Модели объяснения сил физического взаимодействия в атоме

В первой половине прошлого века не было известно, что протон и нейтрон имеют сложные строения. Первоначально речь шла о попытках объяснить устойчивость и целостность атома на основе силы тяготения и электромагнитной силы. Физик Э. Ферми (1901—1954) сформулировал гипотезу, по которой устойчивость ядер обеспечивается обменом между протонами и нейтронами двумя частицами: электроном и нейтрино. Вычисления энергии массы этих частиц показали, что электрон при этом взаимодействии должен иметь массу, в 200—300 раз превышающую массу обычного электрона. При такой массе электрона размер ядра атома также должен увеличиться в 200—300 раз в сравнении с действительным. Длина дебройлевской волны такого электрона превышает в 200—300 раз длину соответствующей волны обычного электрона.

Другая модель предлагала рассматривать протон и нейтрон как состояние одной и той же частицы, различающиеся направлением их спинов. Но энергия — масса этих частиц различается, хотя и несущественно, следовательно, возникает вопрос о том, куда она девается внутри ядра атома.

В 1935 г. японский физик X. Юкава предложил неожиданное решение этой проблемы: протоны и нейтроны удерживаются в ядре в результате обмена некоей средней частицей. Впоследствии эту частицу назвали мезоном (греч. mesoc — средний).

Вычисления этой частицы показали, что она должна быть по массе в 200 раз больше электрона и иметь три разновидности: положительный, отрицательный и нейтральный мезон. Кроме того, длина его дебройлевской волны не должна выходить за пределы размеров ядра атома.

Из предложения X. Юкава следовало, что сильное взаимодействие внутри ядра обеспечивает обмен частиц, имеющих среднюю величину между массами протона и нейтрона, а не гравитационные, электромагнитные и слабые силы взаимодействия. Необычность этой гипотезы состоит в том, что, например, протон, отдавая часть своей энергии-массы в форме массы соответствующего мезона, образует частицу с большей массой, нейтрон. X. Юкава высказал мнение, что мезон не является стабильной частицей, а может распадаться на другие частицы. Гипотеза X. Юкава оказалась прозорливой: в 1937 г. были открыты частицы, совпадающие по своим физическим свойствам с гипотетическим мезоном X. Юкава. Когда были открыты другие разновидности мезонов (средних частиц), частицу X. Юкава назвали мюоном, тяжелый эквивалент электрона: заряд его отрицательный, как у электрона, масса в 200 раз больше, чем у электрона. В 1940 г. было доказано, что мезоны не являются стабильными частицами. Со второй половины ХХ в. физики открыли более 300 частиц различных видов. Часть из них была обнаружена в космических лучах, другая — в экспериментах. Например, в 1964 г. были обнаружены так называемые странные частицы, имеющие три странности, отличающие их от других известных частиц:

• — обнаружены в космических лучах, и время их жизни является достаточно продолжительным (время, за которое они распадаются, составляет 10−8-10−10 с);
• — возникают в сильных ядерных взаимодействиях, но не играют в них значительной роли;
• — рождаются тройками и парами.

Частицы, которые могут распадаться за счет сильного взаимодействия, называются резонансными частицами. Время их жизни порядка 10−23с. Резонансы (лат. resonans — дающий отклик) относятся к адронам. Виртуальными частицами называются частицы, возникающие в промежуточных состояниях, время их существования связано с их энергией соотношением неопределенностей. Иначе говоря, они обеспечивают взаимодействие между частицами внутри ядра и атома.

Большое количество частиц потребовало создания системы критериев и принципов их классификации. На основе протонно-нейтронной модели атома все известные частицы и соответствующие им античастицы разделили на три группы.

Первая группа называется фотонной. Она представлена фотонами-квантами электромагнитного взаимодействия. К этой группе относят и гипотетическую частицу гравитон, обеспечивающую гравитационные взаимодействия.

Вторая группа — лептоны (греч. leptoc — легкий). Эти частицы участвуют в электромагнитных и слабых взаимодействиях. К лептонам относятся электрон, мюон, тау-частица и нейтрино (электронное, мюонное и таонное). Термин «лептон» употребляется по принятой традиции. Например, таон не является легким, поскольку его масса в 3500 раз больше массы электрона.

Третья группа включает адроны (греч. hadroc — сильный, крупный). Эта группа является основной группой всех известных частиц. Частицы, которые включаются в эту группу, участвуют в сильных, слабых и электромагнитных взаимодействиях. К третьей группе относят также мезоны (пионы, каоны, этамезоны) и барионы (гипероны, нуклоны). Барионы (греч. barus — тяжелый) — это частицы с полуцелым спином и массой не меньше протона. К ним относятся нуклоны, гипероны и многие частицы-резонансы. Заряд бариона равен +1, заряд антибариона равен -1. Алгебраическая сумма зарядов барионов при их взаимодействиях сохраняется. Существуют барионы, масса которых в несколько раз превышает массу протона. Они открыты в космических лучах и на ускорителях.

Появление в 1963 г. теории кварков открыло еще один уровень в понимании процессов и событий, происходящих в микромире.

Два американских физика М. Гелл-Ман и Д. Цвейг выдвинули независимо друг от друга гипотезу о существовании сверхэлементарных частиц, из которых состоят протоны, нейтроны и другие адроны, а также, возможно, и лептоны.

Для обозначения этих частиц Гелл-Ман придумал название «кварк», которое он заимствовал из фразы «три кварка для мистера Марка» из романа Дж. Джойса «Поминки по Финнегану». Д. Цвейг использовал другой термин, но термин «кварк» оказался более удачным, с ним стали сочетаться и другие необычные для языка физики термины, придуманные авторами этой теории: аромат кварка и другие. Эти необычные термины обозначают физические свойства кварков, которые можно было обозначить традиционными способами.

Развитие этой теории опиралось на косвенные эмпирические доказательства существования кварков. Электрон приблизительно в 1870 раз по своему размеру меньше протона, физические параметры этих частиц хорошо изучены (заряд, спин и другие), если направить луч-поток электронов с энергией, достаточной для того, чтобы они отскакивали от протона, то по величине скорости отскакивания от протона электронов можно говорить о строении протона. Оказалось, что протон состоит из частей, радиус которых в 10 раз меньше радиуса протона. Поскольку протон и нейтрон участвуют в сильном взаимодействии, то предположили, что все частицы, участвующие в сильном взаимодействии, имеют составную структуру. Расчеты показывали, что кварки должны иметь полуцелый спин. Это означает, что на их расположение в соответствующих частицах распространяется принцип Паули: в частице из кварков не может быть тождественных по физическим параметрам кварков.

Расширение числа кварков было обусловлено открытием большого количества частиц, участвующих в сильном взаимодействии. Первоначально была выдвинута идея о существовании трех кварков, затем советские физики ввели цвета для кварков (синий, зеленый, красный).

Принцип зарядовой симметрии (каждой частице соответствует античастица) потребовал введения антикварков для каждого кварка.

Цвет кварков — это физический параметр, позволяющий различать кварки, Совпадающие по остальным физическим параметрам. Иначе говоря, этого требует принцип Паули, поскольку кварки имеют полуцелый изотопический спин.

Аромат кварка — это тип или вид кварка и все его параметры, не зависящие от его цвета. Например, в 1974 г. был открыт мезон, получивший название джипси. Оказалось, что структура его подобна строению атома водорода (протон — вращающийся электрон), только для объяснения этой структуры пришлось ввести новый кварк, названный кварком очарования: строение мезона джи-пси объясняется наличием в нем кварка-очарования, вокруг которого вращается его антикварк. Антикварки обозначаются теми же символами кварков с черточкой наверху.

В конце ХХ в. возникла идея о существовании шести кварков (верхнего, нижнего, странного, очарованного, истинного, прелестного). Каждый имеет три цвета: красный, синий, зеленый.

Кварки обозначаются первыми буквами английских слов, например: и (от англ. up — верхний), d(down — нижний) и т. д. Каждый кварк имеет три цвета (например, верхний красный, верхний синий, верхний зеленый).

Согласно теории кварков протон, например, состоит из двух верхних кварков (и) и одного нижнего (d), а нейтрон — из двух нижних и одного верхнего: p = uud, n — ddu. При этом частица из кварков должна удовлетворять законам, действующим в микромире. Вокруг гипотезы о существовании кварков возникла острая дискуссия:

• 1) какие силы удерживали кварки в адронах (мезоны, нуклоны и некоторые другие)?
• 2) не являются ли они уже известными силами?
• 3) не существуют ли еще более глубокие частицы, которые обеспечивают взаимодействие между кварками?
• 4) не являются лептоны, претендующие на самые элементарные частицы, производными от каких-то еще более глубоких частиц, на уровне вакуума?
• 5) какое из энергетических состояний вакуума представляют кварки? На роль частиц, связывающих кварки внутри адронов, были предложены глюоны. По мнению ряда физиков, глюоны, подобно фотонам в электромагнитном поле атома, связывают кварки внутри адронов, но сила глюонного взаимодействия принципиально отличается от известных сил взаимодействия: глюонные силы увеличиваются к границам адронов и ослабляют свое действие к центру адронов. В связи с этим часто говорят о кварковой тюрьме: чем ближе к центру энергии-массы адрона, тем ярче проявляются физические черты и индивидуальности, присутствующих в адроне кварков, и наоборот, чем ближе к границам адрона, тем расплывчатее становится индивидуальность кварков, они становятся неразличимыми. Этим обстоятельством многие физики объясняют невозможность выделить кварки непосредственным образом как электроны, фотоны и другие обнаруженные частицы. Для их обнаружения необходима огромная энергия, которая позволила бы разрушить глюонные силы. Если глюоны, как переносчики связи между кварками, существуют, то в соответствии с принципом зарядовой симметрии должны быть антиглюоны и нейтральные глюоны.

В конце ХХ в. пакистанский физик А. Салам и английский физик Д. Пати выдвинули «крамольную» идею о том, что и лептоны, которых шесть, не являются в буквальном смысле истинно-элементарными, а являются всего лишь четвертым цветным состоянием кварков. Главная идея этой теории выглядит достаточно правдоподобной. Любую частицу (как корпускулу или волну) нельзя отделить от энергетической, структурной среды, в которой она возникает. Поэтому каждая частица возникает как своеобразный центр концентрации энергии на общем фоне среды своего существования. Теория Салама — Пати предполагает, что каждый лептон является концентрацией частиц еще более глубокого уровня, передающего взаимодействие на уровне физического вакуума.

На роль этих частиц могут претендовать хиггсоны, названные в честь английского физика П. Хиггсона, который является одним из первых среди физиков, заинтересовавшихся состоянием самого глубокого вакуума. В вакууме Хиггсона фундаментальными частицами самого первого поколения являются хиггсоны.

Для объяснения природы вещества, физических полей, излучения и вакуума используется в настоящее время систематизация частиц на основе значения их изотопического спина.

К первой группе относят частицы с полуцелым спином. Их назвали фермичастицами в честь выдающегося итальянского физика Э. Ферми (1901 — 1954). К ним относят кварки, из которых состоят частицы, участвующие в сильном взаимодействии (адроны), а также лептоны, которые нельзя собрать из кварков.

Ферми-частицы образуют вещество, состоящее из атомов.

Ко второй группе относят частицы с целым значением их спина. Это кванты полей, соответствующие известным физическим силам. Так квант электромагнитного поля привязывает электрон к ядру атома. К этой группе относят бозоны. Они названы в честь известного индийского физика Ш. Бозе (1894—1974). Бозоны представляют собой физическое поле сильного и слабого взаимодействий внутри ядра атома. Глюоны — это кванты глюонного поля, «склеивающего» кварки в адроны. Сложнее обстоит дело с представителями гравитации и квантового вакуума как исходного физического состояния в эволюции Вселенной: фотон и глюон — это лишенные массы покоя частицы, следовательно, должен быть гравитон как квант поля тяготения, а также кванты исходного вакуума, на которые претендуют хиггсоны и бозе-частицы со спином, равным нулю. Некоторые авторы утверждают, что если гравитон — лишенная массы покоя частица, то соответствующий ему фермионный партнер гравитино должен весить в 100 раз больше протона. Если гравитино обнаружат, то это будет доказательством правильности идеи суперсимметрии, лежащей в основе современного представления о строении материального мира.

В конце прошлого столетия рассматривались теории, в которых частицы понимались, грубо говоря, не как точки, а как протяженные структуры, струны. Отсюда происходит название этих теорий — «струнные теории». В этих теориях сложным образом происходит соединение математики и физики.

Проблема единого физического поля. Современная квантовая теория связывает возникновение атомов и известных сил физического взаимодействия с неким физическим состоянием в эволюции Вселенной, когда не было различия между физическими полями и силами.

Для уточнения этого состояния часто используются так называемые планковские масштабы (расстояние, время, плотность, температура, масса и объем) в качестве самого минимального процесса осуществления кванта-энергии в природе (эра Планка). Для уточнения эры Планка предполагается, что такие физические постоянные, как скорость света, постоянная Планка и гравитационная постоянная, не меняли своего значения со временем. Объем Планка примерно равен длине Планка в кубе, т. е. 10−99 см3. Площадь кванта пространства примерно равна длине Планка в квадрате, т. е. 10−66 см2. Планковские величины (длина, время, масса, плотность) позволяют вычислить температуру Планка, соответствующую величинам Планка. Эта температура равна 1032К. Масштабы Планка соответствуют параметрам, состоянию Вселенной 12 млрд лет тому назад по одной из моделей эволюции Вселенной, о чем речь пойдет в следующей теме.

По мнению некоторых ученых, об объединении всех сил взаимодействия можно говорить в следующих масштабах:

• 1. На расстоянии 10−16 см и энергетическом уровне в 100 ГэВ (100 млрд эВ) идет объединение электромагнитного и слабого взаимодействия. Это было экспериментально доказано.
• 2. На расстоянии 10−29 см и энергетическом уровне в 1015 ГэВ достигается объединение трех видов взаимодействия (сильного, слабого и электромагнитного). Это состояние называют Великим объединением.
• 3. На расстоянии 10−33 см и энергетическом уровне в 1019 ГэВ можно говорить о состоянии Вселенной, когда все силы взаимодействия, включая гравитацию, и глюонные силы не были дифференцированы. Этот уровень соответствует хиггсонам, представляющим физический вакуум, и называется суперобъединением.

Сегодня техника позволяет достигать температуры нескольких миллионов градусов (например, лазеры) и энергии приблизительно 2· 104 ГэВ.

Таблица 1. Таблица единиц величин размеров

Некоторые понятия, которые используются для объяснения вопросов о строении вещества. Формула Е = тс2 позволяет выразить массу в единицах измерения энергии и скорости света: т = Е/с2. Энергия измеряется в джоулях, эргах и электрон-вольтах (эВ). 1 эВ — это энергия, которую приобретает электрон в электрическом поле, созданном разностью потенциалов в 1 вольт. Один эрг (1эрг) равен 10−7 Дж. Один джоуль (1 Дж) равен приблизительно 6,24 · 1018 эВ.

Формула Больцмана Е= kК (k — постоянная Больцмана, равная 1,38 · 10−23 Дж/К, К — температура тела по шкале Кельвина) позволяет выразить температуру через энергию.

В настоящее время имеется теория петлевой гравитации. В ней согласуются принципы теории относительности и квантовой механики (величины Планка). Согласно этой теории пространство и время, воспринимаемые нами как непрерывные, на самом деле состоят из дискретных частиц пространства и времени.