Материал: Тесты с ответами по естествознанию

Чтобы понять, как возникла гипотеза о существовании кварков, и задать их свойства, необходимо познакомиться с тем, как определяются состояния некоторой микрочастицы. Описать микрочастицу — значит перечислить значения физических величин, ее характеризующих. К числу таких характеристик, как минимум, относятся масса частицы т, электрический заряд Q и спин J. Кроме этого, у адронов есть барионный заряд В, так что обычно всем барионам приписывают В = 1 (антибарионам В = -1), у мезонов В = 0 (у лептонов и у фотона также, естественно, В = 0). Кроме барйонного заряда или числа, примерами других внутренних квантовых чисел могут служить «странность» S, «очарование» (иногда говорят — шарм) С, «красота* Ь (соответственно, от слов strangeness, charm, beauty). Существуют «странные» адроны, у которых ,

и точно также есть «очарованные» и «красивые» адроны, у которых , соответственно. Подобно барионному числу, квантовые числа S, С u b сохраняются (сохраняется их суммарное число) в реакциях элементарных частиц с участием адронов (но только в процессах, обусловленных сильным и электромагнитным взаимодействиями). Еще есть две характеристики для микрочастиц, это Р — внутренняя четность и С — зарядовая четность (не путайте с очарованием С).

Знание характеристик адронов позволяет осуществить их классификацию и соответствующую классификацию кварков. Из принятой структуры барионов В a (qqq) следует, что каждому кварку нужно приписать барионное число В = +1/3 (соответственно, антикварку — В = -1/3). Для того чтобы получить полуцелый спин у бариона, необходимо, чтобы у кварка спин был равен 1/2. Электрические заряды кварков получаются в соответствии с формулой Гелл-Манна-Нишиджимы, и они оказываются дробными, кратными одной трети от заряда электрона (одно из многих удивительных свойств кварков). Сейчас физики предполагают существование 6 типов («ароматов») кварков. Первая тройка кварков — и, d, s (соответственно от слов up — верхний, down — нижний, strange — странный). Электрический заряд Q у u-кварка равен +2/3, у d- и s-квар-ков Q = -1/3 заряда электрона. Немного позднее, после того как уже появилась гипотеза кварков, в 1965 году, было высказано предположение, что каждый из кварков может быть представлен тремя разновидностями, различающимися особой характеристикой, названной «цветом». Итак, если в природе существует 6 разновидностей кварков и у каждого из них могут быть 3 «цвета», то получается всего 18 разновидностей кварков и столько же антикварков.

В целом адроны являются бесцветными образованиями, в отличие от кварков, несущих цвет. Цвета, которыми обладают кварки, могут быть названы (условно) красный, желтый и синий. Вторая тройка кварков, которые называют тяжелыми кварками, имеет обозначения с, b, t (от слов charm, beauty, truthful или top, соответственно). Последняя тройка кварков по массе резко отличается (в большую сторону) от первой тройки и-, d-, s-кварков. Адроны, построенные из и-, d-, s-кварков, стали известны на ранних этапах изучения микромира (например, протон р — (uud) или' нейтрон п = (udd)). Антикварки тоже обладают цветом, есть также три разновидности их цвета — фиолетовый, оранжевый, зеленый. Таким образом, любой известный ад-рон (барион или мезон) может быть построен сочетанием из 6-ти кварков и антикварков различных цветов.

Для понимания механизма связи кварков в адроны главное значение имеет вопрос о характере сил или взаимодействий между кварками. Как установила квантовая хромо-динамика (наука, изучающая этот круг явлений), взаимодействие между кварками осуществляется глюонами (от англ. glue — клей), виртуальными частицами, которыми обмениваются кварки между собой. Причем разновидностей глюонов может быть восемь. Характер взаимодействия между кварками таков, что с увеличением расстояния между ними обменные силы не уменьшаются, а, наоборот, увеличиваются! Так возникает эффект «долговой ямы» или «пленения» кварков, эффект, получившее название эффекта асимптотической свободы кварков. Эффект этот следует понимать так - чем ближе кварки друг к другу, тем они свободнее! Именно по этой причине или природе, в свободном состоянии не обнаружен ни один кварк, хотя уже более сорока лет ученые не сомневаются в их существовании. Экспериментальным путем установлено, что удерживающий потенциал кварка внутри адрона линейно зависит от расстояния, и, чтобы оторвать кварк от адрона, нужно затратить бесконечно большую энергию.

Как об этом упоминалось ранее, другие элементарные частицы — лептоны, не подвержены сильному взаимодействию, они испытывают только электромагнитное и слабое взаимодействия. При определенных энергиях частиц (лептонов) электромагнитное и слабое взаимодействия сливаются, образуя электрослабое взаимодействие. Теория электрослабых взаимодействий была разработана С. Вайнбергом, Ш. Глэшоу и А. Саламом. Для иллюстрации многообразия свойств элементарных частиц и с целью информации о них, приведем таблицы 1 и 2 некоторых лептонов, адронов и кварков, соответственно.

Таблица 2 Характеристики кварков

Интересно напомнить еще раз, что кварков в свободном состоянии не обнаружено, а, согласно квантовой хромодинамике, в свободном состоянии их и не может быть (таково современное состояние дел в физике элементарных частиц!).

Вся необычность свойств объектов микромира (атомов, излучаемых ими электромагнитных волн, света, в том числе, элементарных частиц разной иерархической подчиненности) формирует то, что принято называть неклассической рациональностью. Определенным образом это должно изменять и наше, как правило, классическое мышление, на новое, неклассическое восприятие мира.

Резюме

1) В природе существует множество элементарных частиц, большинство из которых являются нестабильными.

2) Все элементарные частицы можно подразделить главным образом по основному признаку — вид взаимодействия, на 4 класса — фотон, лептоны, барионы и мезоны.

3) Частицы, обладающие сильным взаимодействием, — ад-роны (барионы и мезоны), состоят из 6 типов кварков. Кварки — субъядерные частицы обладающие дробным электрическим зарядом, не существуют в свободном состоянии.

4) Взаимодействие микромира имеет обменный характер, т. е. осуществляется некоторыми виртуальными частицами. Так, сильное взаимодействие между кварками осуществляется глюонами (8 разновидностей), слабое взаимодействие осуществляется векторными бозонами, электромагнитное взаимодействие — виртуальными фотонами, гравитационное взаимодействие — гравитонами.

Вопросы для обсуждения

Прежде следует отметить, что элементарные частицы не являются такими уж «элементарными». Далее, только из малой доли элементарных частиц «сделано» обычное вещество в виде атомов, только протоны, нейтроны и электроны есть в атомах.

Это большая загадка природы! Зачем же столько остальных элементарных частиц, которых, с учетом резонансов, несколько сотен разновидностей? Были ли предопределены свойства элементарных частиц в момент «большого взрыва», или все возникло случайно? Есть один аргумент против случайности — антроп-ный принцип, о нем обязательно поговорим в послдней главе. Можно предложить следующие вопросы для обсуждения:

1) Виды взаимодействий в природе и классификация элементарных частиц.

2) Обменный характер взаимодействия в микромире. Виртуальные частицы.

3) Построение адронов (барионов и мезонов) из кварков.

4) Объединение различных взаимодействий, (электромагнитное и слабое = электрослабое; электрослабое и сильное = Великое объединение).

5) Квантовые числа элементарных частиц.

5. Фундаментальные принципы и обобщенные положения современного физического естествознания

5.1. Концепции пространство и время

В предыдущих главах приведен краткий исторический материал из области физического естествознания, который позволяет рассмотреть ряд фундаментальных основополагающих физических концепций, возникших в разные исторические эпохи — от древности до современности. Начнем с понятий пространства и времени.

Пространство и время, как определяют их философы, — всеобщие формы существования материи, не существующие вне материи и независимо от нее. Пространство — математическая, физическая и философская категория. Время — физическая (но сейчас даже общее — естественнонаучная, так как и геологи, и биологи, и представители других естественных наук обосновывают необходимость использования понятия времени в своих исследованиях) и философская категория, как форма существования материи, заключающаяся в закономерной координации сменяющих друг друга явлений.

Исторически первым из математических пространств и наиболее известным издавна и в настоящее время является евклидово пространство, представляющее приближенный абстрактный образ реального физического пространства. Менее известны пространства Лобачевского, Рима-на, Гильберта, Жюлиа, Хаусдорфа, МандельброТа и другие. Вопрос о том, какое математическое пространство отражает общие свойства реального физического про странства, решается опытом (но так и не решено д сих пор — какое именно?).

Пространственно-временные отношения и закономерности — это очередной этап сложности реально (действительно) существующего мира, отношения, понимаемые первоначально на обыденном (созерцательном) уровне сознания, а в современную эпоху постигаемые на уровне научного сознания.

С античных времен наиболее известными были две концепции совместного рассмотрения пространства и времени. Одна из них идет от древних атомистов — Демокрита, Эпикура и Лукреция, позднее тщательно разработана Ньютоном, которые ввели понятие пустого однородного и бесконечного пространства, а время рассматривали как субъективное ощущение действительности. Другая концепция восходит еще к Аристотелю, разработана в Новое время Лейбницем, опиравшимся также на некоторые идеи Декарта. Все они фактически придерживались идеи о заполненном мировом пространстве (без пустоты), то есть идеи о тождестве протяженной материи и пространства.

Ньютон представил понятия пространства и времени как особые начала, существующие независимо от материи и друг от друга. Абсолютное пространство, или пространство само по себе, есть пустое «вместилище тел», оно неизмеримо и непознаваемо. От абсолютного пространства Ньютон отличал протяженность тел — их основное свойство, благодаря которому они занимают определенные места в абсолютном пространстве, совпадают с этими местами. Положения тел и расстояния между ними можно определить только по отношению к другим телам. Время так же абсолютно, как и пространство, есть чистая длительность, как таковая, равномерно текущая от прошлого к будущему. Оно является пустым «вместилищем событий», которые могут его заполнять, а могут и не заполнять, ход событий не влияет на течение времени.

Время универсально, непрерывно, бесконечно, одномерно. От абсолютного времени, также неизмеримого, Ньютон отличал относительное или обыденное время. Парадокс ньютонова пространства и времени состоит в том, что не существует опытов, которые позволили бы измерять положение тела в пространстве или момент времени события — экспериментально можно измерять только расстояния между телами или промежутки времени между событиями. Таким образом, чтобы сопоставлять пространству и времени какие-либо физические величины, мы должны выбрать некоторое тело, в качестве начала отсчета расстояний, и некоторый момент времени, в качестве начала отсчета его промежутков, что в конечном итоге ведет к необходимости введения некоторой системы отсчета. Вот с этого выбора и начинается ньютонова наука о движении — механика.

Согласно концепции Лейбница, пространство и время не есть самостоятельные начала бытия. Пространство — это порядок взаимного расположения множества тел, сосуществующих вне друг друга, время — порядок сменяющих друг друга явлений или состояний тел. Протяженность любого объекта не есть первичное свойство, а обусловлено силами, действующими внутри объекта; внутренние и внешние взаимодействия определяют и длительность состояния. Что же касается самой природы времени как порядка сменяющих друг друга явлений, то оно отражает их причинно-следственную связь.

В истории естественнонаучных представлений о времени, как отдельном феномене, можно выделить четыре его концепциии, группируемых обычно попарно. Первая пара концепций времени расходится по вопросу о природе времени: 1) субстанциальная концепция рассматривает время как особую субстанцию, субстрат, наряду с пространством, веществом и другими физическими характеристиками; 2) реляционная концепция считает время отношением (или системой отношений) между физическими событиями. Вторая пара концепций времени выражает разные точки зрения на процесс становления времени: 1) статическая концепция считает события прошлого, настоящего и будущего существующими реально и в известном смысле одновременно, а становление и исчезновение материальных, физических объектов — это иллюзия, возникающая в момент осознания того или иного изменения; 2) динамическая концепция, напротив, считает, что реально существуют только события настоящего времени, события прошлого уже реально не существуют, а события будущего еще реально не существуют. Видно, что в этих концепциях смешиваются физика и философия и как трудна и неоднозначна проблема времени.

Укоренившиеся в науке ньютоновские представления о пространстве и времени изменились, когда в физическую картину мира вошла в конце XIX века концепция поля, как формы материальной связи между объектами вещества, поля, как особой и самостоятельной формы материи. Казалось, что для рассмотрения поля, тогда только электромагнитного, нужна особая среда — эфир, заполняющий мировое абсолютное пространство, но это не нашло ни тогда, ни сейчас достоверного опытного подтверждения.

Представления о новых свойствах пространства и времени получили новое развитие в научной дисциплине, получившей название специальная теория относительности, или релятивистская механика. Герман Минковс-кий, развивая представления Лоренца, Пуанкаре и Эйнштейна о свойствах пространства и времени, заявил с трибуны съезда естествоиспытателей в 1908 году: «Воззрения на пространство и время... возникли на экспериментально-физической основе. В этом их сила. Их тенденция радикальна. Отныне пространство само по себе и время само по себе должно обратиться в фикцию и лишь некоторый вид соединения обоих должен еще сохранить самостоятельность». Так им было установлено единство пространства и времени, их объединение в пространство-время с четырьмя (три пространственных и одна временная) измерениями или координатами. Академик Анатолий Логунов так определил сущность теории относительности, называя это утверждение постулатом: «Физические процессы протекают в четырехмерном пространстве, геометрия которого псевдоэвклидова» (иногда псевдоэвк-лидово пространство называют миром или пространством Минковского).