Материал:

Описание взаимодействия с помощью частицы-носителя в КЭД привел к расширению понятия фотона. Вводятся понятия реального (кванта видимого нами света) и виртуального (скоротечного, призрачного) фотона, который "видят" только заряженные частицы, которые испытывают рассеяния.

Чтобы проверить, как согласуется теория с реальностью, физики сосредоточили внимание на двух эффектах, которые вызвали особый интерес. Первый касался энергетических уровней атома водорода - простейшего атома. Согласно КЭД, уровни должны быть слегка смещенный относительно положения, которое 6 они занимали при отсутствии виртуальных фотонов. Вторая решающая проверка КЭД касалась чрезвычайно малой поправки относительно собственного магнитного момента электрона. Теоретические и экспериментальные результаты проверки КЭД совпадают чрезвычайно точно - более девяти знаков после запятой. Столь впечатляющая соответствие дает право считать КЭД наиболее совершенной из всех имеющихся естественнонаучных теорий. За создание КЭД С. Томанага, Р. Фейнман и Дж. Швингер были удостоены Нобелевской премии за 1965 Большой вклад в становление КЭД относится и выдающемуся физику-теоретику Л. Д. Ландау

После подобного триумфа КЭД было принято как модель для квантового описания трех других фундаментальных взаимодействий. Разумеется, полям, связанным с другими взаимодействиями, должны соответствовать другие частицы-носители.

Теория кварков

Термин "кварк" избран вовсе не произвольно. В романе Дж. Джонса "Поминки по Финнегану" герою снится сон, в котором чайки, парящие над бушующим морем, кричат резкими голосами: "Три кварка для мистера Марка!" Такая произвольность вполне созвучна с абстрактно-ненаочним характером понятий современных физических теорий.

Теория кварков - это теория строения адронов. Основная идея этой теории очень проста: все адроны построены из более мелких частиц - кварков. Кварки несут дробный электрический заряд, составляет или -1/3, или +2/3 заряда электрона. Комбинация из двух и трех кварков может мато суммарный заряд, равный нулю или единице. Все кварки имеют спин 1/2, следовательно, являются фермионами. Основоположники теории кварков Гелл-Манн и Цвейг, чтобы учесть все известные в шестидесятые pp. адроны, ввели три сорта (ароматы) кварков: и (от up - верхний), d (от down - нижний) и s (от strange - странный).

Кварки могут сочетаться между собой одним из двух возможных способов: либо тройками, или парами кварк - антикварк. Из трех кварков состоят сравнительно тяжелые частицы - барионы; наиболее известные барионы - нейтрон и протон. Более легкие пары кварк - антикварк образуют частицы, которые получили название мезонов. Например, протон состоит из двух u - и одного d кварка (uud), а нейтрон - из двух d- кварков и одного u-кварка (uud). Чтобы это "трио" кварков НЕ распадалось, необходима сила, которая их удерживала, некий "клей".

Оказалось, что итоговая взаимодействие между нейтронами и протонами в ядре представляет собой просто остаточный эффект более мощного взаимодействия между самими кварками. Это объясняет, почему сильное взаимодействие кажется столь сложной. Когда протон "прилипает" к нейтрона или иного протона, во взаимодействии участвуют шесть кварков, каждый из которых взаимодействует со всеми остальными. Значительная часть энергии расходуется на крепкое "склеивания" трио кварков, а небольшая - на скрепление двух трио кварков друг с другом.

То обстоятельство, что из различных комбинаций трех основных частиц можно получить все известные адроны, стала триумфом теории кварков. В 1969 г.. Удалось получить прямое физическое доказательства существования кварков в серии экспериментов по рассеянию на протонах электронов, разогнанных до высоких энергий. Эксперимент показал, что рассеяние электронов происходило так, будто электроны налетали на крошечные твердые вкрапления и отбивались от них под самыми невероятными углами. Такими твердыми вкраплениями внутри протонов является кварки. Но в семидесятые pp. были открыты новые адроны (пси-частицы, ипсилон-мезон и др.). Этим был нанесен ощутимый удар первому варианту теории кварков, поскольку в этом варианте теории уже не было места ни для одной новой частицы. Все возможные комбинации из кварков и их антикварков было уже исчерпан. Проблему удалось решить путем введения трех новых ароматов. Они получили название - charm (очарованный) или с; b-кварк (от beauty - красивый) впоследствии было введено еще один аромат - t (от truth - настоящий).

Кварки скрепляются между собой сильным взаимодействием. Переносят сильное взаимодействие глюоны (цветовые заряды). Раздел физики элементарных частиц, изучающая взаимодействие кварков и глюонов, носит квантовой хромодинамики. Как квантовая электродинамика является теорией электромагнитного взаимодействия, так квантовая хромодинамика является теорией, сильного взаимодействия.

В настоящее время большинство физиков считает кварки подлинно элементарными частицами - точечными, неделимыми и такими, которые не имеют внутренней структуры. В этом отношении они напоминают лептоны, и уже давно есть гипотеза, что между этими двумя различными, но сходными по своей структуре семействами должен существовать глубокая взаимосвязь. Таким образом, наиболее вероятное число на самом деле элементарных частиц (не считая частицы, переносят фундаментальные взаимодействия) на конец XX в. равна 48. Из них: лептонов (6x2) = 12 плюс кварков (6хЗ) х2 = 36.

Теория электрослабого взаимодействия

В семидесятые pp. XX в. в естествознании произошло выдающееся событие: две фундаментальные взаимодействия с четырех физики объединили в одно. Картина фундаментальных взаимодействий несколько упростилась. Электромагнитная и слабое взаимодействия, казалось бы, очень разные по своей природе, появились как разновидность единой электрослабого взаимодействия. Теорию электрослабого взаимодействия в окончательной форме создали два физики, работавшие независимо друг от друга, - с Вайнберг и А. Салам. Теория электрослабого взаимодействия решающим образом повлияла на дальнейшее развитие физики элементарных частиц в конце XX в.

Главная идея, на основе которой построен эту теорию, состоит в описании слабого взаимодействия языке концепции калибровочного поля, в соответствии с которым ключом к пониманию природы взаимодействий является симметрия. Одна из фундаментальных идей в физике второй половины XX в. - Это убежденность, что все взаимодействия существуют лишь для того, чтобы поддерживать в природе певый набор абстрактных симметрий. Какое отношение имеет симметрия к фундаментальным взаимодействиям? Ведь, на первый взгляд, утверждение о существовании подобной взаимосвязи кажется очень парадоксальным.

Прежде всего о том, что следует понимать под симметрией. Принято считать, что предмет симметричный, если он остается неизменным после той или иной операции по его преобразованию. Так, сфера симметрична, потому что выглядит одинаково при повороте на любой угол относительно ее центра. Законы электричества симметричны относительно замены положительных зарядов отрицательными и наоборот. Таким образом, под симметрией понимают инвариантность системы относительно определенной операции.

Существуют различные типы симметрий: геометрические, зеркальные, негебметрични. Среди неге ^ ометричних есть так называемые калибровочные симметрии. Калибровочные симметрии носят абстрактный характер, органы чувств их непосредственно не фиксируют. Они связаны с изменением отсчета уровня, масштаба или значения какой физической величины. Система имеет калибровочную симметрию, если ее природа остается неизменной при таких преобразований. Так, например, в физике работа зависит от разности высот, а не от абсолютной высоты; напряжение - от разности потенциалов, а не от их абсолютных величин и др. Симметрии, на которых основывается просмотр понимание фундаментальных взаимодействий, именно такого рода.

Калибровочные преобразования симметрии могут быть глобальными и локальными. Глобальные преобразования меняют систему в целом, во всем ее пространственно-временном объеме; в физике это выражается в том, что во всех точках пространства-времени значение волновой функции испытывает те же изменения. Локальными калибровочными преобразованиями называются преобразования, которые изменяются от точки к точке; иначе говоря, волновая функция в каждой точке характеризуется своей особой фазой, которой соответствует определенная частица.

Глобальное калибровочного преобразования теоретически можно изменить на локальное калибровочное преобразование. Для связи между ними и поддержки симметрии в каждой точке пространства необходимы новые силовые поля - калибровочные. В природе существует ряд-локальных калибровочных симметрий и необходимо соответствующее калибровочных полей для их компенсации. Так, силовые поля можно рассматривать как средство, с помощью которого в природе создаются присущие ей локальные калибровочные симметрии. Значение концепции калибровочной симметрии заключается в том, что благодаря ей теоретически моделируются все четыре фундаментальные взаимодействия, которые встречаются в природе, Все их можно рассматривать как калибровочные поля.

Самая калибровочная симметрия в электромагнетизма. Иначе говоря, электромагнитное поле не просто определенным типом силового поля, существующего в природе, а проявлением простой (совместимой с принципами специальной теории относительности) калибровочной симметрии, в которой калибровочные преобразования соответствуют изменениям потенциала от точки к точке. Учение о электромагнетизм формировалось на протяжении веков на основе кропотливых эмпирических исследований, но оказывается, что эти же результаты исследований можно получить чисто теоретически, основываясь на знании только двух симметрий - простой локальной калибровочной симметрии и так называемой симметрии Лоренца-Пуанкаре специальной теории относительности. Основываясь только на существовании двух симметрий, не проводя ни эксперимента по электричеству и магнетизму, можно построить уравнения Максвелла, вывести все законы электромагнетизма, доказать существование радиоволн, возможность создания динамо-машины и т.д. А применение идей локальной калибровочной инвариантности к преобразованиям Лоренца автоматически приводит к построению теории гравитации, подобной общей теории относительности.

Источник: https://studbooks.net/7244/estestvoznanie/kontseptsii_sovremennogo_estestvoznaniya

Смотрите также:








ЦЕНОВАЯ ПОЛИТИКА ПРЕДПРИЯТИЯ НА ПРИМЕРЕ ООО «ДНС РИТЕЙЛ»
_archivetempпротивовоспалительные
_Роджерс Карл, Брак и его альтернативы