाणुओं से शुरू करेंगे। यह सर्वविदित है कि पदार्थ में परमाणु होते हैं और परमाणुओं का आकार 10−8 सेमी के क्रम का होता है। परमाणुओं का आकार उनके इलेक्ट्रॉनों से बने कोश के आकार से निर्धारित होता है। हालाँकि, परमाणु का लगभग सारा द्रव्यमान उसके नाभिक में केंद्रित होता है। सबसे हल्के हाइड्रोजन परमाणु के नाभिक में एक प्रोटॉन होता है, और शेल में एक इलेक्ट्रॉन होता है। (एक ग्राम हाइड्रोजन में 6 × 1023 परमाणु होते हैं। इसलिए, एक प्रोटॉन का द्रव्यमान लगभग 1.7 × 10-24 ग्राम होता है। एक इलेक्ट्रॉन का द्रव्यमान लगभग 2000 गुना कम होता है।) भारी परमाणुओं के नाभिक में न केवल प्रोटॉन होते हैं, बल्कि न्यूट्रॉन भी. एक इलेक्ट्रॉन को अक्षर e से, एक प्रोटॉन को अक्षर p से और एक न्यूट्रॉन को अक्षर n से दर्शाया जाता है। किसी भी परमाणु में प्रोटॉनों की संख्या इलेक्ट्रॉनों की संख्या के बराबर होती है। एक प्रोटॉन पर धनात्मक विद्युत आवेश होता है, एक इलेक्ट्रॉन पर ऋणात्मक आवेश होता है, और संपूर्ण परमाणु विद्युत रूप से तटस्थ होता है। वे परमाणु जिनके नाभिक में प्रोटॉन की संख्या समान होती है, लेकिन न्यूट्रॉन की संख्या में भिन्नता होती है, दिए गए 10 मूल कणों के आइसोटोप कहलाते हैं: इलेक्ट्रॉन, प्रोटॉन, न्यूट्रॉन, एक रासायनिक तत्व के फोटॉन। उदाहरण के लिए, साधारण हाइड्रोजन के साथ-साथ हाइड्रोजन के भारी समस्थानिक भी होते हैं - ड्यूटेरियम और ट्रिटियम, जिनके नाभिक में क्रमशः एक और दो न्यूट्रॉन होते हैं। इन आइसोटोपों को क्रमशः 1 एच, 2 एच, 3 एच नामित किया गया है; यहां सुपरस्क्रिप्ट नाभिक में प्रोटॉन और न्यूट्रॉन की कुल संख्या को इंगित करता है। (ध्यान दें कि ड्यूटेरियम नाभिक को ड्यूटेरॉन कहा जाता है, और ट्रिटियम नाभिक को ट्राइटन कहा जाता है। हम ड्यूटेरॉन को डी के रूप में संदर्भित करेंगे; इसे कभी-कभी डी के रूप में लिखा जाता है।) साधारण हाइड्रोजन 1 एच ब्रह्मांड में सबसे प्रचुर तत्व है। दूसरे स्थान पर हीलियम आइसोटोप 4 He का कब्जा है, जिसके इलेक्ट्रॉन खोल में दो इलेक्ट्रॉन होते हैं, और कोर में दो प्रोटॉन और दो न्यूट्रॉन होते हैं। रेडियोधर्मिता की खोज के बाद से, 4He आइसोटोप के नाभिक को एक विशेष नाम मिला: α-कण। एक कम सामान्य हीलियम आइसोटोप 3He है, जिसके नाभिक में दो प्रोटॉन और केवल एक न्यूट्रॉन होता है। प्रोटॉन और न्यूट्रॉन की त्रिज्याएँ लगभग एक दूसरे के बराबर होती हैं, वे लगभग 10−13 सेमी होती हैं। इन कणों का द्रव्यमान भी लगभग एक दूसरे के बराबर होता है: न्यूट्रॉन प्रोटॉन से केवल दस प्रतिशत भारी होता है। परमाणु नाभिक में न्यूट्रॉन और प्रोटॉन काफी सघन रूप से भरे होते हैं, जिससे नाभिक का आयतन इसके घटक नाभिकों के आयतन के योग के लगभग बराबर होता है। (शब्द "न्यूक्लियॉन" का अर्थ समान रूप से प्रोटॉन और न्यूट्रॉन दोनों है और इसका उपयोग उन मामलों में किया जाता है जहां इन कणों के बीच अंतर महत्वहीन है। "न्यूक्लियॉन" शब्द लैटिन न्यूक्लियस - न्यूक्लियस से आया है।) जहां तक ​​इलेक्ट्रॉन के आकार की बात है, यह अभी भी मापने योग्य नहीं है. यह केवल ज्ञात है कि एक इलेक्ट्रॉन की त्रिज्या निश्चित रूप से 10−16 सेमी से कम होती है, इसलिए इलेक्ट्रॉनों को आमतौर पर बिंदु कण कहा जाता है। कभी-कभी परमाणुओं में इलेक्ट्रॉनों की तुलना सौर मंडल के ग्रहों से की जाती है। यह तुलना कई मायनों में बहुत ग़लत है. सबसे पहले, एक इलेक्ट्रॉन की गति किसी ग्रह की गति से गुणात्मक रूप से भिन्न होती है, इस अर्थ में कि एक इलेक्ट्रॉन के लिए निर्धारण कारक शास्त्रीय यांत्रिकी के नियम नहीं हैं, बल्कि क्वांटम यांत्रिकी के नियम हैं, जिनके बारे में हम नीचे चर्चा करेंगे। अभी के लिए, आइए ध्यान दें कि इलेक्ट्रॉन की क्वांटम प्रकृति के परिणामस्वरूप, एक परमाणु की "तात्कालिक फोटोग्राफिंग में", काफी संभावना के साथ इलेक्ट्रॉन की कक्षा के अंदर किसी भी बिंदु पर किसी भी समय "फोटोग्राफी" की जा सकती है। इसके बाहर, जबकि शास्त्रीय यांत्रिकी के नियमों के अनुसार, इसकी कक्षा में ग्रह की स्थिति की गणना स्पष्ट रूप से और बड़ी सटीकता के साथ की जाती है। Es- मूल कण: इलेक्ट्रॉन, प्रोटॉन, न्यूट्रॉन, फोटॉन 11 यदि ग्रह की तुलना रेल पर चलने वाली ट्राम से की जाए, तो इलेक्ट्रॉन एक टैक्सी की तरह दिखेगा। यहां कई विशुद्ध मात्रात्मक अंतरों पर ध्यान देना उचित है जो परमाणु इलेक्ट्रॉनों और ग्रहों के बीच समानता को नष्ट कर देते हैं। उदाहरण के लिए, किसी परमाणु की इलेक्ट्रॉन कक्षा की त्रिज्या और इलेक्ट्रॉन की त्रिज्या का अनुपात पृथ्वी की कक्षा की त्रिज्या और पृथ्वी की अपनी त्रिज्या के अनुपात से बहुत अधिक है। हाइड्रोजन परमाणु में एक इलेक्ट्रॉन प्रकाश की गति के सौवें क्रम की गति से चलता है ∗) और एक सेकंड में लगभग 1016 चक्कर पूरे करने में सफल होता है। यह पृथ्वी द्वारा अपने संपूर्ण अस्तित्व के दौरान सूर्य के चारों ओर चक्कर लगाने की संख्या से लगभग दस लाख गुना अधिक है। भारी परमाणुओं के आंतरिक कोश में इलेक्ट्रॉन और भी तेज़ गति से चलते हैं: उनकी गति प्रकाश की गति से दो-तिहाई तक पहुँच जाती है। निर्वात में प्रकाश की गति को आमतौर पर अक्षर c से दर्शाया जाता है। इस मौलिक भौतिक स्थिरांक को बहुत उच्च सटीकता के साथ मापा गया है: c = 2.997 924 58(1.2) 108 m/s ∗∗)। लगभग: c ≈ 300,000 किमी/सेकेंड। प्रकाश की गति के बारे में बात करने के बाद, प्रकाश के कणों - फोटॉन के बारे में बात करना स्वाभाविक है। फोटॉन परमाणुओं का इलेक्ट्रॉन और न्यूक्लियॉन के समान घटक नहीं है। इसलिए, फोटॉनों को आमतौर पर पदार्थ के कण नहीं, बल्कि विकिरण के कण कहा जाता है। लेकिन ब्रह्मांड के तंत्र में फोटॉन की भूमिका इलेक्ट्रॉनों और न्यूक्लियंस की भूमिका से कम महत्वपूर्ण नहीं है। फोटॉन की ऊर्जा के आधार पर, यह विभिन्न रूपों में प्रकट होता है: रेडियो तरंगें, अवरक्त विकिरण, दृश्य प्रकाश, पराबैंगनी विकिरण, एक्स-रे, और अंत में, उच्च-ऊर्जा γ-क्वांटा। क्वांटा की ऊर्जा जितनी अधिक होती है, वे उतने ही अधिक मर्मज्ञ होते हैं, या, जैसा कि वे कहते हैं, "कठोर" होते हैं, काफी मोटे लोगों से भी गुजरते हैं ∗) अधिक सटीक रूप से, हाइड्रोजन परमाणु में एक इलेक्ट्रॉन की गति का अनुपात प्रकाश की गति लगभग 1/137 है। यह नंबर याद रखें. आप उनसे इस किताब के पन्नों पर एक से अधिक बार मिलेंगे। ∗∗) यहां और इसी तरह के सभी मामलों में, कोष्ठक में संख्या मुख्य संख्या के अंतिम महत्वपूर्ण अंकों में प्रयोगात्मक अशुद्धि को इंगित करती है। 1983 में, वज़न और माप के सामान्य सम्मेलन ने मीटर की एक नई परिभाषा को अपनाया: प्रकाश द्वारा निर्वात में 1/299,792,458 सेकेंड में तय की गई दूरी। इस प्रकार, प्रकाश की गति को 299792458 मीटर/सेकेंड के रूप में परिभाषित किया गया है। 12 न्यूटोनियन यांत्रिकी धातु स्क्रीन में द्रव्यमान, ऊर्जा, संवेग, कोणीय संवेग। कण भौतिकी में, फोटॉन को उनकी ऊर्जा की परवाह किए बिना, अक्षर γ द्वारा निर्दिष्ट किया जाता है। प्रकाश फोटॉन और अन्य सभी कणों के बीच मुख्य अंतर यह है कि वे बहुत आसानी से बनते हैं और आसानी से नष्ट हो जाते हैं। अरबों फोटॉन को जन्म देने के लिए एक माचिस बजाना काफी है, दृश्य प्रकाश के रास्ते में काले कागज का एक टुकड़ा रखें - और फोटॉन इसमें अवशोषित हो जाएंगे। जिस दक्षता के साथ एक विशेष स्क्रीन उस पर आपतित फोटॉनों को अवशोषित, रूपांतरित और पुन: उत्सर्जित करती है, वह निश्चित रूप से स्क्रीन के विशिष्ट गुणों और फोटॉनों की ऊर्जा पर निर्भर करती है। एक्स-रे और कठोर γ-क्वांटा से खुद को बचाना दृश्य प्रकाश से खुद को बचाने जितना आसान नहीं है। बहुत उच्च ऊर्जा पर, फोटॉन और अन्य कणों के बीच का अंतर संभवतः इन कणों के बीच के अंतर से अधिक नहीं होता है। किसी भी मामले में, उच्च-ऊर्जा फोटॉन का उत्पादन और अवशोषण करना बिल्कुल भी आसान नहीं है। लेकिन एक फोटॉन में जितनी कम ऊर्जा होती है, वह उतना ही "नरम" होता है, उसे जन्म देना और नष्ट करना उतना ही आसान होता है। फोटॉन की उल्लेखनीय विशेषताओं में से एक, जो काफी हद तक उनके अद्भुत गुणों को निर्धारित करती है, वह यह है कि उनका द्रव्यमान शून्य है। एक विशाल कण के लिए यह ज्ञात है: इसकी ऊर्जा जितनी कम होगी, यह उतना ही धीमा चलता है। एक विशाल कण बिल्कुल भी गति नहीं कर सकता है, लेकिन आराम की स्थिति में हो सकता है। एक फोटॉन, चाहे उसकी ऊर्जा कितनी ही छोटी क्यों न हो, फिर भी गति c से चलती है। न्यूटन के यांत्रिकी में द्रव्यमान, ऊर्जा, संवेग, कोणीय संवेग हम पहले ही कई बार "ऊर्जा" और "द्रव्यमान" शब्दों का उपयोग कर चुके हैं। अब समय आ गया है कि इनके अर्थ को और अधिक विस्तार से समझाया जाए। साथ ही हम बात करेंगे कि आवेग और कोणीय संवेग क्या हैं। ये सभी भौतिक राशियाँ - द्रव्यमान, ऊर्जा, संवेग और कोणीय गति (अन्यथा कोणीय गति के रूप में जानी जाती हैं) - भौतिकी में एक मौलिक भूमिका निभाती हैं। इन भौतिक राशियों की मौलिक भूमिका इस तथ्य के कारण है कि कणों की एक पृथक प्रणाली के लिए, चाहे एक-दूसरे के साथ उनकी अंतःक्रिया कितनी भी जटिल क्यों न हो, प्रणाली की कुल ऊर्जा और संवेग, इसका कुल कोणीय संवेग और इसका द्रव्यमान संरक्षित मात्राएँ हैं, यानी वे समय के साथ नहीं बदलते। न्यूटोनियन यांत्रिकी में द्रव्यमान, ऊर्जा, संवेग, कोणीय संवेग 13 आइए न्यूटोनियन यांत्रिकी के साथ अपनी चर्चा शुरू करें, जिसके बारे में आप स्कूल की पाठ्यपुस्तकों से अच्छी तरह से जानते हैं। मान लीजिए कि द्रव्यमान m का एक पिंड v * गति से गति कर रहा है। न्यूटोनियन यांत्रिकी के अनुसार, ऐसे पिंड का संवेग p = mv और गतिज ऊर्जा T = mv2 p2 = होता है। 2 2m यहां v2 = vx2 + vy2 + vz2, जहां vx, vy, vz निर्देशांक अक्षों x, y, z पर क्रमशः वेक्टर v के प्रक्षेपण हैं (चित्र 1)। हम समन्वय प्रणाली को किसी भी तरह से अंतरिक्ष में उन्मुख कर सकते हैं; v2 का मान नहीं बदलेगा. साथ ही, वैक्टर वी और पी की दिशा और मान दोनों समन्वय प्रणाली की गति की गति के मूल्य और दिशा पर निर्भर करते हैं जिसमें आप शरीर की गति का वर्णन करते हैं, या, जैसा कि वे कहते हैं, पर संदर्भ प्रणाली. उदाहरण के लिए, पृथ्वी से जुड़े संदर्भ फ्रेम में, आपका घर आराम की स्थिति में है। सूर्य से जुड़े संदर्भ फ्रेम में, यह 30 किमी/सेकेंड की गति से चलता है। पिंडों की घूर्णी गति का वर्णन करते समय कोणीय संवेग या कोणीय संवेग नामक मात्रा एक महत्वपूर्ण भूमिका निभाती है। 1. निर्देशांक अक्षों पर वेग सदिश v का प्रक्षेपण। आइए एक उदाहरण के रूप में त्रिज्या r = |r| की वृत्ताकार कक्षा में एक कण - एक भौतिक बिंदु - की गति के सबसे सरल मामले पर विचार करें। एक स्थिर गति v = |v| के साथ, जहां r और v क्रमशः वैक्टर r और v के निरपेक्ष मान हैं। इस मामले में, परिभाषा के अनुसार, कक्षीय गति L का कोणीय संवेग, त्रिज्या वेक्टर r के वेक्टर उत्पाद और कण p के संवेग के बराबर है: L = r × p। और यद्यपि समय के साथ वेक्टर आर और वेक्टर पी दोनों की दिशाएँ बदल जाती हैं, वेक्टर एल अपरिवर्तित रहता है। यदि आप चित्र देखें तो यह देखना आसान है। 2. परिभाषा के अनुसार, दो सदिश a और b का सदिश गुणनफल a × b सदिश c के बराबर है, जिसका निरपेक्ष मान |c| = |ए||बी| पाप θ, जहां ∗) यहां और निम्नलिखित में, हम वैक्टर को दर्शाने के लिए मोटे अक्षरों का उपयोग करेंगे, यानी, मात्राएं जो न केवल उनके संख्यात्मक मूल्य से, बल्कि अंतरिक्ष में उनकी दिशा से भी विशेषता होती हैं। 14 न्यूटोनियन यांत्रिकी में द्रव्यमान, ऊर्जा, संवेग, कोणीय संवेग θ - सदिश a और b के बीच का कोण; वेक्टर सी को उस तल के लंबवत निर्देशित किया जाता है जिसमें वेक्टर ए और बी झूठ बोलते हैं, ताकि ए, बी और सी तथाकथित सही ट्रिपल बनाएं (सुप्रसिद्ध गिलेट नियम (चित्र 3) के अनुसार)। घटकों में, वेक्टर उत्पाद को cx = ay bz - az by, cy = az bx - ax bz, cz = ax by - ay bx के रूप में लिखा जाता है। चावल। 2. कक्षीय संवेग L, जब संवेग p वाला एक कण त्रिज्या r की वृत्ताकार कक्षा में गति करता है चूँकि हम सदिश उत्पाद के बारे में बात कर रहे हैं, आइए हम यहां दो सदिशों a और b के अदिश गुणनफल का भी उल्लेख करें, जिसे ab या a से दर्शाया जाता है। बी। परिभाषा के अनुसार, ab = ax bx + ay by + az bz। जांचना आसान है (अंजीर देखें)। 3) वह ab = |a| |बी| cos θ और अदिश उत्पाद परस्पर ऑर्थोगोनल (तथाकथित कार्टेशियन) अक्षों x, y, z के मनमाने घुमाव के साथ नहीं बदलता है। चावल। 3. सदिश c, सदिश a और b का सदिश गुणनफल है। 4. तीन इकाई सदिश ध्यान दें कि तीन इकाई परस्पर ऑर्थोगोनल सदिश सदिश कहलाते हैं और इन्हें आमतौर पर nx, ny, nz दर्शाया जाता है (चित्र 4)। अदिश गुणनफल की परिभाषा से यह स्पष्ट है कि ax = anx. चित्र में दिखाए गए मामले के लिए। 2, जैसा कि जाँचना आसान है, Lx = Ly = 0, Lz = |r| |पी| = स्थिरांक. सौरमंडल के ग्रह गोलाकार नहीं, बल्कि अण्डाकार कक्षाओं में घूमते हैं, जिससे ग्रह से सूर्य की दूरी समय के साथ बदलती रहती है। गति का निरपेक्ष मान भी समय के साथ समय-समय पर बदलता रहता है। लेकिन ग्रह की कक्षीय गति अपरिवर्तित रहती है। (एक अभ्यास के रूप में, यहां से केपलर का दूसरा नियम प्राप्त करें, जिसके अनुसार किसी ग्रह का त्रिज्या वेक्टर समान समयावधि में समान क्षेत्रों को "व्यापक" करता है)। कक्षीय कोणीय गति के साथ, जो सूर्य के चारों ओर गति की विशेषता है, अन्य ग्रहों की तरह, पृथ्वी की भी अपनी कोणीय गति है, जो इसके दैनिक घूर्णन की विशेषता है। आंतरिक कोणीय गति का संरक्षण जाइरोस्कोप का उपयोग करने का आधार है। प्राथमिक कणों के आंतरिक कोणीय संवेग को स्पिन कहा जाता है (अंग्रेजी स्पिन से - घुमाने के लिए)। आइंस्टीन के यांत्रिकी में द्रव्यमान, ऊर्जा और गति न्यूटन के यांत्रिकी निकायों की गति का पूरी तरह से वर्णन करते हैं जब उनकी गति प्रकाश की गति से बहुत कम होती है: वी सी। लेकिन यह सिद्धांत पूरी तरह से गलत है जब शरीर की गति की गति v प्रकाश की गति c के क्रम की होती है, और इससे भी अधिक जब v = c होती है। यदि आप किसी भी गति से, प्रकाश की गति तक, पिंडों की गति का वर्णन करने में सक्षम होना चाहते हैं, तो आपको सापेक्षता के विशेष सिद्धांत, आइंस्टीन के यांत्रिकी, या, जैसा कि इसे सापेक्षतावादी यांत्रिकी भी कहा जाता है, की ओर मुड़ना चाहिए। न्यूटन की गैर-सापेक्षतावादी यांत्रिकी आइंस्टीन की सापेक्षतावादी यांत्रिकी का केवल एक विशेष (हालांकि व्यावहारिक रूप से बहुत महत्वपूर्ण) सीमित मामला है। शब्द "सापेक्षता" और (जो एक ही बात है) "सापेक्षतावाद" गैलीलियो के सापेक्षता के सिद्धांत पर वापस जाते हैं। अपनी एक पुस्तक में, गैलीलियो ने बहुत ही रंगीन तरीके से बताया कि जहाज के अंदर कोई भी यांत्रिक प्रयोग यह स्थापित नहीं कर सकता है कि यह आराम की स्थिति में है या किनारे के सापेक्ष समान रूप से चल रहा है। निःसंदेह, यदि आप किनारे को देखें तो ऐसा करना कठिन नहीं है। लेकिन, केबिन में होने और खिड़की से बाहर न देखने पर जहाज की एकसमान और रैखिक गति का पता लगाना असंभव है। गणितीय रूप से, गैलीलियो के सापेक्षता के सिद्धांत को इस तथ्य में व्यक्त किया गया है कि निकायों की गति के समीकरण - यांत्रिकी के समीकरण - तथाकथित जड़त्वीय समन्वय प्रणालियों में समान दिखते हैं, अर्थात। अर्थात्, उन पिंडों से जुड़ी समन्वय प्रणालियों में जो बहुत दूर के तारों के सापेक्ष समान रूप से और सीधी रेखा में चलते हैं। (गैलीलियो के जहाज के मामले में, निश्चित रूप से, न तो पृथ्वी के दैनिक घूर्णन, न ही सूर्य के चारों ओर इसके घूर्णन, और न ही हमारी आकाशगंगा के केंद्र के चारों ओर सूर्य के घूर्णन को ध्यान में रखा जाता है।) आइंस्टीन की सबसे महत्वपूर्ण योग्यता यह थी उन्होंने गैलीलियो के सापेक्षता के सिद्धांत को विद्युत और ऑप्टिकल सहित सभी भौतिक घटनाओं तक विस्तारित किया, जिसमें फोटॉन भाग लेते हैं। इसके लिए अंतरिक्ष, समय, द्रव्यमान, गति और ऊर्जा जैसी मूलभूत अवधारणाओं पर विचारों में महत्वपूर्ण बदलाव की आवश्यकता थी। विशेष रूप से, गतिज ऊर्जा टी की अवधारणा के साथ, कुल ऊर्जा ई की अवधारणा पेश की गई थी: ई = ई0 + टी, जहां ई0 प्रसिद्ध सूत्र ई0 = एमसी2 द्वारा शरीर के द्रव्यमान एम से संबंधित बाकी ऊर्जा है। एक फोटॉन के लिए जिसका द्रव्यमान शून्य है, शेष ऊर्जा E0 भी शून्य है। फोटॉन "केवल शांति का सपना देखता है": यह हमेशा सी गति से चलता है। अन्य कण, जैसे इलेक्ट्रॉन और न्यूक्लियॉन, जिनका द्रव्यमान शून्य नहीं होता, उनकी विश्राम ऊर्जा शून्य नहीं होती। एम = 0 वाले मुक्त कणों के लिए, आइंस्टीन यांत्रिकी में ऊर्जा और वेग और संवेग और वेग के बीच संबंधों का रूप mc2 Ev E=, p= 2 है। 1 − v 2 /c2 c अतः संबंध m2 c4 = E 2 − p2 c2 कायम है। इस समानता के दाहिनी ओर के दो शब्दों में से प्रत्येक उतना ही बड़ा होता है जितनी तेजी से शरीर चलता है, लेकिन उनका अंतर अपरिवर्तित रहता है, या, जैसा कि भौतिक विज्ञानी आमतौर पर कहते हैं, अपरिवर्तनीय रहता है। किसी पिंड का द्रव्यमान एक सापेक्षतावादी अपरिवर्तनीय है; यह उस समन्वय प्रणाली पर निर्भर नहीं करता है जिसमें पिंड की गति पर विचार किया जाता है। यह जांचना आसान है कि आइंस्टीनियन, संवेग और ऊर्जा के लिए सापेक्षवादी अभिव्यक्तियां वी/सी 1 होने पर संबंधित न्यूटोनियन, गैर-सापेक्षवादी अभिव्यक्तियों में बदल जाती हैं। वास्तव में, इस मामले में, आइंस्टीनियन में संबंध द्रव्यमान, ऊर्जा और गति के दाईं ओर का विस्तार यांत्रिकी E = mc2 1 - 17 एक श्रृंखला में छोटे पैरामीटर v 2 /c2 के संबंध में, अभिव्यक्ति 1 v2 3 v2 2 प्राप्त करना मुश्किल नहीं है v 2 /c2। ई = एमसी2 1 + + +। . . 2 2 2 c 8 c यहां बिंदु पैरामीटर v 2 /c2 में उच्च क्रम के पदों का प्रतिनिधित्व करते हैं। जब x 1, फ़ंक्शन f (x) को छोटे पैरामीटर x के संबंध में एक श्रृंखला में विस्तारित किया जा सकता है। संबंध f (x) = f (0) + xf (0) + x2 x3 f (0) + f (0) + के बाएं और दाएं पक्षों को अलग करना। . . 2! 3! और हर बार x = 0 के परिणाम पर विचार करते हुए, इसकी वैधता को सत्यापित करना आसान है (x 1 के लिए छोड़े गए पद छोटे हैं)। जिस मामले में हम रुचि रखते हैं, f (x) = (1 − x)−1/2 , 1 (1 − x)−3/2 , 2 3 f (x) = (1 − x)−5/2 , 4 एफ ( एक्स) = एफ (0) = 1, 1 2 3 एफ (0) = . 4 f (0) =, ध्यान दें कि 30 किमी/सेकेंड की गति से कक्षा में घूम रही पृथ्वी के लिए पैरामीटर v 2 /c2 10−8 है। 1000 किमी/घंटा की गति से उड़ने वाले हवाई जहाज के लिए, यह पैरामीटर और भी छोटा है, v 2 /c2 ≈ 10−12। तो एक हवाई जहाज के लिए, 10-12 के क्रम की सटीकता के साथ, गैर-सापेक्षतावादी संबंध टी = एमवी 2/2, पी = एमवी संतुष्ट हैं, और सापेक्षतावादी सुधारों को सुरक्षित रूप से उपेक्षित किया जा सकता है। आइए द्रव्यमान के वर्ग को ऊर्जा और संवेग के वर्ग से जोड़ने वाले सूत्र पर वापस लौटें, और इसे E 2 m 2 c2 = − p2x − p2y − p2z के रूप में लिखें। सी तथ्य यह है कि एक जड़त्व प्रणाली से दूसरे में जाने पर इस समानता का बायां पक्ष नहीं बदलता है, इस तथ्य के समान है कि गति का वर्ग पी 2 = पी 2 एक्स + पी 2 वाई + पी 2 जेड, 18 आइंस्टीन के यांत्रिकी में द्रव्यमान, ऊर्जा और गति, साथ ही किसी भी त्रि-आयामी वेक्टर का वर्ग, सामान्य यूक्लिडियन अंतरिक्ष में समन्वय प्रणाली को घुमाने पर नहीं बदलता है (ऊपर चित्र 1 देखें)। इस सादृश्य के आधार पर, वे कहते हैं कि मान m2 c2 एक चार-आयामी वेक्टर का वर्ग है - चार-आयामी गति pμ (सूचकांक μ चार मान लेता है: μ = 0, 1, 2, 3): p0 = E/ सी, पी1 = पीएक्स, पी2 = पीवाई, पी3 = पीजेड। वह स्थान जिसमें वेक्टर pμ = (p0, p) परिभाषित है, छद्म-यूक्लिडियन कहा जाता है। इस मामले में उपसर्ग "छद्म" का अर्थ है कि अपरिवर्तनीय सभी चार घटकों के वर्गों का योग नहीं है, बल्कि अभिव्यक्ति p20 - p21 - p22 - p23 है। वे परिवर्तन जो दो अलग-अलग जड़त्वीय प्रणालियों के समय और स्थान निर्देशांक को जोड़ते हैं, लोरेंत्ज़ परिवर्तन कहलाते हैं। हम उन्हें यहां प्रस्तुत नहीं करेंगे, हम केवल यह ध्यान देंगे कि यदि समय t और अंतरिक्ष r में दो घटनाओं के बीच दूरी थी, तो केवल मान s, जिसे अंतराल कहा जाता है: s = (ct)2 - r2, नहीं बदलता है लोरेंत्ज़ परिवर्तनों के तहत, यानी ई एक लोरेंत्ज़ अपरिवर्तनीय है। हम इस बात पर जोर देते हैं कि न तो t और न ही r अपने आप में अपरिवर्तनीय हैं। यदि s > 0, तो अंतराल को टाइमलाइक कहा जाता है यदि s< 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 GeV. यू, सी और टी क्वार्क का विद्युत आवेश +2/3 है, और डी, एस और बी क्वार्क का विद्युत आवेश -1/3 है। +2/3 चार्ज वाले क्वार्क को आमतौर पर अप क्वार्क कहा जाता है, और -1/3 चार्ज वाले क्वार्क को डाउन क्वार्क कहा जाता है। क्वार्क के पदनाम अंग्रेजी शब्दों अप, डाउन, स्ट्रेंज, चार्म, बॉटम, टॉप से ​​आए हैं। ∗) शीर्ष क्वार्क की खोज के लिए, "20 साल बाद" अनुभाग देखें। हैड्रॉन और क्वार्क 41 क्वार्क मॉडल उस समय प्रस्तावित किया गया था जब केवल तथाकथित प्रकाश हैड्रॉन ज्ञात थे, यानी, हैड्रॉन जिसमें केवल प्रकाश क्वार्क, यू, डी और एस शामिल थे। इस मॉडल ने तुरंत इन हैड्रॉन की संपूर्ण व्यवस्था को व्यवस्थित कर दिया। इसके आधार पर न केवल उस समय तक ज्ञात कणों की संरचना को समझा गया, बल्कि उस समय अज्ञात कई हैड्रोन की भी भविष्यवाणी की गई। सभी हैड्रॉन को दो बड़े वर्गों में विभाजित किया जा सकता है। कुछ, जिन्हें बैरियन कहा जाता है, तीन क्वार्क से बने होते हैं। बैरियन फ़र्मिअन हैं, उनमें अर्ध-पूर्णांक स्पिन होता है। अन्य, जिन्हें मेसॉन कहा जाता है, एक क्वार्क और एक एंटीक्वार्क से मिलकर बने होते हैं। मेसॉन बोसोन हैं, उनकी पूरी स्पिन होती है। (बोसोन, फ़र्मियन और बेरिऑन पर पहले ही ऊपर चर्चा की जा चुकी है।) न्यूक्लियॉन सबसे हल्के बेरिऑन हैं। एक प्रोटॉन में दो यू-क्वार्क और एक डी-क्वार्क (पी = यूयूडी) होते हैं, एक न्यूट्रॉन में दो डी-क्वार्क और एक यू-क्वार्क (एन = डीडीयू) होते हैं। न्यूट्रॉन प्रोटॉन से भारी होता है क्योंकि डी-क्वार्क यू-क्वार्क से भारी होता है। लेकिन सामान्य तौर पर, जैसा कि देखना आसान है, न्यूक्लियॉन का द्रव्यमान तीन संबंधित क्वार्कों के द्रव्यमान के योग से अधिक परिमाण के लगभग दो क्रम का होता है। यह इस तथ्य से समझाया गया है कि न्यूक्लियॉन में "नग्न" क्वार्क नहीं होते हैं, बल्कि एक प्रकार के भारी "ग्लूऑन कोट" में "लिपटे" क्वार्क होते हैं (ग्लूऑन पर अगले भाग में चर्चा की जाएगी)। केवल यू- और डी-क्वार्क से अधिक से युक्त बैरियन को हाइपरॉन कहा जाता है। उदाहरण के लिए, हाइपरॉन में सबसे हल्के, Λ-हाइपरॉन में तीन अलग-अलग क्वार्क होते हैं: Λ = uds। मेसॉन में सबसे हल्के π -मेसन, या पियोन हैं: π +, π -, π 0। आवेशित पियोन की क्वार्क संरचना सरल है: π + = ud, π - = d u। जहाँ तक तटस्थ पियोन की बात है, यह यूयू और डीडी अवस्थाओं का एक रैखिक संयोजन है: यह समय का कुछ हिस्सा यूयू अवस्था में और कुछ समय डीडी अवस्था में व्यतीत करता है। समान संभावना के साथ, π 0 मेसन इनमें से प्रत्येक अवस्था में पाया जा सकता है: 1 π 0 = √ (u u − dd)। π+- π − -मेसॉन 2 द्रव्यमान और (ये मेसॉन परस्पर प्रतिकण हैं) लगभग 140 MeV हैं; π 0 मेसन (π 0 मेसन, एक फोटॉन की तरह, वास्तव में तटस्थ है) का द्रव्यमान लगभग 135 MeV है। बढ़ते द्रव्यमान के क्रम में अगले मेसॉन K मेसॉन हैं, इनका द्रव्यमान लगभग 500 MeV है। K मेसॉन में s क्वार्क होते हैं: 0 = sd, K - = s K + = u s, K 0 = d s, K u। 42 हैड्रोन और क्वार्क K + - और K - -मेसॉन एक दूसरे के संबंध में प्रतिकण हैं 0 -मेसॉन, जो एक दूसरे के समान हैं। यही बात K 0 पर भी लागू होती है - और K वास्तव में तटस्थ कण नहीं हैं। ध्यान दें कि एस-क्वार्क वाले कणों को अजीब कण कहा जाता है, और एस-क्वार्क को ही अजीब क्वार्क कहा जाता है। यह नाम 50 के दशक में सामने आया, जब अजीब कणों के कुछ गुण आश्चर्यजनक लगने लगे। जाहिर है, तीन क्वार्क (यू, डी, एस) और तीन एंटीक्वार्क, डी, एस से, नौ अलग-अलग राज्यों का निर्माण किया जा सकता है: (यू यू यू उड यू एस डी यू डी डी एस यू एसडी एस एस। इन नौ राज्यों में से सात (तीन π मेसॉन के लिए और चार) के-मेसन के लिए) हम पहले ही चर्चा कर चुके हैं; शेष दो सुपरपोजिशन हैं - राज्यों यू यू, डीडी और एस एस के रैखिक संयोजन। दो कणों में से एक का द्रव्यमान - η -मेसन का द्रव्यमान - 550 मेव के बराबर है। दूसरे का द्रव्यमान - η -मेसन का द्रव्यमान - 960 के बराबर है। MeV; 1 η 0 = √ (u u + dd - 2s s), 6 1 η = √ (u u + dd + s s)। π 0 मेसॉन, η - और η -मेसॉन वास्तव में तटस्थ कण हैं (अधिक विवरण। क्वांटम मैकेनिकल सुपरपोजिशन पर पृष्ठ 48 पर चर्चा की गई है।) जिन नौ मेसॉन को हमने अभी देखा उनमें शून्य स्पिन है: जे = 0। इनमें से प्रत्येक मेसॉन में शामिल हैं एक क्वार्क और एक एंटीक्वार्क, जिनका कक्षीय संवेग शून्य है: L = 0. क्वार्क और एंटीक्वार्क के स्पिन एक दूसरे की ओर देखते हैं, जिससे उनका कुल स्पिन भी शून्य होता है: S = 0. मेसॉन स्पिन J का ज्यामितीय योग है क्वार्क एल की कक्षीय गति और उनका कुल स्पिन एस: जे = एल + एस। इस मामले में, दो शून्य का योग स्वाभाविक रूप से शून्य देता है। चर्चा किए गए नौ मेसॉन में से प्रत्येक अपनी तरह का सबसे हल्का है। उदाहरण के लिए, मेसॉन पर विचार करें जिसमें क्वार्क और एंटीक्वार्क की कक्षीय गति अभी भी शून्य है, एल = 0, लेकिन क्वार्क और एंटीक्वार्क के स्पिन समानांतर हैं, ताकि एस = 1 43 चार्म्ड कण और इसलिए जे = 1। मेसॉन अधिक भारी ∗0, ω 0, ϕ0 बनाते हैं: नौ (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 कई मेसॉन ज्ञात हैं जिनके लिए L = 0 और J > 1. ध्यान दें कि 1983 में सर्पुखोव त्वरक पर रिकॉर्ड उच्च स्पिन वाला एक मेसॉन खोजा गया था: J = 6 आइए अब हम u-, d- और s-क्वार्क से निर्मित बैरियन की ओर मुड़ते हैं, क्वार्क मॉडल के अनुसार, एक न्यूक्लियॉन में तीन क्वार्क के कक्षीय क्षण शून्य के बराबर होते हैं, और न्यूक्लियॉन J का स्पिन बराबर होता है। क्वार्क के स्पिन के ज्यामितीय योग के लिए, प्रोटॉन में दो यू-क्वार्क के स्पिन समानांतर हैं, और डी-क्वार्क का स्पिन विपरीत दिशा में है। 2. क्वार्क मॉडल के अनुसार, प्रोटॉन, न्यूट्रॉन, Λ-हाइपरॉन और पांच अन्य हाइपरॉन जे = 1./2 के साथ बैरियन का एक ऑक्टेट (आठ) बनाते हैं; और J = 3/2 के साथ Baryons एक डिकुलेट (दस) बनाते हैं: ddd udd uud uuu dds uus uus dss uss sss ← → Δ− Δ− Δ 0 Δ+ Δ+ σ− σ− σ− σ− ξ+ ξ−0 ω− 1232 mev 1385 mev 1530 एमईवी 1672 एमईवी। Ω− हाइपरॉन, इस उल्टे पिरामिड का शीर्ष, 1964 में प्रयोगात्मक रूप से पाया गया था। इसका द्रव्यमान बिल्कुल वैसा ही निकला जैसा क्वार्क मॉडल ने भविष्यवाणी की थी। आकर्षक कण लेकिन क्वार्क मॉडल की असली जीत सी-क्वार्क युक्त आकर्षक कणों की खोज थी (रूसी शब्द "आकर्षण" अंग्रेजी आकर्षण से मेल खाता है)। पहला मंत्रमुग्ध कण, 3.1 GeV द्रव्यमान वाला तथाकथित J/ψ मेसन, 1974 में खोजा गया था। (इस कण को ​​​​कभी-कभी एक छिपा हुआ आकर्षण कहा जाता है क्योंकि इसमें कण होते हैं।) J/ψ मेसन को खोला गया था विभिन्न त्वरक के साथ दो प्रयोगों पर लगभग एक साथ। प्रोटॉन त्वरक पर, J/ψ मेसन को 44 क्वार्क कारावास के रूप में देखा गया था, इसके क्षय J/ψ → e+ e− द्वारा बेरिलियम लक्ष्य के साथ एक प्रोटॉन बीम की टक्कर के उत्पादों के बीच क्वार्क कारावास देखा गया था। इलेक्ट्रॉन पॉज़िट्रॉन कोलाइडर पर इसे प्रतिक्रिया e+ e− → J/ψ में देखा गया। भौतिकविदों के पहले समूह ने इस मेसन को J कहा, दूसरे ने - ψ, इसलिए J/ψ मेसन को इसका दोहरा नाम मिला। जे/ψ मेसन सी सी प्रणाली के स्तरों में से एक है, जिसे "चार्मोनियम" (अंग्रेजी चार्म से) कहा जाता है। कुछ मायनों में c हाइड्रोजन परमाणु जैसा दिखता है। हालाँकि, इससे कोई फर्क नहीं पड़ता कि सिस्टम के किस अर्थ में हाइड्रोजन परमाणु की स्थिति है (उसका इलेक्ट्रॉन किसी भी स्तर पर स्थित है), इसे अभी भी हाइड्रोजन परमाणु कहा जाता है। इसके विपरीत, चार्मोनियम के विभिन्न स्तरों (और न केवल चार्मोनियम, बल्कि अन्य क्वार्क सिस्टम) को अलग मेसॉन माना जाता है। वर्तमान में, लगभग एक दर्जन मेसॉन - चारमोनियम स्तर - की खोज और अध्ययन किया गया है। ये स्तर क्वार्क और एंटीक्वार्क स्पिन के पारस्परिक अभिविन्यास, उनके कक्षीय कोणीय संवेग के मूल्यों और उनके तरंग कार्यों के रेडियल गुणों में अंतर में एक दूसरे से भिन्न होते हैं। चार्मोनियम के बाद, स्पष्ट आकर्षण वाले मेसॉन की खोज की गई: D+ = cd, D0 = c u, F + = c s, - 0 - D = d c, D = u c, F = s c, 1869 MeV 1865 MeV 2020 MeV (अनुमानित मान हैं यहां मंत्रमुग्ध मेसों की भीड़ का संकेत दिया गया है)। मंत्रमुग्ध बेरियोन की भी खोज की गई। मंत्रमुग्ध कणों की खोज, और फिर बी-क्वार्क युक्त भारी हैड्रॉन की खोज, और उनके गुणों का अध्ययन हैड्रॉन के क्वार्क सिद्धांत की एक शानदार पुष्टि थी। पहली बार, सी- और बी-क्वार्क के बड़े द्रव्यमान के लिए धन्यवाद, क्वार्क-एंटीक्वार्क प्रणाली के स्तरों की तस्वीर अपनी सभी समृद्धि और स्पष्टता में दिखाई दी। इस खोज का मनोवैज्ञानिक प्रभाव बहुत जबरदस्त था. यहां तक ​​कि जो लोग पहले इनके बारे में बहुत अधिक संशय में थे वे भी क्वार्क में विश्वास करते थे। क्वार्क की विफलता यदि सभी हैड्रॉन में क्वार्क होते हैं, तो ऐसा प्रतीत होता है कि मुक्त क्वार्क भी मौजूद होना चाहिए। मुक्त क्वार्क ढूँढना आसान होगा। आख़िरकार, उनके पास भिन्नात्मक विद्युत आवेश होते हैं। लेकिन किसी भी संख्या में इलेक्ट्रॉनों और प्रोटॉन के साथ आंशिक चार्ज को बेअसर करना असंभव है: हमेशा या तो "45 वर्षों तक क्वार्क का कम उत्सर्जन" या "ओवरशूट" रहेगा। यदि, मान लीजिए, तेल की एक बूंद में एक क्वार्क है, तो पूरी बूंद का आवेश भिन्नात्मक होगा। बूंदों के साथ प्रयोग सदी की शुरुआत में किए गए थे, जब एक इलेक्ट्रॉन का चार्ज मापा गया था। क्वार्कों की खोज में, हमारे समय में उन्हें बहुत अधिक सटीकता के साथ दोहराया गया था। लेकिन भिन्नात्मक आवेशों की खोज कभी नहीं की गई। पानी के एक बहुत ही सटीक द्रव्यमान स्पेक्ट्रोस्कोपिक विश्लेषण से भी एक नकारात्मक परिणाम सामने आया, जिसने 10−27 के क्रम के प्रोटॉन की संख्या के लिए मुक्त क्वार्क की संख्या के अनुपात की ऊपरी सीमा दी। सच है, स्टैनफोर्ड विश्वविद्यालय की एक प्रयोगशाला में प्रयोगकर्ताओं ने चुंबकीय और विद्युत क्षेत्रों में छोटी नाइओबियम गेंदों को निलंबित करते हुए उन पर भिन्नात्मक आवेश की खोज की। लेकिन अन्य प्रयोगशालाओं में इन परिणामों की पुष्टि नहीं की गई। आज, अधिकांश विशेषज्ञ अपने निष्कर्षों में यह मानने को इच्छुक हैं कि क्वार्क प्रकृति में स्वतंत्र अवस्था में मौजूद नहीं हैं। एक विरोधाभासी स्थिति पैदा हो गई है. क्वार्क निस्संदेह हैड्रॉन के अंदर मौजूद होते हैं। यह न केवल ऊपर वर्णित हैड्रोन के क्वार्क सिस्टमैटिक्स से प्रमाणित होता है, बल्कि उच्च-ऊर्जा इलेक्ट्रॉनों द्वारा न्यूक्लियॉन के प्रत्यक्ष "संचरण" से भी प्रमाणित होता है। इस प्रक्रिया के सैद्धांतिक विश्लेषण (जिसे डीप इनलेस्टिक स्कैटरिंग कहा जाता है) से पता चलता है कि हैड्रॉन के अंदर, इलेक्ट्रॉन बिंदु कणों पर +2/3 और -1/3 के बराबर चार्ज के साथ बिखरे हुए हैं, और 1/2 के बराबर स्पिन करते हैं। गहरे अकुशल प्रकीर्णन की प्रक्रिया में, इलेक्ट्रॉन तेजी से अपनी गति और ऊर्जा बदलता है, जिससे इसका एक महत्वपूर्ण हिस्सा क्वार्क को मिल जाता है (चित्र 9)। सिद्धांत रूप में, यह बिल्कुल वैसा ही है जैसे एक अल्फा कण किसी परमाणु के नाभिक से टकराने पर अचानक अपनी गति बदल देता है (चित्र 10)। इस प्रकार 20वीं सदी की शुरुआत में रदरफोर्ड की प्रयोगशाला में परमाणु नाभिक का अस्तित्व स्थापित हुआ। क्वार्क के आंशिक आवेश स्वयं को एक और गहरी बेलोचदार प्रक्रिया में भी प्रकट करते हैं: उच्च ऊर्जा (बड़े कोलाइडर पर) में विनाश ई + ई - में हैड्रॉन जेट का निर्माण। e+ e− -विनाश में हैड्रॉन जेट पर पुस्तक के अंत में अधिक विस्तार से चर्चा की जाएगी। तो, निस्संदेह हैड्रोन के अंदर क्वार्क होते हैं। लेकिन उन्हें हैड्रोन से हटाना असंभव है। इस घटना को अंग्रेजी शब्द "कारावास" कहा जाता है, जिसका अर्थ है कैद, कारावास। एक क्वार्क जिसने एक इलेक्ट्रॉन के साथ टकराव के परिणामस्वरूप ऊर्जा प्राप्त की है (चित्र 9 देखें) एक मुक्त कण के रूप में न्यूक्लियॉन से बाहर नहीं निकलेगा, बल्कि क्वार्क-एंटी-क्वार्क के निर्माण पर अपनी ऊर्जा बर्बाद कर देगा। 9. एक प्रोटॉन के तीन क्वार्कों में से एक पर एक इलेक्ट्रॉन का प्रकीर्णन। प्रोटॉन - बड़ा वृत्त, क्वार्क - काले बिंदु चित्र। 10. परमाणु के नाभिक पर α-कण का प्रकीर्णन। परमाणु एक बड़ा वृत्त है, नाभिक क्वार्क जोड़े के केंद्र में एक काला बिंदु है, यानी, नए हैड्रोन का निर्माण, मुख्य रूप से मेसॉन। एक अर्थ में, मेसॉन को उसके घटक क्वार्क और एंटीक्वार्क में तोड़ने की कोशिश करना एक कम्पास सुई को दक्षिणी और उत्तरी ध्रुवों में तोड़ने की कोशिश करने के समान है: सुई को तोड़ने से, हमें एक के बजाय दो चुंबकीय द्विध्रुव मिलते हैं। एक मेसॉन को तोड़ने पर हमें दो मेसॉन प्राप्त होते हैं। जो ऊर्जा हम मूल क्वार्क और एंटीक्वार्क को अलग करने में खर्च करते हैं, उसका उपयोग एंटीक्वार्क प्लस क्वार्क की एक नई जोड़ी बनाने के लिए किया जाएगा, जो मूल क्वार्क के साथ दो मेसॉन बनाते हैं। लेकिन चुंबकीय सुई के साथ सादृश्य अधूरा और भ्रामक है। आख़िरकार, हम जानते हैं कि लोहे में, न केवल स्थूल स्तर पर, बल्कि सूक्ष्म स्तर पर भी, कोई चुंबकीय ध्रुव नहीं होते हैं, केवल इलेक्ट्रॉनों के स्पिन और कक्षीय गति के कारण चुंबकीय द्विध्रुवीय क्षण होते हैं। इसके विपरीत, हैड्रोन के अंदर गहराई में अलग-अलग क्वार्क मौजूद होते हैं - हम जितनी गहराई तक अंदर प्रवेश करते हैं, हम उन्हें उतना ही अधिक स्पष्ट रूप से देखते हैं। गुरुत्वाकर्षण और इलेक्ट्रोडायनामिक्स में, हम इस तथ्य के आदी हैं कि जब कण एक-दूसरे के करीब आते हैं तो कणों के बीच बल बढ़ जाते हैं और जब कण दूर जाते हैं तो कमजोर हो जाते हैं (1/r जैसी क्षमताएं)। क्वार्क और एंटीक्वार्क के मामले में स्थिति अलग है। एक महत्वपूर्ण त्रिज्या r0 ≈ 10−13 सेमी है: r r0 पर एक क्वार्क और एक एंटीक्वार्क के बीच की क्षमता कमोबेश कूलम्ब या न्यूटोनियन के समान होती है, लेकिन r r0 पर इसका व्यवहार तेजी से बदलता है - यह बढ़ने लगता है। कोई सोच सकता है कि यदि दुनिया में कोई हल्के क्वार्क (यू, डी, एस) नहीं थे, लेकिन केवल भारी क्वार्क (सी, बी, टी) थे, तो इस मामले में, आर ≈ आर 0 से शुरू होने पर, क्षमता रैखिक रूप से बढ़ जाएगी बढ़ती हुई आर, और हमारे पास ग्लूऑन-प्रकार की क्षमता द्वारा वर्णित एक कारावास होगा। फ़नल रंग 47 (तुलना के लिए चित्र 11 और चित्र 5 देखें)। एक रैखिक रूप से बढ़ती क्षमता एक ऐसे बल से मेल खाती है जो दूरी के साथ नहीं बदलता है। याद रखें कि जब एक साधारण कठोर स्प्रिंग को खींचा जाता है, तो इसकी स्थितिज ऊर्जा इसके बढ़ाव के साथ चतुष्कोणीय रूप से बढ़ जाती है। इसलिए, रैखिक रूप से बढ़ती क्षमता द्वारा वर्णित कारावास को स्वाभाविक रूप से नरम कहा जा सकता है। दुर्भाग्य से, वास्तविक दुनिया में, प्रकाश क्वार्क के जोड़े के निर्माण से मूल क्वार्क और एंटीक्वार्क को अंजीर से अधिक दूरी तक अलग करना संभव नहीं होता है। 11. प्रकार vo10−13 सेमी की क्षमता, प्लेक्वार्क और एंटीक्वार्क का वर्णन करने वाले प्रारंभिक सींगों के बिना फिर से हैड्रॉन में क्वार्क द्वारा जुड़ा हुआ है, इस बार दो अलग-अलग मेसॉन में। इसलिए लंबी दूरी पर नरम कारावास स्प्रिंग का परीक्षण करना संभव नहीं है। कौन से बल क्षेत्र के कारण क्वार्क ऐसे अजीब तरीके से व्यवहार करते हैं? किस प्रकार का असामान्य गोंद उन्हें एक साथ चिपका देता है? ग्लून्स। रंग क्वार्क और एंटीक्वार्क द्वारा निर्मित और उन पर कार्य करने वाले मजबूत बल क्षेत्र को ग्लूऑन क्षेत्र कहा जाता था, और जी कण, जो इस क्षेत्र के उत्तेजना के क्वांटा हैं, को ग्लूऑन (अंग्रेजी गोंद - गोंद से) कहा जाता था। ग्लूऑन ग्लूऑन क्षेत्र के साथ उसी पत्राचार में हैं जैसे फोटॉन विद्युत चुम्बकीय क्षेत्र के साथ हैं। यह स्थापित किया गया है कि, फोटॉन की तरह, ग्लूऑन में एक के बराबर स्पिन होता है: जे = 1 (हमेशा की तरह, एच̄ की इकाइयों में)। फोटॉन की तरह ग्लूऑन की समता ऋणात्मक है: P = −1. (समानता पर नीचे विशेष खंड "सी -, पी -, टी - समरूपता" में चर्चा की जाएगी।) एक के बराबर स्पिन और नकारात्मक समता (जे पी = 1−) वाले कणों को वेक्टर कहा जाता है, क्योंकि घूर्णन और प्रतिबिंब के दौरान निर्देशांक उनके तरंग कार्यों को सामान्य स्थानिक वैक्टर के रूप में बदल देते हैं। तो ग्लूऑन, फोटॉन की तरह, मौलिक वेक्टर बोसॉन नामक कणों के एक वर्ग से संबंधित है। 48 ग्लूऑन। रंग इलेक्ट्रॉनों के साथ फोटॉन की परस्पर क्रिया के सिद्धांत को क्वांटम इलेक्ट्रोडायनामिक्स कहा जाता है। क्वार्क के साथ ग्लूऑन की परस्पर क्रिया के सिद्धांत को क्वांटम क्रोमोडायनामिक्स (ग्रीक "क्रोमोस" से - रंग) कहा जाता था। "रंग" शब्द अभी तक इस पुस्तक के पन्नों में प्रकट नहीं हुआ है। अब मैं आपको यह बताने की कोशिश करूंगा कि इसके पीछे क्या है। आप पहले से ही जानते हैं कि आपने प्रयोगात्मक रूप से क्वार्क (यू, डी, एस, सी, बी) के पांच अलग-अलग प्रकार (या, जैसा कि वे कहते हैं, स्वाद) देखे हैं और छठे (टी) की खोज करने वाले हैं। तो, क्वांटम क्रोमोडायनामिक्स के अनुसार, इनमें से प्रत्येक क्वार्क एक नहीं, बल्कि तीन अलग-अलग कण हैं। तो कुल मिलाकर 6 नहीं, बल्कि 18 क्वार्क हैं, और एंटीक्वार्क को ध्यान में रखते हुए, उनमें से 36 हैं। आमतौर पर कहा जाता है कि प्रत्येक स्वाद का एक क्वार्क तीन किस्मों के रूप में मौजूद होता है, जो रंग में एक दूसरे से भिन्न होते हैं। आमतौर पर चुने गए क्वार्क के रंग पीले (जी), नीले (सी) और लाल (जे) होते हैं। एंटीक्वार्क के रंग एंटी-ब्लू (सी), एंटी-रेड (के) होते हैं। बेशक, सब कुछ पीला (जी) है, ये नाम पूरी तरह से पारंपरिक हैं और इनका सामान्य ऑप्टिकल रंगों से कोई लेना-देना नहीं है। भौतिक विज्ञानी उनका उपयोग उन विशिष्ट आवेशों को निर्दिष्ट करने के लिए करते हैं जो क्वार्क के पास होते हैं और जो ग्लूऑन क्षेत्रों के स्रोत होते हैं, जैसे एक विद्युत आवेश एक फोटॉन (विद्युत चुम्बकीय) क्षेत्र का एक स्रोत होता है। जब मैंने ग्लूऑन फ़ील्ड के बारे में बोलते समय बहुवचन का उपयोग किया, और फोटॉन फ़ील्ड के बारे में बोलते समय एकवचन का उपयोग किया, तो मैंने कोई गलती नहीं की। तथ्य यह है कि ग्लूऑन की आठ रंगीन किस्में हैं। प्रत्येक ग्लूऑन में आवेशों की एक जोड़ी होती है: रंग आवेश या तो c या k होता है)। कुल मिलाकर, नौ जोड़ी संयोजनों का निर्माण (w या s, या k) और "एंटी-कलर" (w तीन रंग और तीन "एंटी-रंग") से किया जा सकता है: zhs w k zh ss s k szh ks k k k ये नौ युग्मित संयोजनों को स्वाभाविक रूप से छह गैर-विकर्ण "स्पष्ट रूप से रंगीन" में विभाजित किया गया है: एसजी एस, एसजेएच, के, के एस, केजेएच, केजेएच और तीन विकर्ण वाले (हमारी मेज के विकर्ण पर खड़े), जिनमें एक प्रकार का "छिपा हुआ रंग" होता है: ss, k k zhzh, ग्लून्स कलर 49 रंग आवेश, एक विद्युत आवेश की तरह, संरक्षित होते हैं, इसलिए, छह गैर-विकर्ण "स्पष्ट रूप से रंगीन" रंग जोड़े एक दूसरे के साथ मिश्रित नहीं हो सकते हैं ," रंग आवेशों का संरक्षण संक्रमणों को नहीं रोकता है: ↔ ss k k. lj इन संक्रमणों के परिणामस्वरूप, तीन रैखिक संयोजन (रैखिक सुपरपोजिशन) उत्पन्न होते हैं, जिनमें से एक 1 + ss + k √ (lj k) 3 रंगों के संबंध में पूरी तरह से सममित है, इसमें कोई छिपा हुआ रंग चार्ज भी नहीं है, पूरी तरह से रंगहीन है, या, जैसा कि वे कहते हैं, दो अन्य विकर्ण संयोजन चुने जा सकते हैं, उदाहरण के लिए: 1 - ss) √ ( zh 2 और 1 + ss − 2k √ (zh k) । 6 या दो अन्य तरीकों से (चक्रीय प्रतिस्थापन zh → s → k → zh द्वारा)। हम यहां इन रैखिक सुपरपोजिशन में गुणांकों पर चर्चा नहीं करेंगे, क्योंकि यह इस पुस्तक के दायरे से परे है। यही बात विकर्ण सुपरपोजिशन के तीन अलग-अलग विकल्पों की भौतिक तुल्यता पर भी लागू होती है। यहां यह महत्वपूर्ण है कि आठ संयोजनों में से प्रत्येक (छह स्पष्ट रूप से रंगीन और दो अव्यक्त रंग) एक ग्लूऑन से मेल खाते हैं। तो, आठ ग्लूऑन हैं: 8 = 3 · 3 − 1. यह बहुत महत्वपूर्ण है कि रंग स्थान में कोई पसंदीदा दिशा नहीं है: तीन रंगीन क्वार्क बराबर हैं, तीन रंगीन एंटीक्वार्क बराबर हैं, और आठ रंगीन ग्लूऑन बराबर हैं। रंग समरूपता सख्त है. ग्लूऑन उत्सर्जित और अवशोषित करके, क्वार्क एक दूसरे के साथ दृढ़ता से बातचीत करते हैं। निश्चितता के लिए, आइए हम लाल क्वार्क पर विचार करें। उत्सर्जित करने से, रंग के संरक्षण के कारण, यह kzh प्रकार के zhelgloon, th क्वार्क में बदल जाएगा, क्योंकि, खेल के नियमों के अनुसार, एंटीकलर c, लाल का उत्सर्जन रंग के अवशोषण के बराबर है। ग्लूऑन उत्सर्जित करने से क्वार्क नीला हो जाएगा। यह स्पष्ट है कि वही परिणाम ग्लूऑन केएस पर लागू होते हैं। इससे लाल क्वार्क द्वारा ग्लूऑन का अवशोषण भी होता है, पहले मामले में, क्वार्क पीला हो जाएगा, दूसरे में, यह नीला हो जाएगा। ये 50 ग्लूऑन. लाल क्वार्क द्वारा ग्लूऑन उत्सर्जन और अवशोषण की रंग प्रक्रियाओं को इस रूप में लिखा जा सकता है: qк → qл + gкл, qк + gкл → qл, qк → qс + gкс, qк + gкс → qс, जहां qк, qл, qс दर्शाते हैं लाल, पीला और नीला, क्रमशः किसी भी स्वाद के क्वार्क, और gkzh, g kzh, gks और g ks लाल-विरोधी पीला, विरोधी लाल-पीला, लाल-विरोधी नीला और विरोधी लाल-नीला ग्लूऑन हैं। इसी तरह, हम पीले और नीले क्वार्क द्वारा ऑफ-विकर्ण ग्लूऑन के उत्सर्जन और अवशोषण पर विचार कर सकते हैं। जाहिर है, विकर्ण ग्लूऑन के उत्सर्जन और अवशोषण से क्वार्क का रंग नहीं बदलता है। तथ्य यह है कि ग्लूऑन में रंग आवेश होते हैं, जिससे इन कणों और फोटॉन के बीच मौलिक अंतर होता है। फोटॉन में कोई विद्युत आवेश नहीं होता। इसलिए, फोटॉन फोटॉनों का उत्सर्जन या उन्हें हिलाता नहीं है। ग्लून्स में रंग आवेश होते हैं। इसलिए, ग्लूऑन ग्लूऑन उत्सर्जित करता है। आवेशित कण का द्रव्यमान जितना छोटा होता है, कण उतनी ही आसानी से उत्सर्जित होता है। ग्लूऑन द्रव्यमानहीन होते हैं, इसलिए ग्लूऑन द्वारा ग्लूऑन का उत्सर्जन, यदि वे मुक्त हो सकते हैं, तो विनाशकारी रूप से मजबूत होगा। लेकिन इससे कोई विपत्ति नहीं आती. ग्लूऑन के बीच मजबूत अंतःक्रिया स्वयं और क्वार्क दोनों को सीमित कर देती है। 10−13 सेमी की दूरी पर रंग आवेशों की मजबूत अंतःक्रिया इतनी मजबूत हो जाती है कि पृथक रंग आवेश लंबी दूरी तक बच नहीं सकते हैं। परिणामस्वरूप, रंग आवेशों के केवल ऐसे संयोजन ही मुक्त रूप में मौजूद हो सकते हैं जिनमें समग्र रूप से रंग आवेश नहीं होता है। इलेक्ट्रोडायनामिक्स पृथक विद्युत रूप से तटस्थ परमाणुओं और पृथक इलेक्ट्रॉनों और आयनों दोनों के अस्तित्व की अनुमति देता है। क्रोमोडायनामिक्स केवल रंगहीन, "सफ़ेद" हैड्रोन की एक पृथक अवस्था में अस्तित्व की अनुमति देता है, जिसमें सभी रंग समान रूप से मिश्रित होते हैं। उदाहरण के लिए, π + -मेसन तीन संभावित k में से प्रत्येक में समान समय व्यतीत करता है: यह रंग अवस्थाओं uл dж, uc dс और uk d को इन अवस्थाओं के योग का प्रतिनिधित्व करता है। अंतिम कथन, छिपे हुए रंग वाले ग्लूऑन के बारे में कथन की तरह, अप्रशिक्षित पाठक के लिए बहुत स्पष्ट नहीं होना चाहिए। लेकिन, जैसा कि ऊपर बताया गया है, भौतिकी में हर चीज़ ग्लून्स नहीं है। 51 के प्राथमिक कणों के रंग को "आपकी उंगलियों पर" सरल और स्पष्ट रूप से समझाया जा सकता है। इस संबंध में, मुझे ऐसा लगता है कि यहां कई टिप्पणियाँ करना उचित है जो न केवल इस खंड के लिए, बल्कि पुस्तक के अन्य खंडों और सामान्य रूप से लोकप्रिय विज्ञान साहित्य के लिए भी प्रासंगिक हैं। पाठक को विज्ञान की बहुआयामी, विशाल और जटिल भूलभुलैया में किसी तरह से नेविगेट करने की अनुमति देकर, लोकप्रिय विज्ञान पुस्तकें और लेख निस्संदेह और महान लाभ पहुंचाते हैं। साथ ही, वे ज्ञात हानि भी पहुँचाते हैं। वैज्ञानिक सिद्धांतों और प्रयोगों (और लोकप्रिय पुस्तकों में अन्य विवरण अक्सर असंभव होते हैं) का मौखिक, अत्यंत अनुमानित और कार्टून जैसा सरलीकृत विवरण देकर, वे पाठक में सरलता और पूर्ण समझ की झूठी भावना पैदा कर सकते हैं। कई लोगों की धारणा है कि वर्णित वैज्ञानिक सिद्धांत काफी हद तक, यदि पूरी तरह से वैकल्पिक नहीं हैं, तो मनमाने हैं। वे कहते हैं, कुछ अलग आविष्कार करना संभव है। यह लोकप्रिय विज्ञान साहित्य है जो सापेक्षता के सिद्धांत, क्वांटम यांत्रिकी और प्राथमिक कणों के सिद्धांत के अनपढ़ "खंडन" और "कठोर सुधार" वाले पत्रों के अटूट प्रवाह के लिए जिम्मेदार है, जो देश के मुख्य भौतिक संस्थानों पर पड़ता है। मुझे ऐसा लगता है कि एक लोकप्रिय विज्ञान पुस्तक के लेखक को न केवल सरल व्याख्या करनी चाहिए, बल्कि पाठक को जटिल चीजों की उपस्थिति के बारे में भी चेतावनी देनी चाहिए जो केवल विशेषज्ञों के लिए ही सुलभ हैं। रंगीन क्वार्क और ग्लूऑन निष्क्रिय दिमाग के आविष्कार नहीं हैं। क्वांटम क्रोमोडायनामिक्स प्रकृति द्वारा हम पर थोपा गया है, इसकी पुष्टि बड़ी संख्या में प्रयोगात्मक तथ्यों द्वारा की गई है और इसकी पुष्टि जारी है। यह बहुत ही गैर-तुच्छ और पूरी तरह से विकसित गणितीय उपकरण के साथ सबसे जटिल भौतिक सिद्धांतों (और शायद सबसे जटिल) में से एक है। वर्तमान में, ऐसा एक भी तथ्य नहीं है जो क्वांटम क्रोमोडायनामिक्स का खंडन करे। हालाँकि, कई घटनाओं की इसमें केवल गुणात्मक व्याख्या मिलती है, मात्रात्मक विवरण नहीं। विशेष रूप से, कम दूरी पर उत्पादित "क्वार्क + एंटीक्वार्क" जोड़े से हैड्रॉनिक जेट कैसे विकसित होते हैं, इसके तंत्र की अभी भी पूरी समझ नहीं है। कारावास का सिद्धांत अभी तक निर्मित नहीं हुआ है। दुनिया भर के सबसे मजबूत सैद्धांतिक भौतिक विज्ञानी अब इन सवालों पर काम कर रहे हैं। यह काम न केवल पारंपरिक साधनों - पेंसिल और कागज का उपयोग करके किया जाता है, बल्कि शक्तिशाली आधुनिक कंप्यूटरों पर कई घंटों की गणना के माध्यम से भी किया जाता है। इन "संख्यात्मक प्रयोगों" में 52 लेप्टान, निरंतर स्थान और समय को लगभग 104 नोड्स वाले असतत चार-आयामी जाली द्वारा प्रतिस्थापित किया जाता है, और इन जाली पर ग्लूऑन फ़ील्ड पर विचार किया जाता है। लेप्टॉन पिछले कुछ अनुभागों में हमने प्रोटॉन के कई रिश्तेदारों, हैड्रोन के गुणों और संरचना पर चर्चा की। आइए अब हम इलेक्ट्रॉन के रिश्तेदारों की ओर मुड़ें। उन्हें लेप्टान कहा जाता है (ग्रीक में "लेप्टोस" का अर्थ छोटा, छोटा और "माइट" का अर्थ छोटा सिक्का होता है)। इलेक्ट्रॉन की तरह, सभी लेप्टान मजबूत अंतःक्रियाओं में भाग नहीं लेते हैं और उनकी स्पिन 1/2 होती है। इलेक्ट्रॉन की तरह, ज्ञान के वर्तमान स्तर पर सभी लेप्टान को वास्तव में प्राथमिक कण कहा जा सकता है, क्योंकि किसी भी लेप्टान की संरचना हैड्रोन के समान नहीं होती है। इस अर्थ में लेप्टान को बिंदु कण कहा जाता है। वर्तमान में, तीन आवेशित लेप्टान का अस्तित्व स्थापित किया गया है: e−, μ−, τ −, और तीन तटस्थ: νe, νμ, ντ (बाद वाले को तदनुसार नाम दिया गया है: इलेक्ट्रॉन न्यूट्रिनो, म्यूऑन न्यूट्रिनो और ताऊ न्यूट्रिनो)। निस्संदेह, प्रत्येक आवेशित लेप्टान का अपना प्रतिकण होता है: e+, μ+, τ +। जहां तक ​​तीन न्यूट्रिनो का सवाल है, आमतौर पर यह माना जाता है कि उनमें से प्रत्येक का अपना एंटीपार्टिकल भी होता है: νe, νμ, ντ। लेकिन अभी इस बात से इंकार नहीं किया जा सकता है कि νe, νμ और ντ वास्तव में तटस्थ कण हैं और उनमें से प्रत्येक एक फोटॉन की तरह अकेला है। आइए अब प्रत्येक लेप्टान के बारे में अलग से बात करें। हम पुस्तक के पिछले पन्नों पर पहले ही इलेक्ट्रॉनों के बारे में विस्तार से चर्चा कर चुके हैं। म्यूऑन की खोज कॉस्मिक किरणों में की गई थी। म्यूऑन की खोज की प्रक्रिया (इसके पहले अवलोकन से इस तथ्य की प्राप्ति तक कि यह कण एक आवेशित पियोन का क्षय उत्पाद है: π + → μ+ νμ, π − → μ− νμ) एक दशक तक चली - से 30 के दशक के अंत से 40 के दशक के अंत तक। ध्यान दें कि म्यूऑन के अपने म्यूऑन न्यूट्रिनो की उपस्थिति बाद में भी स्थापित की गई थी - 60 के दशक की शुरुआत में। जहां तक ​​टाऊ लेप्टान की बात है, इसकी खोज 1975 में इलेक्ट्रॉन-पॉज़िट्रॉन कोलाइडर पर प्रतिक्रिया e+ e− → τ + τ− में की गई थी। म्यूऑन और τ-लेप्टान का द्रव्यमान क्रमशः 106 MeV और 1784 MeV है। इलेक्ट्रॉन के विपरीत, म्यूऑन और τ-लेप्टन अस्थिर हैं। लेप्टान और क्वार्क 53 की पीढ़ियाँ स्थिर हैं। एक म्यूऑन का जीवनकाल 2·10−6 सेकेंड है, एक τ-लेप्टान का जीवनकाल लगभग 5·10−13 सेकेंड है। म्यूऑन एक चैनल के माध्यम से क्षय होता है। इस प्रकार, μ− के क्षय उत्पाद e− νe νμ हैं, और μ+ के क्षय उत्पाद e+ νe νμ हैं। τ लेप्टान में कई क्षय चैनल हैं: τ − → e− νe ντ , τ − → μ− νμ ντ , τ − → ντ + मेसॉन, τ + → e+ νe ντ , τ + → μ+ νμ ντ , τ + → ντ + मेसंस. क्षय चैनलों की इस प्रचुरता को इस तथ्य से समझाया गया है कि, अपने बड़े द्रव्यमान के कारण, τ-लेप्टान कणों में क्षय हो सकता है जिसमें म्यूऑन का क्षय ऊर्जा के संरक्षण के कानून द्वारा निषिद्ध है। न्यूट्रिनो के बारे में हमारा ज्ञान बहुत अधूरा है। हम ντ के बारे में सबसे कम जानते हैं। विशेष रूप से, हम द्रव्यमान ντ के बारे में यह भी नहीं जानते हैं कि यह शून्य है या काफी बड़ा है। ऊपरी प्रायोगिक सीमा 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. सातवीं. 1929-23.XI.2015)- सोवियत और रूसी सैद्धांतिक भौतिक विज्ञानी, ए.सी. आरएएस (1990, संबंधित सदस्य 1966)। सुखिनीची, कलुगा क्षेत्र में आर. मॉस्को इंजीनियरिंग फिजिक्स इंस्टीट्यूट (1953) से स्नातक किया। 1954 से वह सैद्धांतिक और प्रायोगिक भौतिकी संस्थान (सैद्धांतिक प्रयोगशाला के प्रमुख) में काम कर रहे हैं। 1967 से प्रो. एमईपीएचआई.

प्राथमिक कणों के सिद्धांत के क्षेत्र में कार्य करता है। I.Ya के साथ मिलकर . पोमेरांचुककिसी दिए गए समस्थानिक गुणक (ओकुन-पोमेरेनचुक प्रमेय) में शामिल कणों की उच्च ऊर्जा पर क्रॉस सेक्शन की समानता की भविष्यवाणी की गई (1956)। "हैड्रोन" शब्द गढ़ा गया (1962)। कमजोर हैड्रोनिक धाराओं के समस्थानिक गुणों की भविष्यवाणी की (1957), हैड्रोन का एक समग्र मॉडल प्रस्तावित किया, और नौ स्यूडोस्केलर मेसॉन के अस्तित्व की भविष्यवाणी की।
साथ में बी.एल. इओफ़े और ए.पी. रुडिकॉम ने (1957) उल्लंघन का परिणाम माना आर-, एस-और सीपी अपरिवर्तनीयता।
उसी वर्ष, बी.एम. के साथ मिलकर। पोंटेकोरवो ने K l - और K s -mesons के द्रव्यमान के बीच अंतर का अनुमान लगाया।
चार्म क्वार्क वाले कणों के लिए क्वांटम क्रोमोडायनामिक योग नियमों का निर्माण (1976) किया गया (ए.आई. वेन्स्टीन, एम.बी. वोलोशिन, वी.आई. ज़खारोव, वी.ए. नोविकोव और एम.ए. शिफमैन के साथ)।

सत्तर के दशक की शुरुआत में, चार-फर्मियन सिद्धांत के ढांचे के भीतर, वी.एन. के साथ संयुक्त कार्य में। ग्रिबोव, ए.डी. डोलगोव और वी.आई. ज़खारोव ने स्पर्शोन्मुख रूप से उच्च ऊर्जाओं पर कमजोर अंतःक्रियाओं के व्यवहार का अध्ययन किया और इलेक्ट्रोवीक अंतःक्रियाओं का एक नया गेज सिद्धांत बनाया (1981 में प्रकाशित और 1990 में पुनः प्रकाशित पुस्तक "लेप्टन्स एंड क्वार्क्स" में वर्णित) ).

90 के दशक में, कार्यों की एक श्रृंखला ने ज़ेड-बोसोन क्षय की संभावनाओं के लिए इलेक्ट्रोवीक विकिरण सुधारों को ध्यान में रखने के लिए एक सरल योजना प्रस्तावित की। इस योजना के ढांचे के भीतर, एलईपीआई और एसएलसी त्वरक (सह-लेखक एम.आई. वायसोस्की, वी.ए. नोविकोव, ए.एन. रोज़ानोव) पर सटीक माप के परिणामों का विश्लेषण किया गया।
1965 में एसबी के साथ काम किया। पिकेलनर और वाई.बी. ज़ेल्डोविच ने हमारे ब्रह्मांड में अवशेष प्राथमिक कणों (विशेष रूप से, मुक्त आंशिक रूप से चार्ज किए गए क्वार्क) की संभावित एकाग्रता का विश्लेषण किया। I.Yu के साथ काम में सीपी समता उल्लंघन की खोज के संबंध में। कोबज़ारेव और आई.वाई.ए. पोमेरेनचुक ने हमारे साथ केवल गुरुत्वाकर्षण से जुड़े "दर्पण संसार" की चर्चा की।

1974 में आई.यू. के साथ काम में। कोबज़ारेव और हां.बी. ज़ेल्डोविच ने ब्रह्मांड में वैक्यूम डोमेन के विकास का अध्ययन किया; I.Yu के साथ उसी वर्ष के कार्य में। कोबज़ारेव और एम.बी. वोलोशिन ने मेटास्टेबल वैक्यूम के क्षय (मेटास्टेबल वैक्यूम का सिद्धांत) के लिए एक तंत्र पाया।

माटेउची मेडल (1988)। ली पेज अवार्ड (यूएसए, 1989)। कारपिंस्की पुरस्कार (जर्मनी, 1990)। हम्बोल्ट पुरस्कार (जर्मनी, 1993)। संयुक्त परमाणु अनुसंधान संस्थान से ब्रूनो पोंटेकोर्वो पुरस्कार (1996)। एल. डी. लैंडौ आरएएस (2002) के नाम पर स्वर्ण पदक। I.Ya. सैद्धांतिक और प्रायोगिक भौतिकी संस्थान (2008) से पोमेरानचुक पुरस्कार।

निबंध:

1. ओकुन एल. बी. αβγ ... Z (प्राथमिक कणों के भौतिकी का प्रारंभिक परिचय)। - एम.: विज्ञान. भौतिक और गणितीय साहित्य का मुख्य संपादकीय कार्यालय, 1985.- (लाइब्रेरी "क्वांटम"। अंक 45.)।
2. सापेक्षता का सिद्धांत और पाइथागोरस प्रमेय। क्वांटम, संख्या 5, 2008, पृ. 3-10