Academician lion perch tungkol sa misa. Lev Okun

Anibersaryo ng Academician Lev Borisovich Okun

ACADEMICIAN

Okun Lev Borisovich

Noong 1953 nagtapos siya sa Moscow Engineering Physics Institute. Lahat ng mga gawaing pang-agham ng L.B. Ang Okunya ay inextricably na nauugnay sa Institute of Theoretical and Experimental Physics, kung saan siya ay dumating noong 1954 bilang isang nagtapos na estudyante, pinamunuan ang teoretikal na laboratoryo sa loob ng higit sa 30 taon, at kung saan siya ay patuloy na nagtatrabaho bilang isang punong mananaliksik hanggang sa araw na ito.

Kaugnay na miyembro mula noong 1966, akademiko mula noong 1990 - Departamento ng Physical Sciences.

Si L. B. Okun ay isang sikat na siyentipiko sa mundo. Dalubhasa sa teorya ng elementarya na mga particle.

Sinasaklaw ng mga pang-agham na interes ni Lev Borisovich ang halos buong pisika ng elementarya na mga particle.

Ang mahihinang pakikipag-ugnayan ay naging paksa ng pananaliksik para kay Lev Borisovich sa simula pa lamang ng kanyang karerang pang-agham. Nasa unang bahagi na ng trabaho noong 1957 (na isinagawa kasama sina B.L. Ioffe at A.P. Rudik), ang pangunahing konklusyon ay naabot na ang P-parity violation sa $\beta$-decays ay nangangahulugan din ng C-parity violation. Sa parehong taon, kasama ang B.M. Tinantya ng Pontecorvo ang pagkakaiba sa pagitan ng masa ng $K_L$- at $K_S$-mesons.

Noong unang bahagi ng dekada sitenta, sa loob ng balangkas ng teoryang apat na fermion, sa kanyang magkasanib na gawain kasama si V.N. Gribov, A.D. Dolgov at V.I. Pinag-aaralan ni Zakharov ang pag-uugali ng mahinang pakikipag-ugnayan sa asymptotically mataas na enerhiya. Ang bagong gauge theory ng electroweak interactions ay inilarawan sa Leptons and Quarks, na inilathala noong 1981.

Noong dekada 90, ang isang serye ng mga gawa ay nagmungkahi ng isang bagong pamamaraan para sa pagsasaalang-alang ng mga loop radiative corrections sa mga electroweak na obserbasyon, lalo na sa mga probabilidad ng pagkabulok ng $Z$ boson, at sinuri ang mga resulta ng mga sukat ng katumpakan sa LEP I, LEP II , Tevatron at SLC accelerators (co-authors M.I. Vysotsky, V.A. Novikov, A.N.

Ang isa pang lugar ng interes ng L. B. Okun ay malakas na pakikipag-ugnayan. Ang ilan sa mga resulta na nakuha dito ay naging mga klasiko din. Sa isang 1956 na papel, ang sikat na Okun-Pomeranchuk theorem sa pagkakapantay-pantay ng mga cross section para sa pakikipag-ugnayan ng mga particle mula sa parehong isomultiplet sa asymptotically high energies ay napatunayan. Noong 1958, iminungkahi ang isang pinagsama-samang modelo ng mga hadron, kung saan ang pagkakaroon ng $\eta$- at $\eta^\prime$-mesons ay hinulaang (ang terminong "hadron" mismo ay ipinakilala sa pisika ni L.B. Okun). Sa pagtatapos ng dekada pitumpu, iminungkahi ang mga patakaran para sa mga kabuuan ng QCD para sa charmonium (kasama ang A.I. Vainshtein, M.B. Voloshin, V.I. Zakharov, V.A. Novikov at M.A. Shifman) at ang sikat na pagsusuri na "Charmonium" ay isinulat at quark" (1977).

L.B. Si Okun ang nagtatag ng isang malakas na paaralang pang-agham. Sinanay niya ang 20 kandidato at doktor ng agham.

Isa siya sa mga organizer ng International Science Foundation (Soros Foundation) at ng International Association for Support and Cooperation with CIS Scientists (INTAS).

Noong 1981 -1986. L.B. Si Okun ay miyembro ng komite ng patakarang siyentipiko ng CERN, at mula noong 1992 naging miyembro siya ng konsehong siyentipiko ng DESI.

L.B. Si Okun ay ginawaran ng Mateuci Prize ng Italian Academy XL (1988), ang Lee Page Prize (USA, 1989), ang Karpinsky Prize (Germany, 1990),

Humboldt Prize (Germany, 1993), Bruno Pontecorvo Prize (Dubna, 1996), Landau Gold Medal (2004), Pomeranchuk Prize (2008).

Mga subsection

Nakapasok ako sa ITEP theoretical group nang huli kaysa sa ibang mga kapwa mag-aaral, sa aking ika-apat na taon. Ito ay noong 1970. Dumating ako upang kumuha ng pagsusulit para kay Vladimir Borisovich Berestetsky, at sinuri ako nina Lev Borosovich Okun at Mikhail Samuilovich Marinov kasama niya. Ganito ko unang nakita si Lev Borosovich. Pagkatapos ng pagsusulit, itinabi ako ni LB at sinabing pumunta ako sa mga seminar sa Biyernes: “Wala ka munang mauunawaan,” sabi ni Okun, “pero unti-unting masanay sa mga salita at terminolohiyang may tumatak sa iyong ulo, ang pag-unawa ay hindi darating kaagad, ngunit tiyak na darating siya.”

Mula sa seminar na ito, na palaging may LB sa sentro nito, nagsimula ang aking paglalakbay sa high-energy physics. Ang isang kapansin-pansing tampok ng LB na ikinaiba niya sa marami ay ang kanyang paggalang sa anumang bagong paksa na lumitaw sa abot-tanaw. Ang mga bagong gawa ay tinalakay sa seminar ng Okunev nang seryoso at malalim, kung minsan hanggang sa punto ng kumpletong pagkahapo ng madla.

Kahit na para sa mga kumplikadong teorya, nagustuhan ni Okun na bumuo ng mga simpleng pisikal na larawan. Napakahalaga ng araling ito para sa mga nagsisimulang pisiko: nang walang husay na pag-unawa sa kababalaghan, hindi maaaring lumitaw ang isang sapat na teoryang pisikal. Ngayon ay tinuturuan ko ang aking mga mag-aaral ng parehong bagay. Naaalala ko na ito ay kung paano nilikha ang teorya ng "pagkabulok ng isang maling vacuum", kung saan nagtrabaho si LB kasama sina Mikhail Voloshin at Igor Kobzarev. Ngayon ang teoryang ito ay ipinakita sa mga aklat-aralin sa pisika ng mataas na enerhiya.

Ako ay gumugol ng kabuuang labinsiyam na taon sa theoretical department ng ITEP. Sa pagkakaintindi ko ngayon, isa ito sa pinakamahusay na theoretical department sa mundo. Ang makina ng theoretical department, ang puso nito, ay walang alinlangan na Okun. Siya ay walang katapusang iginagalang hindi lamang ng kanyang mga kasamahan sa theoretical department, kundi pati na rin ng ITEP directorate. Ang kanyang mga rekomendasyon ay pinakinggan. Sila ay lalong mahalaga para sa mga nagsisimulang teorista. Kadalasan, kung walang interbensyon ni Okun, sila (mga baguhang teorista) ay nalunod sa mga pang-araw-araw na paghihirap noon. Dito ko marahil babanggitin lamang ang sikat na mundong teorista na si Evgeniy Bogomolny. Siya ay orihinal na taga-Odessa. Ang "pagpaparehistro" na pamamaraan na umiiral sa oras na iyon ay hindi nag-iwan sa kanya ng anumang pagkakataon na makakuha ng trabaho. Tinulungan siya ni Lev Borisovich... at ngayon ginagamit ng mga world theorists ang BPS, Bogomolny-Prasad-Sommerfield construction nang hindi mabilang na beses, sa parehong field theory at string theory. Ang gawaing ito ni Zhenya ay isa sa mga pinaka binanggit na gawa ng Sobyet.

Gustung-gusto ni Okun ang physics nang walang hanggan at naniniwala na wala nang mas mahalaga, na ang paggawa nito ay pangunahin, at lahat ng iba ay pangalawa. Minsan, sa madilim na panahon ng pagwawalang-kilos ng Brezhnev, nang ako ay nagkakaroon ng ilang mga problema, tinawag ako ni Okun sa kanyang opisina at sinabing: "Alam kong labis kang nagagalit ngayon, subukang huwag pansinin, tumuon sa iyong ginagawa. ” magaling - sa physics. Ang lahat ng masasamang bagay ay mawawala at malilimutan, ngunit itong mga klase natin, ang ating mga talakayan at teorya, ang ating mga seminar at argumento hanggang tayo ay mamamaos - lahat ng ito ay mananatili magpakailanman...”

Si Lev Borisovich ang aking superbisor noong ako ay nagtatrabaho sa aking diploma sa aking ikaanim na taon. Hindi niya ako dinala sa graduate school. Sa pagkakaintindi ko ngayon, sa oras na iyon ay mukha akong masyadong depress at mahiyain. Kaya ang superbisor ng aking disertasyon ay si Boris Lazarevich Ioffe. Ngunit ang paksa ng kanyang disertasyon—mahina na pagkabulok na may mga pagbabago sa mga aroma—ay malapit kay Okun, at sa ilang pagkakataon ay naging co-authors kami. Para sa akin, isang batang walang balbas, tulad ng lahat ng iba pang empleyado, tinawag ako ni Okun sa aking pangalan at patronymic. Sinasabi nila na ang tradisyong ito ay sinimulan ni Pomeranchuk, na siyang siyentipikong superbisor ni Okun noong unang bahagi ng 1950s. Ngayon, siyempre, wala nang natitira dito, pati na rin ang Theoretical Department sa kabuuan.

Narito ang isinulat ng mga empleyado ng theory department noong isang araw kaugnay ng pagkamatay ni Okun:

"Namatay si Lev Borisovich...

Isang natatanging siyentipiko, walang kapantay, na ang kontribusyon sa Agham ay hindi matataya. Matagal na siyang dumating sa Institute. At agad na naging ubod niya, semento, naging Konsensya niya. Ang mga kapanahunan, mga pinuno, mga direktor ay nagbago, at ang Institute ay namuhay bilang isang solong organismo, pinagsama ng mga karaniwang layunin at isang natatanging kapaligirang pang-agham. Si Lev Borisovich ang aming Guro. Hindi lang Physics ang tinuruan niya, tinuruan niya kaming maging tapat sa lahat ng bagay at magkaroon ng Konsensya. Matalino at maselan, hindi siya nagtaas ng boses at nagsasalita nang napakatahimik. At natahimik ang lahat at nakinig. Dahil lagi niyang sinasabi ang pangunahing bagay. Ang pinaka kakanyahan. Sa kanyang presensya imposibleng magsinungaling, ni sa agham o sa mga relasyon ng tao. Siya ay isang ganap na awtoridad para sa aming lahat. At habang siya ay nabubuhay at maayos, ang aming Institute ay nabuhay at umunlad, sa kabila ng hindi maiiwasang mga problema at sakuna. Ibinigay niya ang kanyang buhay at ibinigay siya sa ating mga kamay. At pagkatapos ay nagkasakit siya ng malubha. At kasama niya, ang aming Institute ay nagkasakit ng walang pag-asa at nagsimulang mamatay. Ang mga bagong tao ay lumitaw. Ang instituto ay naging isang "platform", at ang pang-agham na kapaligiran ay pinalitan ng "kahusayan". Isang papet na "academic council" ang lumitaw, at ang mga hindi gustong siyentipiko ay nagsimulang tanggalin sa Institute. Ang mga dating kasamahan ay nagsimulang magtago ng gas mula sa isa't isa, at ang pariralang "well, ano ang maaari nating gawin?" Wala na ang konsensya, mga kompromiso na lang ang natitira.

Mas doble ang sakit ngayon. Umalis si Lev Borisovich. Ngunit hindi namin nailigtas ang Institute.

Patawarin mo kami, Lev Borisovich."

Umalis si Lev Borisovich Okun, natapos ang isang panahon...

NILALAMAN Paunang salita sa ikatlong edisyon. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Paunang salita sa ikalawang edisyon. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Paunang salita sa unang edisyon. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Cheat sheet: mga particle at pakikipag-ugnayan. . . . . . . . . . . . . . . . . . Mga pangunahing particle: electron, proton, neutron, photon. . . . . . . Mass, energy, momentum, angular momentum sa Newtonian mechanics Mass, energy at momentum sa Einsteinian mechanics. . . . . . . . . . Mga puwersa at larangan. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Quantum phenomena. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Atomic at nuclear reactions. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Mahina at malakas na pakikipag-ugnayan. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . High energy physics. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Mga Accelerator. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Mga antiparticle. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Hadron at quark. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Enchanted particles. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Quark pagkakulong. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Mga gluon. Kulay. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Mga Lepton. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Mga henerasyon ng lepton at quark. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Pagkabulok ng mga lepton at quark. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Mga virtual na particle. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Agos. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . C -, P -, T -simetrya. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Mga neutral na alon. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Hinulaang W- at Z-boson. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Pagtuklas ng W - at Z - boson. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Physics at collider pagkatapos ng Z. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . "Silent physics" at ang grand unification. . . . . . . . . . . . . . . . . . Superunion? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Cosmology at astrophysics. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Isang salita ng papuri para sa high energy physics. . . . . . . . . . . . . . . Makalipas ang 20 taon. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Bibliograpiya. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Index ng paksa. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 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 97 104 106 109 212 THIRD ay inilathala sa mga araw kung kailan ang Ang malaking paglulunsad ng Hadron ay nagaganap Collider sa CERN malapit sa Geneva. Ang kaganapang ito ay umaakit ng malawak na interes at tumatanggap ng masiglang saklaw ng media. Marahil ang aklat na ito ay makakatulong sa mambabasa na maunawaan kung bakit ginawa ang Large Hadron Collider at kung anong mga tanong ang dapat nitong sagutin. Ang ilang mga typo ay naitama sa edisyong ito. Lubos akong nagpapasalamat kay M. N. Andreeva, E. S. Artobolevskaya at E. A. Ilyina sa kanilang tulong sa paghahanda ng pangalawa at pangatlong edisyon para sa pag-print. Moscow. Nobyembre 2008 PAUNANG-PAGUNANG SA IKALAWANG EDISYON Ang pangunahing teksto ng aklat ay nangangailangan lamang ng mga susog na "kosmetik". Ang pinakamahalagang pag-unlad ng huling dalawampung taon sa pisika, astrophysics at kosmolohiya ay ibinubuod sa karagdagang seksyon na "20 taon mamaya". Lahat ng tila itinatag sa pisika 20 taon na ang nakakaraan ay nananatiling totoo ngayon. Sa isang banda, ito ay ipinaliwanag sa pamamagitan ng katotohanan na ang pundasyon ng ika-20 siglong pisika ay naitayo nang maayos. Sa kabilang banda, ang mga pagbawas sa pagpopondo sa katapusan ng siglo ay pinilit ang pagkamatay ng mga kritikal na proyekto ng accelerator at sa gayon ay napigilan ang pagsubok ng ilan sa mga pangunahing hypotheses na tinalakay sa aklat. Una sa lahat, ito ay nauugnay sa pagtuklas (o "pagsasara") ng mga Higgs boson. Ang pangunahing hindi nalutas na problemang ito ay naipasa sa isang bagong henerasyon ng mga physicist na maaaring makinabang mula sa aklat na ito. Kung ang sangkatauhan sa pangkalahatan, at ang mga pulitiko sa partikular, ay nagpapanatili ng isang butil ng sentido komun, kung gayon ang mga mapagpasyang eksperimento sa pisika ay magkakaroon ng kanilang sasabihin sa unang ikatlong bahagi ng bagong siglo. Moscow. Oktubre 2005 Bilang pag-alaala kay Isaac Yakovlevich Pomeranchuk PREFACE TO THE FIRST EDITION Ang aklat na ito ay nakatuon sa physics ng elementarya na mga particle, ang mga puwersang kumikilos sa pagitan nila. Una sa lahat, ilang salita tungkol sa pamagat ng libro. Ang modernong pananaliksik sa mga pangunahing pwersa sa pagitan ng mga particle ay nagsimula noong 1896 sa pagtuklas ng radyaktibidad at ang kasunod na pag-aaral ng α-, β- at γ-ray. Ang pagkumpleto ng isang mahabang panahon ng pananaliksik ay ang pinakahihintay ngunit kahindik-hindik na pagtuklas noong 1983. W - at Z - boson. Kaya naman ang pamagat ng aklat ay: αβγ. . . Z. Ngunit ang aklat na ito ay hindi tungkol sa kasaysayan ng pisika, ngunit tungkol sa kasalukuyang estado at mga prospect nito. Pagkatapos ng lahat, ang pagtuklas ng W at Z boson ay sa parehong oras ang simula ng isang bagong promising yugto. Ang pisika ay hindi isang alpabeto, at ang pag-unlad nito ay hindi nagtatapos sa Z. Sa isang kahulugan, ang pangalan ay αβγ. . . Ipinapahiwatig ng Z na ang aklat ay, wika nga, isang panimulang aklat, isang panimula sa mga pangunahing kaalaman ng modernong pangunahing pisika. Ang aklat ay batay sa mga sikat na lektura sa agham na kailangan kong basahin paminsan-minsan sa mga taong malayo sa pisika ng elementarya, at kung minsan ay malayo sa pisika sa pangkalahatan. Ang huling mga lektyur na ito ay naganap noong tag-araw ng 1983, kaagad pagkatapos ng pagtuklas ng Z boson. Sa pagninilay-nilay sa mga itinanong sa panahon ng lecture, binalangkas ko ang plano para sa aklat na ito. Sinubukan kong isulat ang libro sa paraang mauunawaan ito ng isang taong nagtapos o nagtatapos sa high school at aktibong interesado sa pisika. Ako ay umaasa sa katotohanan na ang aking hinaharap na mambabasa ay higit pa o hindi gaanong regular na tumitingin sa mga susunod na isyu ng Quantum magazine at nakabasa na ng kahit ilan sa mga libro sa serye ng Quantum Library. (Tandaan na ang pagguhit sa pabalat ng aklat na ito ay may kasamang simbolikong larawan ng α-, β- at γ-ray mula sa pabalat ng unang aklat na nagbukas ng seryeng ito, ang aklat ni M. P. Bronstein na “Atoms and Electrons.”) Ang pangunahing panganib na ang paghihintay sa akin sa bawat pahina ay isang hindi sinasadyang pagnanais na ipaalam sa mambabasa hindi lamang ang pinakamahalagang bagay, kundi pati na rin ang iba't ibang maliliit na detalye na nagbibigay ng gayong kasiyahan sa mga espesyalista at sa gayon ay nakakagambala sa mga nagsisimula. Natatakot ako na sa ilang mga kaso ay hindi ko na "na-weed" ang teksto nang sapat, at sa iba ay nasobrahan ko ito. Ako mismo ay interesado sa pagpili ng pinakamahalagang impormasyon, walang awa na itinatapon ang lahat ng hindi gaanong mahalaga. Noong una gusto kong limitahan ang sarili ko sa pinakamababang termino at konsepto. Ngunit habang isinulat ko ang libro, naging malinaw na nang walang ilang mga termino, na sa simula ay inaasahan kong gawin nang wala, imposibleng ipaliwanag ang kakanyahan ng ilang mga phenomena; kaya ang libro ay nagiging mas kumplikado sa pagtatapos. Pagkatapos ng lahat, ang isa sa mga pangunahing paghihirap kapag nakikilala ang isang bagong larangan ng agham ay ang kasaganaan ng mga bagong termino. Upang matulungan ang mambabasa, pagkatapos ng paunang salita mayroong isang "cheat sheet" - isang buod ng mga pangunahing konsepto ng elementarya na pisika ng particle. Ang pisika ng butil ay madalas na tinatawag na pisika ng mataas na enerhiya. Ang mga proseso na pinag-aaralan ng high-energy physics ay napaka hindi pangkaraniwan sa unang tingin; Kasabay nito, kung iisipin mo ito, lumalabas na sa isang bilang ng mga aspeto ang mga prosesong ito ay naiiba sa tulad ng isang ordinaryong kababalaghan tulad ng, sabihin, nasusunog na kahoy, hindi qualitatively, ngunit lamang quantitatively - sa dami ng enerhiya release. Samakatuwid, sinisimulan ko ang aklat sa mga pangunahing kaalaman at, sa partikular, sa isang maikling talakayan ng mga tila kilalang konsepto tulad ng masa, enerhiya at momentum. Ang wastong paghawak sa mga ito ay makakatulong sa mambabasa na maunawaan ang mga susunod na pahina ng aklat. Ang pangunahing konsepto ng lahat ng pangunahing pisika ay ang konsepto ng larangan. Sinimulan ko ang aking talakayan sa mga kilalang halimbawa ng paaralan at unti-unting ipinakilala sa mambabasa ang yaman ng mga kamangha-manghang katangian na mayroon ang mga quantized field. Sinubukan kong ipaliwanag sa mas simpleng mga termino kung ano ang maaaring ipaliwanag nang higit pa o mas simple. Ngunit dapat kong bigyang-diin na hindi lahat ng bagay sa modernong pisika ay maaaring ipaliwanag nang simple at upang maunawaan ang isang bilang ng mga isyu, ang karagdagang malalim na gawain ng mambabasa ay kinakailangan sa iba pang mas kumplikadong mga libro. Ang paunang teksto ng aklat ay nakumpleto noong Oktubre 1983. Binasa ito ni L. G. Aslamazov, Ya. B. Zeldovich, V. I. Kisin, A. V. Kogan, V. I. Kogan, A. B. Migdal, B. L. Okun at Y. A. Smorodinsky. Gumawa sila ng napakakapaki-pakinabang na mga komento na nagbigay-daan sa akin na pasimplehin ang orihinal na teksto, tinanggal ang ilang medyo mahirap na mga sipi, at ipaliwanag nang mas detalyado ang ilang iba pa. Ako ay lubos na nagpapasalamat sa kanila para dito. Nagpapasalamat ako kina E. G. Gulyaeva at I. A. Terekhova sa kanilang tulong sa paghahanda ng manuskrito. Nagpapasalamat ako kay Carlo Rubbia para sa pahintulot na magparami sa mga guhit ng libro ng pag-install kung saan natuklasan ang mga intermediate boson. Sa espesyal na init at pasasalamat, nais kong sabihin dito ang tungkol sa aking guro - ang Academician na si Isaac Yakovlevich Pomeranchuk, na nagpakilala sa akin sa mundo ng mga elementarya at nagturo sa akin ng aking propesyon. I. Ya. Ang kanyang trabaho ay gumaganap ng isang pangunahing papel sa isang bilang ng mga lugar ng pisika: sa teorya ng dielectrics at metal, sa teorya ng quantum liquids, sa teorya ng accelerators, sa teorya ng nuclear reactors, sa teorya ng elementary particles. Ang kanyang imahe ay imahe ng isang taong panatiko at walang pag-iimbot na nakatuon sa agham, isang tao na walang pagod na nagtrabaho, na may matinding interes sa lahat ng bago, walang awa na kritikal at kritikal sa sarili, na buong pusong nagalak sa tagumpay ng iba - ang imaheng ito ay buhay sa ang alaala ng lahat ng nakakakilala sa kanya. Iniaalay ko ang aklat na ito sa pinagpalang alaala ni Isaac Yakovlevich Pomeranchuk. Moscow. Setyembre 1984 CHEET SHEET: PARTICLES AND INTERACTIONS Ang mga atom ay binubuo ng mga electron e, na bumubuo ng mga shell, at nuclei. Ang nuclei ay binubuo ng mga proton p at neutron n. Ang mga proton at neutron ay binubuo ng dalawang uri ng quark, u at d: p = uud, n = ddu. Ang isang libreng neutron ay sumasailalim sa beta decay: n → pe νe, kung saan ang νe ay isang electron antineutrino. Ang pagkabulok ng neutron ay batay sa pagkabulok ng d-quark: d → ue νe. Ang pagkahumaling ng isang electron sa isang nucleus ay isang halimbawa ng electromagnetic interaction. Ang mutual attraction ng quark ay isang halimbawa ng malakas na interaksyon. Ang beta decay ay isang halimbawa ng mahinang pakikipag-ugnayan. Bilang karagdagan sa tatlong pangunahing pakikipag-ugnayan na ito, ang ika-apat na pangunahing pakikipag-ugnayan ay gumaganap ng isang mahalagang papel sa kalikasan - pakikipag-ugnayan ng gravitational, na umaakit sa lahat ng mga particle sa isa't isa. Ang mga pangunahing pakikipag-ugnayan ay inilalarawan ng kaukulang mga field ng puwersa. Ang mga pagganyak ng mga patlang na ito ay mga particle na tinatawag na pangunahing boson. Ang electromagnetic field ay tumutugma sa photon γ, ang malakas na field ay tumutugma sa walong gluon, ang mahina na field ay tumutugma sa tatlong intermediate boson W +, W −, Z 0, at ang gravitational field ay tumutugma sa graviton. Karamihan sa mga particle ay may mga katapat - mga antiparticle na may parehong masa, ngunit ang mga singil ng kabaligtaran na tanda (halimbawa, electric, mahina). Ang mga particle na tumutugma sa kanilang mga antiparticle, ibig sabihin, na walang anumang mga singil, tulad ng isang photon, ay tinatawag na tunay na neutral. Kasama ng e at νe, dalawa pang pares ng mga particle na katulad nila ang kilala: μ, νμ at τ, ντ. Ang lahat ng mga ito ay tinatawag na lepton. Kasama ng u- at d-quark, dalawa pang pares ng mas malalaking quark ang kilala: c, s at t, b. Ang mga lepton at quark ay tinatawag na mga pangunahing fermion. Ang mga particle na binubuo ng tatlong quark ay tinatawag na baryons, at ang mga particle na binubuo ng isang quark at isang antiquark ay tinatawag na mesons. Ang mga baryon at meson ay bumubuo ng isang pamilya ng malakas na pakikipag-ugnayan ng mga particle - mga hadron. MGA PANGUNAHING PARTICLE: ELECTRON, PROTON, NEUTRON, PHOTON Pinag-aaralan ng particle physics ang pinakamaliit na particle kung saan nabuo ang mundo sa paligid natin at ang ating sarili. Ang layunin ng pag-aaral na ito ay upang matukoy ang panloob na istraktura ng mga particle na ito, upang siyasatin ang mga proseso kung saan sila lumalahok, at upang maitatag ang mga batas na namamahala sa takbo ng mga prosesong ito. Ang pangunahing (ngunit hindi lamang!) pang-eksperimentong paraan ng pisika ng particle ay ang pagsasagawa ng mga eksperimento kung saan ang mga sinag ng mga particle na may mataas na enerhiya ay bumangga sa mga nakatigil na target o sa isa't isa. Kung mas mataas ang enerhiya ng banggaan, mas mayaman ang mga proseso ng pakikipag-ugnayan sa pagitan ng mga particle at mas marami tayong matututuhan tungkol sa mga ito. Iyon ang dahilan kung bakit ang pisika ng particle ngayon at pisika na may mataas na enerhiya ay halos magkasingkahulugan. Ngunit sisimulan natin ang ating kakilala sa mga particle hindi sa mga banggaan ng mataas na enerhiya, ngunit sa mga ordinaryong atomo. Kilalang-kilala na ang bagay ay binubuo ng mga atomo at ang mga atomo ay may mga sukat na 10−8 cm Ang mga sukat ng mga atomo ay tinutukoy ng mga sukat ng kanilang mga shell, na binubuo ng mga electron. Gayunpaman, halos lahat ng masa ng isang atom ay puro sa nucleus nito. Ang nucleus ng pinakamagaan na hydrogen atom ay naglalaman ng isang proton, at ang shell ay naglalaman ng isang electron. (Ang isang gramo ng hydrogen ay naglalaman ng 6 × 1023 atoms. Samakatuwid, ang mass ng isang proton ay humigit-kumulang 1.7 × 10−24 g. Ang mass ng isang electron ay humigit-kumulang 2000 beses na mas mababa.) Ang nuclei ng mas mabibigat na mga atom ay naglalaman ng hindi lamang mga proton, ngunit pati na rin ang mga neutron. Ang isang electron ay sinasagisag ng letrang e, isang proton ng letrang p, at isang neutron ng letrang n. Sa anumang atom, ang bilang ng mga proton ay katumbas ng bilang ng mga electron. Ang isang proton ay may positibong singil sa kuryente, ang isang elektron ay may negatibong singil, at ang atom sa kabuuan ay neutral sa kuryente. Ang mga atomo na ang nuclei ay may parehong bilang ng mga proton, ngunit naiiba sa bilang ng mga neutron, ay tinatawag na isotopes ng isang ibinigay na 10 Basic na particle: electron, proton, neutron, photon ng isang kemikal na elemento. Halimbawa, kasama ang ordinaryong hydrogen, may mga mabibigat na isotopes ng hydrogen - deuterium at tritium, ang nuclei na naglalaman ng isa at dalawang neutron, ayon sa pagkakabanggit. Ang mga isotopes na ito ay itinalagang 1 H, 2 H, 3 H, ayon sa pagkakabanggit dito ang superscript ay nagpapahiwatig ng kabuuang bilang ng mga proton at neutron sa nucleus. (Tandaan na ang deuterium nucleus ay tinatawag na deuteron, at ang tritium nucleus ay tinatawag na triton. Tatawagin natin ang deuteron bilang D; minsan ay isinusulat ito bilang d.) Ang ordinaryong hydrogen 1 H ang pinaka-masaganang elemento sa Uniberso. Ang pangalawang lugar ay inookupahan ng helium isotope 4 He, ang shell ng elektron na naglalaman ng dalawang electron, at ang core ay naglalaman ng dalawang proton at dalawang neutron. Mula nang matuklasan ang radioactivity, ang nucleus ng 4 He isotope ay nakatanggap ng isang espesyal na pangalan: α-particle. Ang isang hindi gaanong karaniwang helium isotope ay 3He, na mayroong dalawang proton at isang neutron lamang sa nucleus nito. Ang radii ng proton at neutron ay humigit-kumulang pantay sa isa't isa, ang mga ito ay humigit-kumulang 10−13 cm Ang mga masa ng mga particle na ito ay humigit-kumulang na katumbas ng bawat isa: ang neutron ay isang ikasampu lamang ng isang porsyento na mas mabigat kaysa sa proton. Ang mga neutron at proton ay medyo makapal na nakaimpake sa atomic nuclei, kaya ang volume ng nucleus ay humigit-kumulang katumbas ng kabuuan ng mga volume ng mga constituent nucleon nito. (Ang terminong "nucleon" ay pantay na nangangahulugang isang proton at isang neutron at ginagamit sa mga kaso kung saan ang mga pagkakaiba sa pagitan ng mga particle na ito ay hindi gaanong mahalaga. Ang salitang "nucleon" ay nagmula sa Latin na nucleus - nucleus.) Kung tungkol sa laki ng electron, hindi pa rin ito masusukat. Nalaman lamang na ang radius ng isang electron ay tiyak na mas mababa sa 10−16 cm Samakatuwid, ang mga electron ay karaniwang tinutukoy bilang mga particle ng punto. Minsan ang mga electron sa mga atomo ay inihahambing sa mga planeta ng solar system. Ang paghahambing na ito ay napaka hindi tumpak sa ilang aspeto. Una sa lahat, ang paggalaw ng isang electron ay qualitatively naiiba mula sa paggalaw ng isang planeta sa kahulugan na ang pagtukoy sa mga kadahilanan para sa isang electron ay hindi ang mga batas ng klasikal na mekanika, ngunit ang mga batas ng quantum mechanics, na tatalakayin natin sa ibaba. Sa ngayon, tandaan natin na bilang resulta ng quantum nature ng electron, "sa instantaneous photographing" ng isang atom, ang electron na may malaking probabilidad ay maaaring "makuha ng litrato" sa anumang naibigay na sandali sa anumang punto sa loob ng orbit nito at kahit na. sa labas nito, habang ang posisyon ng planeta sa orbit nito, ayon sa mga batas ng klasikal na mekanika, ay kinakalkula nang hindi malabo at may mahusay na katumpakan. Es- Mga pangunahing particle: electron, proton, neutron, photon 11 Kung ang planeta ay inihambing sa isang tram na tumatakbo sa mga riles, ang electron ay magmumukhang isang taxi. Angkop na tandaan dito ang isang bilang ng mga puro dami ng pagkakaiba na sumisira sa pagkakatulad sa pagitan ng mga atomic na electron at mga planeta. Halimbawa, ang ratio ng radius ng electron orbit ng isang atom sa radius ng electron ay mas malaki kaysa sa ratio ng radius ng orbit ng Earth sa sariling radius ng Earth. Ang isang electron sa isang hydrogen atom ay gumagalaw sa bilis ng pagkakasunud-sunod ng isang daan ng bilis ng liwanag ∗) at namamahala upang makumpleto ang tungkol sa 1016 rebolusyon sa isang segundo. Ito ay humigit-kumulang isang milyong beses na higit sa bilang ng mga rebolusyon na nagawa ng Earth sa paligid ng Araw sa buong pag-iral nito. Ang mga electron sa mga panloob na shell ng mabibigat na atomo ay gumagalaw nang mas mabilis: ang kanilang mga bilis ay umaabot sa dalawang-katlo ng bilis ng liwanag. Ang bilis ng liwanag sa vacuum ay karaniwang tinutukoy ng letrang c. Ang pangunahing pisikal na pare-parehong ito ay nasusukat na may napakataas na katumpakan: c = 2.997 924 58(1.2) 108 m/s ∗∗). Tinatayang: c ≈ 300,000 km/s. Ang pagkakaroon ng usapan tungkol sa bilis ng liwanag, natural na pag-usapan ang tungkol sa mga particle ng liwanag - mga photon. Ang photon ay hindi kaparehong bahagi ng mga atom gaya ng mga electron at nucleon. Samakatuwid, ang mga photon ay karaniwang binabanggit hindi bilang mga particle ng bagay, ngunit bilang mga particle ng radiation. Ngunit ang papel ng mga photon sa mekanismo ng Uniberso ay hindi gaanong mahalaga kaysa sa papel ng mga electron at nucleon. Depende sa enerhiya ng photon, lumilitaw ito sa iba't ibang anyo: mga radio wave, infrared radiation, visible light, ultraviolet radiation, x-ray, at, sa wakas, high-energy γ-quanta. Kung mas mataas ang enerhiya ng quanta, mas tumatagos, o, gaya ng sinasabi nila, "mahirap" ang mga ito, na dumadaan sa mga medyo makapal ∗) Mas tiyak, ang ratio ng bilis ng isang electron sa isang hydrogen atom sa ang bilis ng liwanag ay humigit-kumulang 1/137. Tandaan ang numerong ito. Makikilala mo siya nang higit sa isang beses sa mga pahina ng aklat na ito. ∗∗) Dito at sa mga katulad na kaso, ang numero sa mga bracket ay nagpapahiwatig ng eksperimental na kamalian sa mga huling makabuluhang digit ng pangunahing numero. Noong 1983, pinagtibay ng General Conference of Weights and Measures ang isang bagong kahulugan ng metro: ang distansya na nilakbay ng liwanag sa isang vacuum sa 1/299,792,458 s. Kaya, ang bilis ng liwanag ay tinukoy bilang 299792458 m/s. 12 Mass, enerhiya, momentum, angular momentum sa Newtonian mechanics metal screens. Sa particle physics, ang mga photon ay itinalaga ng titik γ, anuman ang kanilang enerhiya. Ang pangunahing pagkakaiba sa pagitan ng mga light photon at lahat ng iba pang mga particle ay ang mga ito ay napakadaling nilikha at madaling nawasak. Ito ay sapat na upang hampasin ang isang posporo upang manganak ng bilyun-bilyong mga photon, maglagay ng isang piraso ng itim na papel sa landas ng nakikitang liwanag - at ang mga photon ay masisipsip dito. Ang kahusayan kung saan ang isang partikular na screen ay sumisipsip, nag-transform at muling naglalabas ng insidente ng photon dito, siyempre, ay depende sa mga partikular na katangian ng screen at sa enerhiya ng mga photon. Ang pagprotekta sa iyong sarili mula sa X-ray at hard γ-quanta ay hindi kasingdali ng pagprotekta sa iyong sarili mula sa nakikitang liwanag. Sa napakataas na enerhiya, ang pagkakaiba sa pagitan ng mga photon at iba pang mga particle ay malamang na hindi hihigit sa pagkakaiba sa pagitan ng mga particle na ito. Sa anumang kaso, hindi ito madaling gumawa at sumipsip ng mga photon na may mataas na enerhiya. Ngunit mas kaunting enerhiya ang taglay ng photon, mas "mas malambot" ito, mas madali itong manganak at sirain ito. Ang isa sa mga kahanga-hangang katangian ng mga photon, na higit na tumutukoy sa kanilang mga kamangha-manghang katangian, ay ang kanilang masa ay zero. Para sa isang napakalaking butil ito ay kilala: mas mababa ang enerhiya nito, mas mabagal ang paggalaw nito. Ang isang napakalaking butil ay maaaring hindi gumagalaw, ngunit maaaring nasa pahinga. Ang photon, gaano man kaliit ang enerhiya nito, kumikilos pa rin sa bilis c. MASA, ENERHIYA, MOMENTUM, ANGULAR MOMENTUM SA MGA MEKANIKA NG NEWTON Ilang beses na nating ginamit ang mga terminong “enerhiya” at “masa”. Dumating ang oras upang ipaliwanag ang kanilang kahulugan nang mas detalyado. Kasabay nito, pag-uusapan natin kung ano ang impulse at angular momentum. Ang lahat ng pisikal na dami na ito—mass, enerhiya, momentum, at angular momentum (kung hindi man kilala bilang angular momentum)—ay gumaganap ng isang pangunahing papel sa pisika. Ang pangunahing papel ng mga pisikal na dami na ito ay dahil sa ang katunayan na para sa isang nakahiwalay na sistema ng mga particle, gaano man kakomplikado ang kanilang pakikipag-ugnayan sa isa't isa, ang kabuuang enerhiya at momentum ng system, ang kabuuang angular na momentum at ang masa nito ay mga natipid na dami, ibig sabihin, hindi sila nagbabago sa paglipas ng panahon. Mass, energy, momentum, angular momentum sa Newtonian mechanics 13 Simulan natin ang ating talakayan sa Newtonian mechanics, na kilalang-kilala mo mula sa mga aklat-aralin sa paaralan. Isaalang-alang ang isang katawan ng mass m na gumagalaw nang may bilis v ∗). Ayon sa Newtonian mechanics, ang naturang katawan ay may momentum p = mv at kinetic energy T = mv2 p2 = . 2 2m Dito v2 = vx2 + vy2 + vz2, kung saan ang vx, vy, vz ay ang mga projection ng vector v, ayon sa pagkakabanggit, sa coordinate axes x, y, z (Fig. 1). Maaari nating i-orient ang coordinate system sa espasyo sa anumang paraan; ang halaga ng v2 ay hindi magbabago. Kasabay nito, ang parehong mga direksyon at halaga ng mga vectors v at p ay nakasalalay sa halaga at direksyon ng bilis ng paggalaw ng sistema ng coordinate kung saan inilalarawan mo ang paggalaw ng katawan, o, tulad ng sinasabi nila, sa ang sistema ng sanggunian. Halimbawa, sa reference frame na nauugnay sa Earth, ang iyong bahay ay tahimik. Sa reference frame na nauugnay sa Araw, kumikilos ito sa bilis na 30 km/s. Kapag inilalarawan ang rotational motion ng mga katawan, isang mahalagang papel ang ginagampanan ng isang dami na tinatawag na angular momentum o angular momentum. 1. Mga projection ng velocity vector v sa coordinate axes. Isaalang-alang natin bilang isang halimbawa ang pinakasimpleng kaso ng paggalaw ng isang particle - isang materyal na punto - sa isang pabilog na orbit ng radius r = |r| na may pare-parehong bilis v = |v|, kung saan ang r at v ay ang mga ganap na halaga ng mga vector r at v, ayon sa pagkakabanggit. Sa kasong ito, ang angular momentum ng orbital motion L, ayon sa kahulugan, ay katumbas ng vector product ng radius vector r at ang momentum ng particle p: L = r × p. At kahit na sa paglipas ng panahon ang mga direksyon ng parehong vector r at vector p ay nagbabago, ang vector L ay nananatiling hindi nagbabago. Ito ay madaling makita kung titingnan mo ang Fig. 2. Sa pamamagitan ng kahulugan, ang vector product a × b ng dalawang vectors a at b ay katumbas ng vector c, ang absolute value kung saan |c| = |a||b| sin θ, kung saan ∗) Dito at sa mga sumusunod, gagamit tayo ng mga bold na titik upang tukuyin ang mga vector, ibig sabihin, mga dami na nailalarawan hindi lamang sa kanilang numerical na halaga, kundi pati na rin sa kanilang direksyon sa espasyo. 14 Mass, energy, momentum, angular momentum sa Newtonian mechanics θ - ang anggulo sa pagitan ng mga vectors a at b; ang vector c ay nakadirekta patayo sa eroplano kung saan ang mga vectors a at b ay nakahiga, upang ang a, b at c ay bumubuo ng tinatawag na right triple (alinsunod sa kilalang tuntunin ng gimlet (Larawan 3)). Sa mga bahagi, ang produkto ng vector ay isinusulat bilang cx = ay bz − az by, cy = az bx − ax bz, cz = ax by − ay bx. kanin. 2. Orbital momentum L kapag ang isang particle na may momentum p ay gumagalaw sa isang pabilog na orbit na may radius r Dahil pinag-uusapan natin ang produkto ng vector, banggitin din natin dito ang scalar product ng dalawang vectors a at b, na tinutukoy na ab o a · b. Sa pamamagitan ng kahulugan, ab = ax bx + ay ni + az bz. Madaling suriin (tingnan ang fig. 3) na ab = |a| |b| cos θ at ang produktong scalar ay hindi nagbabago sa mga arbitraryong pag-ikot ng magkaparehong orthogonal (tinatawag na Cartesian) na mga palakol x, y, z. kanin. 3. Ang Vector c ay ang vector product ng mga vectors a at b Fig. 4. Tatlong unit vectors Tandaan na ang tatlong unit na magkaparehong orthogonal vectors ay tinatawag na vectors at kadalasang tinutukoy ang nx, ny, nz (Fig. 4). Mula sa kahulugan ng produktong scalar ay malinaw na ax = anx. Para sa kaso na ipinapakita sa Fig. 2, bilang madaling suriin, Lx = Ly = 0, Lz = |r| |p| = const. Ang mga planeta ng Solar System ay hindi gumagalaw sa pabilog, ngunit sa mga elliptical orbit, upang ang distansya mula sa planeta hanggang sa Araw ay nagbabago nang pana-panahon sa paglipas ng panahon. Ang ganap na halaga ng bilis ay nagbabago rin sa pana-panahon sa paglipas ng panahon. Ngunit ang orbital momentum ng planeta ay nananatiling hindi nagbabago. (Bilang isang ehersisyo, kunin mula rito ang pangalawang batas ni Kepler, ayon sa kung saan ang radius vector ng isang planeta ay "nagwawalis" ng pantay na mga lugar sa pantay na panahon). Kasama ang orbital angular momentum, na nagpapakilala sa paggalaw sa paligid ng Araw, ang Earth, tulad ng ibang mga planeta, ay mayroon ding sariling angular momentum, na nagpapakilala sa pang-araw-araw na pag-ikot nito. Ang pag-iingat ng intrinsic angular momentum ay ang batayan para sa paggamit ng gyroscope. Ang intrinsic na angular momentum ng elementary particles ay tinatawag na spin (mula sa English spin - to rotate). MASS, ENERGY AT MOMENTUM SA MECHANICS NI EINSTEIN Ang mekaniks ni Newton ay perpektong naglalarawan sa paggalaw ng mga katawan kapag ang kanilang mga bilis ay mas mababa kaysa sa bilis ng liwanag: v c. Ngunit ang teoryang ito ay lubos na mali kapag ang bilis ng paggalaw ng katawan v ay nasa pagkakasunud-sunod ng bilis ng liwanag c, at higit pa kapag v = c. Kung nais mong mailarawan ang paggalaw ng mga katawan sa anumang bilis, hanggang sa bilis ng liwanag, dapat kang bumaling sa espesyal na teorya ng relativity, sa mekanika ni Einstein, o, kung tawagin din, relativistic mechanics. Ang nonrelativistic na mechanics ni Newton ay isang partikular lamang (bagaman halos napakahalaga) na naglilimita sa kaso ng relativistic mechanics ni Einstein. Ang mga terminong "relativity" at (na parehong bagay) "relativism" ay bumalik sa prinsipyo ng relativity ni Galileo. Sa isa sa kanyang mga libro, napakakulay na ipinaliwanag ni Galileo na walang mga mekanikal na eksperimento sa loob ng isang barko ang makapagtatag kung ito ay nakapahinga o pare-parehong gumagalaw na may kaugnayan sa baybayin. Siyempre, hindi ito mahirap gawin kung titingnan mo ang dalampasigan. Ngunit, sa pagiging nasa cabin at hindi tumitingin sa bintana, imposibleng makita ang uniporme at linear na paggalaw ng barko. Sa matematika, ang prinsipyo ng relativity ni Galileo ay ipinahayag sa katotohanan na ang mga equation ng paggalaw ng mga katawan - ang mga equation ng mekanika - ay mukhang pareho sa tinatawag na inertial coordinate system, i.e. iyon ay, sa mga sistema ng coordinate na nauugnay sa mga katawan na gumagalaw nang pantay-pantay at rectilinearly na may kaugnayan sa napakalayo na mga bituin. (Sa kaso ng barko ni Galileo, siyempre, hindi isinasaalang-alang ang araw-araw na pag-ikot ng Earth, o ang pag-ikot nito sa Araw, o ang pag-ikot ng Araw sa gitna ng ating Galaxy.) Ang pinakamahalagang merito ni Einstein ay iyon pinalawak niya ang prinsipyo ng relativity ni Galileo sa lahat ng pisikal na phenomena, kabilang ang mga elektrikal at optical, kung saan lumahok ang mga photon. Nangangailangan ito ng makabuluhang pagbabago sa mga pananaw sa mga pangunahing konsepto gaya ng espasyo, oras, masa, momentum, at enerhiya. Sa partikular, kasama ang konsepto ng kinetic energy T, ang konsepto ng kabuuang enerhiya E ay ipinakilala: E = E0 + T, kung saan ang E0 ay ang natitirang enerhiya na nauugnay sa mass m ng katawan sa pamamagitan ng sikat na formula E0 = mc2. Para sa isang photon na ang mass ay zero, ang natitirang enerhiya E0 ay zero din. Ang photon ay "nangangarap lamang ng kapayapaan": ito ay palaging gumagalaw sa bilis c. Ang ibang mga particle, tulad ng mga electron at nucleon, na may non-zero mass, ay may non-zero rest energy. Para sa mga libreng particle na may m = 0, ang mga relasyon sa pagitan ng enerhiya at bilis at momentum at bilis sa Einstein mechanics ay may anyo na mc2 Ev E= , p= 2 . 1 − v 2 /c2 c Kaya ang kaugnayan m2 c4 = E 2 − p2 c2 ay humahawak. Ang bawat isa sa dalawang termino sa kanang bahagi ng pagkakapantay-pantay na ito ay mas malaki sa mas mabilis na paggalaw ng katawan, ngunit ang kanilang pagkakaiba ay nananatiling hindi nagbabago, o, gaya ng karaniwang sinasabi ng mga pisiko, hindi nagbabago. Ang masa ng isang katawan ay isang relativistic invariant; Madaling suriin na ang Einsteinian, relativistic expression para sa momentum at enerhiya ay nagbabago sa katumbas na Newtonian, nonrelativistic expression kapag v/c 1. Sa katunayan, sa kasong ito, pagpapalawak sa kanang bahagi ng relasyon Mass, enerhiya at momentum sa Einsteinian mechanics E = mc2 1 − 17 sa isang serye na may paggalang sa maliit na parameter v 2 /c2 , hindi mahirap v 2 /c2 na makuha ang expression na 1 v2 3 v2 2 . E = mc2 1 + + + . . . 2 2 2 c 8 c Dito ang mga tuldok ay kumakatawan sa mga tuntunin ng mas mataas na pagkakasunud-sunod sa parameter na v 2 /c2 . Kapag x 1, ang function na f (x) ay maaaring palawakin sa isang serye na may paggalang sa maliit na parameter na x. Pag-iiba ng kaliwa at kanang bahagi ng kaugnayan f (x) = f (0) + xf (0) + x2 x3 f (0) + f (0) + . . . 2! 3! at kung isasaalang-alang ang bawat oras na ang resulta para sa x = 0, madaling i-verify ang bisa nito (para sa x 1 ang mga itinapon na termino ay maliit). Sa kaso na interesado tayo, f (x) = (1 − x)−1/2 , 1 (1 − x)−3/2 , 2 3 f (x) = (1 − x)−5/2 , 4 f ( x) = f (0) = 1, 1 2 3 f (0) = . 4 f (0) = , Tandaan na para sa Earth na gumagalaw sa orbit sa bilis na 30 km/s, ang parameter na v 2 /c2 ay 10−8. Para sa isang eroplano na lumilipad sa bilis na 1000 km/h, mas maliit ang parameter na ito, v 2 /c2 ≈ 10−12. Kaya para sa isang eroplano, na may katumpakan ng pagkakasunud-sunod ng 10−12, ang mga hindi relativistikong relasyon na T = mv 2/2, p = mv ay nasiyahan, at ang mga relativistikong pagwawasto ay maaaring ligtas na mapabayaan. Bumalik tayo sa pormula na nagkokonekta sa parisukat ng masa sa parisukat ng enerhiya at momentum, at isulat ito sa anyong E 2 m 2 c2 = − p2x − p2y − p2z. c Ang katotohanan na ang kaliwang bahagi ng pagkakapantay-pantay na ito ay hindi nagbabago kapag lumilipat mula sa isang inertial system patungo sa isa pa ay katulad ng katotohanan na ang parisukat ng momentum p2 = p2x + p2y + p2z, 18 Mass, enerhiya at momentum sa mekanika ni Einstein, pati na rin ang parisukat ng anumang three-dimensional na vector, ay hindi nagbabago kapag ang coordinate system ay pinaikot (tingnan ang Fig. 1 sa itaas) sa ordinaryong Euclidean space. Batay sa pagkakatulad na ito, sinasabi nila na ang halagang m2 c2 ay ang parisukat ng isang apat na dimensyon na vector - apat na dimensyon na momentum pμ (ang index μ ay tumatagal ng apat na halaga: μ = 0, 1, 2, 3): p0 = E/ c, p1 = px, p2 = py, p3 = pz. Ang espasyo kung saan tinukoy ang vector pμ = (p0, p) ay sinasabing pseudo-Euclidean. Ang prefix na "pseudo" ay nangangahulugan sa kasong ito na ang invariant ay hindi ang kabuuan ng mga parisukat ng lahat ng apat na bahagi, ngunit ang expression na p20 − p21 − p22 − p23. Ang mga pagbabagong nagkokonekta sa mga coordinate ng oras at espasyo ng dalawang magkaibang inertial system ay tinatawag na Lorentz transformations. Hindi namin ipapakita ang mga ito dito, mapapansin lamang namin na kung mayroong distansya sa pagitan ng dalawang kaganapan sa oras t at sa espasyo r, kung gayon ang halaga lamang na s, na tinatawag na pagitan: s = (ct)2 - r2, ay hindi nagbabago. sa ilalim ng Lorentz transformations, ibig sabihin, ay isang Lorentz invariant. Binibigyang-diin namin na ang t o r ay mga invariant sa kanilang mga sarili. Kung s > 0, ang pagitan ay tinatawag na timelike kung 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. Ang u, c at t quark ay may electric charge na +2/3, at ang d, s at b quark ay may charge na −1/3. Ang mga quark na may singil na +2/3 ay karaniwang tinatawag na mga quark, at ang mga may singil na −1/3 ay tinatawag na mga down quark. Ang mga pagtatalaga para sa mga quark ay nagmula sa mga salitang Ingles na pataas, pababa, kakaiba, kagandahan, ibaba, itaas. ∗) Para sa pagtuklas ng nangungunang quark, tingnan ang seksyong “20 taon mamaya.” Hadrons and Quarks 41 Ang modelong quark ay iminungkahi noong panahong ang mga tinatawag lamang na light hadron ang kilala, iyon ay, mga hadron na binubuo lamang ng mga light quark, u, d at s. Agad na inayos ng modelong ito ang buong sistematiko ng mga hadron na ito. Sa batayan nito, hindi lamang ang istraktura ng mga particle na kilala na sa oras na iyon ay naunawaan, kundi pati na rin ang isang bilang ng mga hadron na hindi alam sa oras na iyon ay hinulaang. Ang lahat ng mga hadron ay maaaring nahahati sa dalawang malalaking klase. Ang ilan, tinatawag na baryon, ay gawa sa tatlong quark. Ang mga baryon ay mga fermion, mayroon silang half-integer spin. Ang iba, tinatawag na mesons, ay binubuo ng isang quark at isang antiquark. Ang mga meson ay boson, mayroon silang isang buong pag-ikot. (Ang mga boson, fermion at baryon ay tinalakay na sa itaas.) Ang mga nucleon ay ang pinakamagagaan na baryon. Ang isang proton ay binubuo ng dalawang u-quark at isang d-quark (p = uud), ang isang neutron ay binubuo ng dalawang d-quark at isang u-quark (n = ddu). Ang isang neutron ay mas mabigat kaysa sa isang proton dahil ang isang d-quark ay mas mabigat kaysa sa isang u-quark. Ngunit sa pangkalahatan, gaya ng madaling makita, ang masa ng mga nucleon ay halos dalawang order ng magnitude na mas malaki kaysa sa kabuuan ng masa ng tatlong katumbas na quark. Ito ay ipinaliwanag sa pamamagitan ng katotohanan na ang mga nucleon ay hindi binubuo ng "hubad" na mga quark, ngunit ng mga quark na "nakabalot" sa isang uri ng mabigat na "gluon coat" (gluon ay tatalakayin sa susunod na seksyon). Ang mga baryon na binubuo ng higit pa sa u- at d-quark ay tinatawag na hyperon. Halimbawa, ang pinakamagaan sa mga hyperon, ang Λ-hyperon, ay binubuo ng tatlong magkakaibang quark: Λ = uds. Ang pinakamagaan sa mga meson ay π -mesons, o pions: π +, π −, π 0. Ang quark structure ng charged pions ay simple: π + = ud, π − = d u. Tulad ng para sa neutral na pion, ito ay isang linear na kumbinasyon ng mga estado ng uu at dd: ginugugol nito ang bahagi ng oras sa estado ng uu, bahagi ng oras sa estado ng dd. Sa pantay na posibilidad, ang π 0 meson ay matatagpuan sa bawat isa sa mga estadong ito: 1 π 0 = √ (u u − dd). π+- π − -mesons 2 Mass at (ang mga meson na ito ay magkabilang antiparticle) ay humigit-kumulang 140 MeV; ang masa ng π 0 meson (ang π 0 meson, tulad ng isang photon, ay tunay na neutral) ay humigit-kumulang 135 MeV. Ang mga susunod na meson sa pagkakasunud-sunod ng pagtaas ng masa ay K meson, ang kanilang masa ay humigit-kumulang 500 MeV. Ang K meson ay naglalaman ng s quark: 0 = sd, K − = s K + = u s, K 0 = d s, K u. 42 Ang mga hadron at quark K + - at K − -meson ay mga antiparticle na may kaugnayan sa isa't isa 0 -meson, na magkatulad sa isa't isa. Ang parehong naaangkop sa K 0 - at ang K ay hindi tunay na neutral na mga particle. Tandaan na ang mga particle na naglalaman ng mga s-quark ay tinatawag na kakaibang mga particle, at ang s-quark mismo ay tinatawag na kakaibang quark. Ang pangalan na ito ay lumitaw noong 50s, nang ang ilang mga katangian ng kakaibang mga particle ay tila nakakagulat. Malinaw, mula sa tatlong quark (u, d, s) at tatlong antiquark, d, s), siyam na magkakaibang estado ang maaaring gawin: (u u u ud u s d u dd d s u sd s s. Pito sa siyam na estadong ito (tatlo para sa π meson at apat para sa K -mesons) napag-usapan na natin ang natitirang dalawa ay mga superposisyon - mga linear na kumbinasyon ng mga estado u u, dd at s s Ang masa ng isa sa dalawang particle - ang masa ng η -meson - ay katumbas ng 550 MeV, ang masa ng isa pa - ang masa ng η -meson - ay katumbas ng 960. MeV 1 η 0 = √ (u u + dd − 2s s), 6 1 η = √ (u u + dd + s s). ang π 0 meson, η - at η -meson ay tunay na neutral na mga particle (Higit pang mga detalye. quantum mechanical superpositions ay tinatalakay sa pahina 48.) Ang siyam na meson na kakatingin lang natin ay zero spin: J = 0. Ang bawat isa sa mga meson na ito ay binubuo ng isang quark at isang antiquark, na mayroong zero orbital momentum: L = 0. Ang mga spin ng quark at antiquark ay tumitingin sa isa't isa, upang ang kanilang kabuuang spin ay zero din: S = 0. Ang meson spin J ay ang geometric na kabuuan ng ang orbital momentum ng mga quark L at ang kanilang kabuuang spin S: J = L + S. Sa kasong ito, ang kabuuan ng dalawang zero ay natural na nagbibigay ng zero. Ang bawat isa sa siyam na meson na tinalakay ay ang pinakamagaan sa uri nito. Isaalang-alang, halimbawa, ang mga meson kung saan ang orbital momentum ng quark at antiquark ay zero pa rin, L = 0, ngunit ang mga spins ng quark at antiquark ay parallel, upang S = 1 43 Charmed particles at samakatuwid J = 1. mas mabigat ang bumubuo ng mga meson ∗0, ω 0, ϕ0): siyam (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 Maraming meson ang kilala kung saan L = 0 at J > 1. Tandaan na noong 1983 isang meson na may record high spin ang natuklasan sa Serpukhov accelerator: J = 6 Let us now turn to baryons constructed from u-, d- and s-quarks Ayon sa quark model, ang orbital moments ng tatlong quark sa isang nucleon ay katumbas ng zero, at ang spin ng nucleon J ay katumbas. sa geometric na kabuuan ng mga pag-ikot ng mga quark Halimbawa, ang mga pag-ikot ng dalawang u-quark sa proton ay parallel, at ang pag-ikot ng d-quark ay nakaharap sa kabaligtaran ng direksyon. 2. Ayon sa modelong quark, ang proton, neutron, Λ-hyperon at limang iba pang hyperon ay bumubuo ng isang octet (walong) ng mga baryon na may J = 1. /2; at ang mga baryon na may J = 3/2 ay bumubuo ng isang decuplet (sampu): ddd udd uud uuu dds uds uus dss uss sss ←→ Δ− Δ0 Δ+ Δ++ Σ− Σ0 Σ+ Ξ− Ξ0 Ω− Ξ− Ξ0 Ω− 12532 MeV 12582 MeV MeV 1672 MeV. Ang Ω− hyperon, ang tuktok ng inverted pyramid na ito, ay natagpuan sa eksperimento noong 1964. Ang masa nito ay naging eksakto sa hinulaang modelo ng quark. CHARMED PARTICLES Ngunit ang tunay na tagumpay ng quark model ay ang pagtuklas ng charmed particles na naglalaman ng c-quarks (ang salitang Ruso na "charm" ay tumutugma sa English charm). Ang unang charmed particle, ang tinatawag na J/ψ meson na may mass na 3.1 GeV, ay natuklasan noong 1974. (Ang particle na ito ay minsan sinasabing may hidden charm dahil ito ay binubuo ng mga particle.) Ang J/ψ meson ay binuksan. halos sabay-sabay sa dalawang eksperimento na may magkaibang mga accelerator. Sa proton accelerator, ang J/ψ meson ay naobserbahang 44 Quark confinement ay naobserbahan sa mga produkto ng banggaan ng isang proton beam na may target na beryllium sa pamamagitan ng pagkabulok nito J/ψ → e+ e− . Sa electron positron collider ito ay naobserbahan sa reaksyong e+ e− → J/ψ. Tinawag ng unang pangkat ng mga pisiko ang meson na ito na J, ang pangalawa - ψ, kaya nakuha ng J/ψ meson ang dobleng pangalan nito. Ang J/ψ meson ay isa sa mga antas ng c c system, na tinatawag na "charmonium" (mula sa English charm). Sa ilang mga paraan, ang c ay kahawig ng isang hydrogen atom. Gayunpaman, kahit na sa anong kahulugan ng sistema ang estado ng atom ng hydrogen (anuman ang antas na matatagpuan ang elektron nito), tinatawag pa rin itong hydrogen atom. Sa kabaligtaran, ang iba't ibang antas ng charmonium (at hindi lamang ang charmonium, kundi pati na rin ang iba pang mga quark system) ay itinuturing na hiwalay na mga meson. Sa kasalukuyan, halos isang dosenang meson - mga antas ng charmonium - ang natuklasan at pinag-aralan. Ang mga antas na ito ay naiiba sa isa't isa sa magkaparehong oryentasyon ng quark at antiquark spins, ang mga halaga ng kanilang orbital angular momenta, at mga pagkakaiba sa mga katangian ng radial ng kanilang mga function ng wave. Kasunod ng charmonium, natuklasan ang mga meson na may halatang kagandahan: D+ = cd, D0 = c u, F + = c s, − 0 − D = d c, D = u c, F = s c, 1869 MeV 1865 MeV 2020 MeV (mga tinatayang halaga ay ipinahiwatig dito ang mga masa ng charmed mesons). Natuklasan din ang mga charmed baryon. Ang pagkatuklas ng mga charmed particle, at pagkatapos ay kahit na mas mabibigat na hadron na naglalaman ng mga b-quark, at ang pag-aaral ng kanilang mga katangian ay isang napakatalino na kumpirmasyon ng quark theory ng hadrons. Sa unang pagkakataon, salamat sa malaking masa ng c- at b-quark, ang larawan ng mga antas ng quark-antiquark system ay lumitaw sa lahat ng kayamanan at kalinawan nito. Ang sikolohikal na epekto ng pagtuklas na ito ay napakahusay. Kahit na ang mga dati ay higit sa pag-aalinlangan tungkol sa kanila ay naniniwala sa quark. FAILURE OF QUARKS Kung ang lahat ng hadron ay binubuo ng mga quark, kung gayon ay tila mayroon ding mga libreng quark. Ang paghahanap ng mga libreng quark ay magiging madali. Pagkatapos ng lahat, mayroon silang fractional electric charges. Ngunit imposibleng i-neutralize ang isang fractional charge sa anumang bilang ng mga electron at proton: palaging magkakaroon ng alinman sa "under-emission of quarks sa loob ng 45 taon" o "overshoot". Kung, sabihin nating, ang isang droplet ng langis ay naglalaman ng isang quark, kung gayon ang singil ng buong droplet ay magiging fractional. Ang mga eksperimento sa mga droplet ay isinagawa sa simula ng siglo, kapag ang singil ng isang elektron ay sinusukat. Sa paghahanap ng mga quark, naulit ang mga ito sa ating panahon na may mas mataas na katumpakan. Ngunit ang mga fractional charge ay hindi kailanman natuklasan. Ang isang napaka-tumpak na mass spectroscopic analysis ng tubig ay humantong din sa isang negatibong resulta, na nagbigay ng pinakamataas na limitasyon para sa ratio ng bilang ng mga libreng quark sa bilang ng mga proton ng pagkakasunud-sunod ng 10−27. Totoo, ang mga eksperimento sa laboratoryo ng Stanford University, na sinuspinde ang maliliit na bola ng niobium sa magnetic at electric field, ay nakatuklas ng mga fractional charge sa mga ito. Ngunit ang mga resultang ito ay hindi nakumpirma sa ibang mga laboratoryo. Ngayon, karamihan sa mga eksperto sa kanilang mga konklusyon ay may hilig na maniwala na ang mga quark ay hindi umiiral sa kalikasan sa isang malayang estado. Ang isang kabalintunaan na sitwasyon ay lumitaw. Ang mga quark ay walang alinlangan na umiiral sa loob ng mga hadron. Ito ay napatunayan hindi lamang ng mga sistematikong quark ng mga hadron na inilarawan sa itaas, kundi pati na rin ng direktang "paghahatid" ng mga nucleon ng mga electron na may mataas na enerhiya. Ang teoretikal na pagsusuri ng prosesong ito (tinatawag na malalim na inelastic scattering) ay nagpapakita na sa loob ng mga hadron, ang mga electron ay nakakalat sa mga puntong particle na may mga singil na katumbas ng +2/3 at −1/3, at umiikot na katumbas ng 1/2. Sa proseso ng malalim na inelastic scattering, ang elektron ay mabilis na nagbabago ng momentum at enerhiya nito, na nagbibigay ng isang makabuluhang bahagi nito sa quark (Larawan 9). Sa prinsipyo, ito ay halos kapareho sa kung paano ang isang alpha particle ay biglang nagbabago ng momentum nito kapag bumabangga sa nucleus ng isang atom (Larawan 10). Ito ay kung paano itinatag ang pagkakaroon ng atomic nuclei sa simula ng ika-20 siglo sa laboratoryo ni Rutherford. Ang mga fractional charge ng quark ay nagpapakita rin ng kanilang sarili sa isa pang malalim na inelastic na proseso: ang paglikha ng hadron jet sa paglipol e+ e− sa mataas na enerhiya (sa malalaking collider). Ang Hadron jet sa e+ e− -annihilation ay tatalakayin nang mas detalyado sa dulo ng libro. Kaya, walang alinlangan na may mga quark sa loob ng mga hadron. Ngunit imposibleng alisin ang mga ito mula sa mga hadron. Ang kababalaghang ito ay tinatawag na salitang Ingles na "confinement", na nangangahulugang pagkabihag, pagkakulong. Ang isang quark na nakakuha ng enerhiya bilang resulta ng isang banggaan sa isang electron (tingnan ang Fig. 9) ay hindi lilipad palabas ng nucleon bilang isang libreng particle, ngunit mag-aaksaya ng enerhiya nito sa pagbuo ng isang quark-anti-quark. 9. Pagkalat ng isang electron sa isa sa tatlong quark ng isang proton. Proton - malaking bilog, quark - itim na tuldok Fig. 10. Pagkalat ng isang α-particle sa nucleus ng isang atom. Ang atom ay isang malaking bilog, ang nucleus ay isang itim na tuldok sa gitna ng mga pares ng quark, ibig sabihin, ang pagbuo ng mga bagong hadron, pangunahin ang mga meson. Sa isang kahulugan, ang pagsisikap na masira ang isang meson sa mga constituent quark at antiquark nito ay katulad ng pagsubok na basagin ang isang compass needle sa timog at hilagang pole: sa pamamagitan ng pagsira sa karayom, nakakakuha tayo ng dalawang magnetic dipoles sa halip na isa. Sa pamamagitan ng pagsira ng meson, nakakakuha tayo ng dalawang meson. Ang enerhiya na ginagastos natin sa paghihiwalay ng orihinal na quark at antiquark ay gagamitin upang lumikha ng bagong pares ng antiquark at quark, na bumubuo ng dalawang meson kasama ng mga orihinal. Ngunit ang pagkakatulad sa magnetic needle ay hindi kumpleto at mapanlinlang. Pagkatapos ng lahat, alam natin na sa bakal, hindi lamang sa antas ng macro, kundi pati na rin sa antas ng micro, walang mga magnetic pole, mayroon lamang mga magnetic dipole moments na sanhi ng mga spins at orbital motion ng mga electron. Sa kabaligtaran, ang deep inside hadrons ay mayroong mga indibidwal na quark - kung mas malalim ang pagpasok natin sa loob, mas malinaw nating nakikita ang mga ito. Sa gravity at electrodynamics, nakasanayan na natin ang katotohanan na ang mga puwersa sa pagitan ng mga particle ay tumataas kapag ang mga particle ay magkalapit at humina kapag ang mga particle ay gumagalaw (mga potensyal na tulad ng 1/r). Sa kaso ng quark at antiquark, iba ang sitwasyon. Mayroong kritikal na radius r0 ≈ 10−13 cm: sa r r0 ang potensyal sa pagitan ng isang quark at isang antiquark ay higit pa o hindi gaanong katulad ng Coulomb o Newtonian, ngunit sa r r0 ang pag-uugali nito ay mabilis na nagbabago - nagsisimula itong lumaki. Maaaring isipin ng isang tao na kung walang mga light quark (u, d, s) sa mundo, ngunit mabibigat lamang (c, b, t), kung gayon sa kasong ito, simula sa r ≈ r0, ang potensyal ay tataas nang linear sa pagtaas ng r, at magkakaroon tayo ng isang pagkakulong na inilarawan ng isang potensyal na uri ng Gluon. Kulay ng funnel 47 (tingnan ang Fig. 11 at Fig. 5 para sa paghahambing). Ang isang linearly na lumalagong potensyal ay tumutugma sa isang puwersa na hindi nagbabago sa distansya. Alalahanin na kapag ang isang ordinaryong matigas na bukal ay naunat, ang potensyal na enerhiya nito ay tumataas nang parisukat sa pagpapahaba nito. Samakatuwid, ang pagkakulong na inilarawan ng isang linearly na lumalagong potensyal ay natural na matatawag na malambot. Sa kasamaang palad, sa totoong mundo, ang paglikha ng mga pares ng light quark ay hindi ginagawang posible na paghiwalayin ang orihinal na quark at antiquark sa mga distansyang mas malaki kaysa sa Fig. 11. Potensyal ng uri ng vo10−13 cm, nang walang mga unang sungay na naglalarawan sa plequark at antiquark na muling pinagdugtong ng quark sa hadron, sa pagkakataong ito sa dalawang magkaibang meson. Kaya't hindi posible na subukan ang isang malambot na spring ng pagkakakulong sa mahabang distansya. Anong mga patlang ng puwersa ang nagiging sanhi ng mga quark na kumilos sa mga kakaibang paraan? Anong uri ng hindi pangkaraniwang pandikit ang nagdikit sa kanila? MGA GLUON. COLOR Ang malakas na force field na nilikha ng mga quark at antiquark at kumikilos sa kanila ay tinatawag na gluon field, at ang mga g particle, na quanta of excitation ng field na ito, ay tinatawag na gluons (mula sa English glue - glue). Ang mga gluon ay nasa parehong pagsusulatan sa gluon field gaya ng mga photon sa electromagnetic field. Napagtibay na, tulad ng mga photon, ang mga gluon ay may spin na katumbas ng isa: J = 1 (gaya ng dati, sa mga yunit ng h̄). Ang parity ng mga gluon, tulad ng mga photon, ay negatibo: P = −1. (Ang parity ay tatalakayin sa ibaba, sa espesyal na seksyon na "C -, P -, T - symmetries".) Ang mga particle na may spin na katumbas ng isa at negatibong parity (J P = 1−) ay tinatawag na vector, dahil sa panahon ng pag-ikot at pagmuni-muni ng Ang mga coordinate ng kanilang mga function ng wave ay binago bilang ordinaryong spatial vectors. Kaya ang gluon, tulad ng photon, ay kabilang sa isang klase ng mga particle na tinatawag na fundamental vector boson. 48 Gluon. Kulay Ang teorya ng interaksyon ng mga photon sa mga electron ay tinatawag na quantum electrodynamics. Ang teorya ng pakikipag-ugnayan ng mga gluon sa mga quark ay tinatawag na quantum chromodynamics (mula sa Greek na "chromos" - kulay). Ang terminong "kulay" ay hindi pa lumalabas sa mga pahina ng aklat na ito. Ngayon ay susubukan kong sabihin sa iyo kung ano ang nasa likod nito. Alam mo na na nakapag-eksperimento ka ng limang magkakaibang uri (o, gaya ng sinasabi nila, mga lasa) ng mga quark (u, d, s, c, b) at malapit nang matuklasan ang ikaanim (t). Kaya, ayon sa quantum chromodynamics, ang bawat isa sa mga quark na ito ay hindi isa, ngunit tatlong magkakaibang mga particle. Kaya't hindi 6, ngunit 18 quark sa kabuuan, at isinasaalang-alang ang mga antiquark, mayroong 36 sa kanila Karaniwang sinasabi na ang isang quark ng bawat lasa ay umiiral sa anyo ng tatlong uri, na naiiba sa bawat isa sa kulay. Ang mga kulay ng quark na karaniwang pinipili ay dilaw (g), asul (c) at pula (k). Ang mga kulay ng antiquark ay anti-blue (c), anti-red (k). Siyempre, ang lahat ay dilaw (g), ang mga pangalan na ito ay puro conventional at walang kinalaman sa mga ordinaryong optical na kulay. Ginagamit ito ng mga physicist upang italaga ang mga partikular na singil na taglay ng mga quark at mga pinagmumulan ng mga gluon field, tulad ng isang electric charge na pinagmumulan ng photon (electromagnetic) field. Hindi ako nagkamali noong ginamit ko ang maramihan kapag nagsasalita tungkol sa mga patlang ng gluon, at ang isahan kapag nagsasalita tungkol sa larangan ng photon. Ang katotohanan ay mayroong walong uri ng kulay ng mga gluon. Ang bawat gluon ay nagdadala ng isang pares ng mga singil: ang kulay na singil ay alinman sa c o k). Sa kabuuan, siyam na kumbinasyon ng pares ay maaaring gawin mula sa (w o s, o k) at "anti-color" (w tatlong kulay at tatlong "anti-kulay"): zhs w k zh ss s k szh ks k kzh Ang siyam na ito Ang mga ipinares na kumbinasyon ay natural na nahahati sa anim na hindi dayagonal na "hayagang may kulay": s g s, szh, k, k s, kzh, kzh at tatlong dayagonal (nakatayo sa dayagonal ng aming talahanayan), na may isang uri ng "nakatagong kulay": ss, k k. zhzh, Kulay ng Gluons 49 Ang mga singil sa kulay, tulad ng isang singil sa kuryente, ay natipid samakatuwid, ang anim na di-diagonal na "hayagang may kulay" na mga pares ay hindi maaaring maghalo sa isa't isa ,” ang pag-iingat ng mga singil sa kulay ay hindi pumipigil sa mga pagbabago: ↔ ss ↔ ay ganap na simetriko na may kinalaman sa mga kulay, kahit na wala itong nakatagong singil sa kulay, na ganap na walang kulay, o, tulad ng sinasabi nila, ang dalawang iba pang mga diagonal na kumbinasyon ay maaaring mapili, halimbawa, tulad nito: 1 − ss) √ (. zh 2 at 1 + ss − 2k √ (zh k) . 6 O sa dalawang iba pang paraan (sa pamamagitan ng paikot na pagpapalit zh → s → k → zh). Hindi natin tatalakayin ang mga coefficient sa mga linear na superposition na ito, dahil ito ay lampas sa saklaw ng aklat na ito. Ang parehong naaangkop sa pisikal na pagkakapareho ng tatlong magkakaibang mga pagpipilian ng diagonal superpositions. Ito ay mahalaga dito na ang bawat isa sa walong kumbinasyon (anim na malinaw na kulay at dalawang latently kulay) ay tumutugma sa isang gluon. Kaya, mayroong walong gluon: 8 = 3 · 3 − 1. Napakahalaga na sa espasyo ng kulay ay walang gustong direksyon: pantay ang tatlong kulay na quark, pantay ang tatlong kulay na antiquark, at pantay ang walong kulay na gluon. Mahigpit ang simetrya ng kulay. Sa pamamagitan ng paglabas at pagsipsip ng mga gluon, malakas na nakikipag-ugnayan ang mga quark sa isa't isa. Para sa katiyakan, isaalang-alang natin ang pulang quark. Sa pamamagitan ng paglabas, dahil sa pag-iingat ng kulay, ito ay magiging isang zhelgluon ng kzh type, isang th quark, dahil, ayon sa mga patakaran ng laro, ang paglabas ng anticolor c, pula ay katumbas ng pagsipsip ng kulay. Sa pamamagitan ng paglabas ng gluon, magiging asul ang quark. Malinaw na ang parehong mga resulta ay nalalapat sa gluon ks. humahantong din sa pagsipsip ng isang gluon ng isang pulang quark Sa unang kaso, ang quark ay magiging dilaw, sa pangalawa, ito ay magiging asul. Ang 50 Gluons na ito. Ang mga proseso ng kulay ng paglabas at pagsipsip ng gluon ng isang pulang quark ay maaaring isulat sa anyo: qк → qл + gкл, qк + gкл → qл, qк → qс + gкс, qк + gкс → qс, kung saan ang qк, qл, qс ay tumutukoy pula, dilaw at asul, ayon sa pagkakabanggit, quark ng anumang lasa, at gkzh, g kzh, gks at g ks ay pula-anti-dilaw, anti-pula-dilaw, pula-anti-asul at anti-pula-asul na gluon. Sa katulad na paraan, maaari nating isaalang-alang ang paglabas at pagsipsip ng mga off-diagonal na gluon ng mga dilaw at asul na quark. Malinaw, ang paglabas at pagsipsip ng mga diagonal na gluon ay hindi nagbabago sa kulay ng quark. Ang katotohanan na ang mga gluon ay nagdadala ng mga singil sa kulay ay humahantong sa isang radikal na pagkakaiba sa pagitan ng mga particle na ito at mga photon. Ang isang photon ay walang singil sa kuryente. Samakatuwid, ang photon ay hindi naglalabas o nag-aalis ng mga photon. Ang mga gluon ay may mga singil sa kulay. Samakatuwid, ang isang gluon ay naglalabas ng mga gluon. Kung mas maliit ang masa ng isang sisingilin na particle, mas madaling ilalabas ang particle. Ang mga gluon ay walang masa, kaya ang paglabas ng mga gluon ng mga gluon, kung maaari silang maging libre, ay magiging malakas sa sakuna. Ngunit hindi ito dumating sa isang sakuna. Ang malakas na pakikipag-ugnayan sa pagitan ng mga gluon ay humahantong sa pagkakakulong ng kanilang mga sarili at quark. Ang malakas na interaksyon ng mga singil sa kulay sa mga distansya ng pagkakasunud-sunod na 10−13 cm ay nagiging napakalakas na ang mga nakahiwalay na singil sa kulay ay hindi makakatakas sa malalayong distansya. Bilang resulta, tanging ang mga ganitong kumbinasyon ng mga singil sa kulay ang maaaring umiral sa libreng anyo na walang color charge sa kabuuan. Ang Electrodynamics ay nagbibigay-daan para sa pagkakaroon ng parehong nakahiwalay na mga atom na neutral na elektrikal at nakahiwalay na mga electron at ion. Ang Chromodynamics ay nagbibigay-daan para sa pagkakaroon sa isang nakahiwalay na estado na walang kulay, "puti" na mga hadron, kung saan ang lahat ng mga kulay ay pantay na halo-halong. Halimbawa, ang π + -meson ay gumugugol ng pantay na oras sa bawat isa sa tatlong posibleng k: kinakatawan nito ang mga estado ng kulay uл dж, uc dс at uk d ang kabuuan ng mga estadong ito. Ang huling pahayag, tulad ng pahayag tungkol sa mga gluon na may nakatagong kulay, ay hindi dapat masyadong malinaw sa hindi sanay na mambabasa. Ngunit, tulad ng nabanggit sa itaas, hindi lahat ng bagay sa pisika ay Gluons. Ang kulay ng 51 ke elementary particle ay maaaring ipaliwanag nang simple at malinaw, "sa iyong mga daliri." Sa pagsasaalang-alang na ito, tila sa akin ay angkop na gumawa ng isang bilang ng mga komento dito na may kaugnayan hindi lamang sa seksyong ito, kundi pati na rin sa iba pang mga seksyon ng aklat, at sa tanyag na panitikan sa agham sa pangkalahatan. Sa pamamagitan ng pagpayag sa mambabasa na kahit papaano ay mag-navigate sa multidimensional, malaki at masalimuot na labirint ng agham, ang mga sikat na libro at artikulo sa agham ay nagdudulot ng walang alinlangan at malaking pakinabang. Kasabay nito, nagdudulot sila ng kilalang pinsala. Sa pamamagitan ng pagbibigay ng isang pandiwang, lubhang tinatayang at cartoonish na pinasimpleng paglalarawan ng mga siyentipikong teorya at eksperimento (at ang iba pang mga paglalarawan sa mga sikat na libro ay kadalasang imposible), maaari silang lumikha sa mambabasa ng maling pakiramdam ng pagiging simple at kumpletong pag-unawa. Maraming tao ang may impresyon na ang mga teoryang pang-agham na inilarawan ay higit sa lahat, kung hindi man ganap na opsyonal, arbitrary. Posible, sabi nila, na mag-imbento ng kakaiba. Ito ay tanyag na panitikan sa agham na may pananagutan sa hindi mauubos na daloy ng mga titik na naglalaman ng hindi nakakaalam na "mga pagtanggi" at "marahas na pagpapabuti" ng teorya ng relativity, quantum mechanics at ang teorya ng elementarya na mga particle, na nahuhulog sa mga pangunahing pisikal na institusyon ng bansa. Tila sa akin na ang may-akda ng isang tanyag na aklat sa agham ay hindi lamang dapat ipaliwanag ang simple, ngunit babalaan din ang mambabasa tungkol sa pagkakaroon ng mga kumplikadong bagay na naa-access lamang ng mga espesyalista. Ang mga may kulay na quark at gluon ay hindi mga imbensyon ng isang walang ginagawang pag-iisip. Ang quantum chromodynamics ay ipinataw sa atin ng kalikasan, ito ay nakumpirma at patuloy na nakumpirma ng isang malaking bilang ng mga eksperimentong katotohanan. Ito ay isa sa mga pinaka-kumplikadong pisikal na teorya (at marahil ang pinaka-kumplikado) na may isang napaka-di-walang kuwenta at hindi ganap na binuo ng mathematical apparatus. Sa kasalukuyan, walang isang katotohanan na sasalungat sa quantum chromodynamics. Gayunpaman, ang isang bilang ng mga phenomena ay matatagpuan lamang dito ang isang husay na paliwanag, at hindi isang quantitative na paglalarawan. Sa partikular, wala pa ring kumpletong pag-unawa sa mekanismo kung paano nabubuo ang mga hadronic jet mula sa mga pares na "quark + antiquark" na ginawa sa maikling distansya. Ang teorya ng pagkakulong ay hindi pa nabuo. Ang pinakamakapangyarihang theoretical physicist sa buong mundo ay nagtatrabaho na ngayon sa mga tanong na ito. Ang gawain ay isinasagawa hindi lamang gamit ang tradisyonal na paraan - lapis at papel, kundi pati na rin sa pamamagitan ng maraming oras ng mga kalkulasyon sa mga makapangyarihang modernong computer. Sa mga "numerical na eksperimentong" 52 Lepton, ang tuluy-tuloy na espasyo at oras ay pinapalitan ng discrete four-dimensional lattice na naglalaman ng humigit-kumulang 104 node, at ang mga gluon field ay isinasaalang-alang sa mga lattice na ito. LEPTONS Sa huling ilang seksyon ay tinalakay natin ang mga katangian at istraktura ng mga hadron, maraming kamag-anak ng proton. Bumaling tayo ngayon sa mga kamag-anak ng elektron. Ang mga ito ay tinatawag na lepton (sa Griyego "leptos" ay nangangahulugang maliit, maliit, at "mite" ay nangangahulugang isang maliit na barya). Tulad ng electron, lahat ng lepton ay hindi nakikilahok sa malakas na pakikipag-ugnayan at may spin na 1/2. Tulad ng electron, lahat ng lepton sa kasalukuyang antas ng kaalaman ay matatawag na tunay na elementarya na mga particle, dahil wala sa mga lepton ang may istraktura na katulad ng sa hadrons. Sa ganitong kahulugan, ang mga lepton ay tinatawag na mga point particle. Sa kasalukuyan, ang pagkakaroon ng tatlong charged lepton ay naitatag: e−, μ−, τ −, at tatlong neutral: νe, νμ, ντ (ang huli ay pinangalanan nang naaayon: electron neutrino, muon neutrino at tau neutrino). Ang bawat isa sa mga sinisingil na lepton, siyempre, ay may sariling antiparticle: e+, μ+, τ +. Tulad ng para sa tatlong neutrino, karaniwang pinaniniwalaan na ang bawat isa sa kanila ay mayroon ding sariling antiparticle: νe, νμ, ντ. Ngunit sa ngayon ay hindi maitatanggi na ang νe, νμ at ντ ay tunay na neutral na mga particle at ang bawat isa sa kanila ay malungkot tulad ng isang photon. Pag-usapan natin ngayon ang bawat isa sa mga lepton nang hiwalay. Napag-usapan na natin ang mga electron nang detalyado sa mga nakaraang pahina ng libro. Ang muon ay natuklasan sa cosmic ray. Ang proseso ng pagtuklas ng muon (mula sa unang pagmamasid nito hanggang sa pagsasakatuparan ng katotohanan na ang particle na ito ay produkto ng pagkabulok ng isang sisingilin na pion: π + → μ+ νμ , π − → μ− νμ) ay tumagal ng isang dekada - mula huling bahagi ng 30s hanggang huling bahagi ng 40s taon. Tandaan na ang pagkakaroon ng sariling muon neutrino ng muon ay naitatag kahit na mamaya - sa unang bahagi ng 60s. Tulad ng para sa tau lepton, natuklasan ito noong 1975 sa reaksyong e+ e− → τ + τ− sa electron-positron collider. Ang masa ng muon at τ-lepton ay 106 MeV at 1784 MeV, ayon sa pagkakabanggit. Hindi tulad ng electron, ang muon at τ -lepton ay hindi matatag. Ang buhay ng isang muon ay 2·10−6 s, ang buhay ng isang τ-lepton ay humigit-kumulang 5·10−13 s. Ang muon ay nabubulok sa isang channel. Kaya, ang mga produkto ng pagkabulok ng μ− ay e− νe νμ , at ang mga produkto ng pagkabulok ng μ+ ay e+ νe νμ . Ang τ lepton ay may maraming decay channel: τ − → e− νe ντ , τ − → μ− νμ ντ , τ − → ντ + mesons, τ + → e+ νe ντ , τ − → μ− νμ ντ , τ − → ντ + mesons, τ + → e+ νe ντ , μντ + τ , μντ + + mesons. Ang kasaganaan ng mga channel ng pagkabulok ay ipinaliwanag sa pamamagitan ng katotohanan na, dahil sa malaking masa nito, ang τ-lepton ay maaaring mabulok sa mga particle kung saan ang pagkabulok ng isang muon ay ipinagbabawal ng batas ng konserbasyon ng enerhiya. Ang aming kaalaman tungkol sa mga neutrino ay hindi kumpleto. Alam namin ang hindi bababa sa tungkol sa ντ. Sa partikular, hindi natin alam ang tungkol sa mass ντ kung ito ay zero o medyo malaki. Pinakamataas na pang-eksperimentong limitasyon mντ< 150 МэВ. Аналогичный верхний предел для мюонного нейтрино: mνμ < 0,5 МэВ. Для электронного нейтрино точность измерений несравненно выше. На пределе этой точности одна из экспериментальных групп сообщила, что mνe ≈ 30 эВ. Это сообщение ожидает в настоящее время независимой проверки в других лабораториях ∗). Экспериментально установлено, что каждый из заряженных лептонов принимает участие в слабых взаимодействиях вместе со своим нейтрино: e с νe , μ с νμ , τ с ντ . Например, n → pe− νe , π + → μ + νμ , τ + → ντ e+ νe . ПОКОЛЕНИЯ ЛЕПТОНОВ И КВАРКОВ Различия между кварками и лептонами бросаются в глаза: первые - цветные и дробнозарядные, вторые - бесцветные и целозарядные. Но есть у них и общие черты: и те, и другие имеют спин, равный 1/2; и те, и другие на современном уровне знания выглядят как точечные частицы. Поэтому лептоны и кварки называют фундаментальными фермионами. ∗) Современные данные о массах нейтрино см. в разделе «20 лет спустя». 54 Поколения лептонов и кварков Фундаментальные фермионы естественным образом разбиваются на три группы, которые принято называть поколениями: u d νe e− c s νμ μ− t? b ντ τ −. Вопросительный знак напоминает, что t-кварк пока что не открыт ∗). Но тот факт, что в двух поколениях заполнены все вакансии, наводит на мысль, что и третье поколение имеет ту же структуру. Частицы первого поколения - самые легкие, частицы третьего - самые тяжелые. Из заряженных частиц первого поколения построены атомы, а электронное нейтрино, хотя и прячется от глаз, но также играет важную роль, - не будь его, погасли бы Солнце и звезды. По существу, вся Вселенная покоится на плечах частиц первого поколения. Зачем нужны частицы двух других поколений, мы пока не знаем и только начинаем догадываться. Самая долгоживущая из них - мюон - живет микросекунды (2 · 10−6 с). Странные частицы живут 10−8 -10−10 с, остальные - меньше 10−12 с. С большим трудом рожденные на специально построенных ускорителях, эти частицы практически мгновенно гибнут. Исключение составляют лишь νμ и, возможно, ντ в том случае, если ντ безмассово или очень легкое. Невольно возникают вопросы: «Зачем нужно изучать эти эфемерные и экзотические создания, если никакой роли в нашей жизни они не играют? Оправданы ли затраты на дорогие ускорительные лаборатории?» В конце книги я попытаюсь собрать воедино различные ответы на первый вопрос и обосновать положительный ответ на второй. Здесь же хотелось бы сделать лишь два утверждения. Во-первых, изучение странных, очарованных и других частиц второго и третьего поколений позволило вскрыть кварковую структуру обычных нуклонов. Ведь на идею о кварках физиков натолкнуло экспериментальное исследование странных частиц, а окончательное подтверждение существования кварков дал чар∗) Современные данные о t-кварке см. в

(7. VII. 1929-23.XI.2015)- Sobyet at Russian theoretical physicist, ac. RAS (1990, kaukulang miyembro 1966). R. sa Sukhinichi, rehiyon ng Kaluga. Nagtapos mula sa Moscow Engineering Physics Institute (1953). Mula noong 1954 siya ay nagtatrabaho sa Institute of Theoretical and Experimental Physics (pinuno ng theoretical laboratory). Mula noong 1967 prof. MEPhI.

Gumagana sa larangan ng teorya ng elementarya na mga particle. Kasama ang I.Ya . Pomeranchuk hinulaang (1956) ang pagkakapantay-pantay ng mga cross section sa mataas na enerhiya ng mga particle na kasama sa isang ibinigay na isotopic multiplet (Okun–Pomeranchuk theorem). Binuo ang terminong "hadron" (1962). Hinulaan (1957) ang isotopic na katangian ng mahinang hadronic currents, iminungkahi ang isang pinagsama-samang modelo ng mga hadron, at hinulaan ang pagkakaroon ng siyam na pseudoscalar meson.
Kasama ni B.L. Sina Ioffe at A.P. Isinaalang-alang ni Rudicom (1957) ang kahihinatnan ng paglabag R-, S- at CP invariance.
Sa parehong taon, kasama ang B.M. Tinantya ng Pontecorvo ang pagkakaiba sa pagitan ng masa ng K l - at K s -mesons.
Binuo (1976) quantum-chromodynamic sum rules para sa mga particle na naglalaman ng mga charm quark (kasama ang A.I. Vainshtein, M.B. Voloshin, V.I. Zakharov, V.A. Novikov at M.A. Shifman).

Noong unang bahagi ng dekada pitumpu, sa loob ng balangkas ng teoryang apat na fermion, sa magkasanib na gawain kasama si V.N. Gribov, A.D. Dolgov at V.I. Pinag-aralan ni Zakharov ang pag-uugali ng mahinang pakikipag-ugnayan sa asymptotically high energies at lumikha ng bagong gauge theory ng electroweak interactions (inilarawan sa aklat na "Leptons and Quarks" na inilathala noong 1981 at muling nai-publish noong 1990 ).

Noong 90s, ang isang serye ng mga gawa ay nagmungkahi ng isang simpleng pamamaraan para sa pagsasaalang-alang ng electroweak radiative corrections sa mga probabilidad ng Z-boson decays. Sa loob ng balangkas ng scheme na ito, ang mga resulta ng mga sukat ng katumpakan sa LEPI at SLC accelerators (mga co-authors M.I. Vysotsky, V.A. Novikov, A.N. Rozanov) ay nasuri.
Sa trabaho noong 1965 kasama si SB. Pikelner at Ya.B. Sinuri ni Zeldovich ang posibleng konsentrasyon ng mga relict elementary particle (sa partikular, free fractionally charged quark) sa ating Uniberso. Kaugnay ng pagtuklas ng paglabag sa parity ng CP sa trabaho kasama ang I.Yu. Kobzarev at I.Ya. Tinalakay ni Pomeranchuk ang isang "mirror world" na konektado sa atin sa pamamagitan lamang ng gravitational.

Sa trabaho noong 1974 kasama si I.Yu. Kobzarev at Ya.B. Pinag-aralan ni Zeldovich ang ebolusyon ng mga vacuum domain sa Uniberso; sa gawain ng parehong taon sa I.Yu. Kobzarev at M.B. Natagpuan ni Voloshin ang isang mekanismo para sa pagkabulok ng metastable vacuum (ang teorya ng metastable vacuum).

Matteucci Medal (1988). Lee Page Award (USA, 1989). Karpinsky Prize (Germany, 1990). Humboldt Prize (Germany, 1993). Bruno Pontecorvo Prize mula sa Joint Institute for Nuclear Research (1996). Gintong medalya na pinangalanang L. D. Landau RAS (2002). Prize na pinangalanang I.Ya Pomeranchuk mula sa Institute of Theoretical and Experimental Physics (2008).

Mga sanaysay:

1. Okun L. B. αβγ ... Z (Elementary na panimula sa pisika ng elementarya na mga particle). - M.: Agham. Pangunahing tanggapan ng editoryal ng pisikal at matematikal na panitikan, 1985.- (Library "Quantum". Isyu 45.).
2. Ang teorya ng relativity at ang Pythagorean theorem. Quantum, No. 5, 2008, pp. 3-10