Уже давно в школьные учебники вошли утверждения, что вещество состоит из молекул, молекулы - из атомов, которые представляют собой планетарные системы, где электроны по определенным орбитам вращаются вокруг ядер. Сами ядра состоят из элементарных частиц: протонов и нейтронов.
Помимо электронов, протонов и нейтронов, из которых построено окружающее нас вещество, были открыты другие элементарные частицы и их античастицы. Их число и разнообразие велики, их больше, чем элементов и даже изотопов в Периодической таблице Менделеева. Напомним, что античастицы обладают той же массой, что и частицы, но с противоположными свойствами или, лучше сказать, противоположными квантовыми числами.
Так вот обилие элементарных частиц и наблюдающиеся симметрии в их свойствах позволили сначала предположить, а затем обнаружить в экспериментах, что большинство элементарных частиц вовсе не элементарны, а состоят из более простых объектов: кварков и антикварков. Кварков всего шесть сортов, правда, в каждом сорте по три кварка, которые отличаются новым квантовым числом, названным цветом. Элементарные частицы бывают только белые, то есть содержат либо пару кварк-антикварк, либо белую комбинацию из трех кварков основных цветов (отсюда условное название цвет).
Вещество не устроено как матрешка, не повторяет предыдущий уровень на следующем микроуровне. Каждый уровень полон своего многообразия (своей отрасли или отраслей знания, своей практической ценности), обнаруживает принципиальные мировоззренчески новые свойства. Несколько пояснений. На уровне молекул и атомов появилось понятие "валентность"; на уровне ядер - понятие дефекта массы, которое позволило рассматривать легкие (даже без массы) объекты построенными из более тяжелых частиц. Дефект масс для ядер сказывается в том, что масса ядер меньше массы нуклонов (нейтронов и протонов) в ядрах, что обусловливает их связь,  , где  - энергия связи нуклонов в ядре. На уровне элементарных частиц утвердилось понятие виртуальной частицы, то есть частицы, существующей очень короткое время  и отлетающей от испускающей ее частицы на расстояние h / p, где m и p - масса и импульс виртуальных частиц. Понятие виртуальной частицы нетривиально. Есть вопрос о правомерности применения к ней слова "существующей". Может быть, это лишь след математического описания? Представление о виртуальной частице как реальности противоречит законам сохранения энергии и импульса. К примеру, когда говорят, что нуклон окружен "шубой" пионов или нуклоны взаимодействуют, обмениваясь пионами, говорят о виртуальных пионах. Существуют ли они? Современный ответ: да. Но на малые времена и на малых расстояниях. Закон сохранения энергии и импульса нарушается на то же короткое время и на тех малых расстояниях, которые были оценены выше.
Виртуальные частицы могут реализоваться, если передать им энергию так, чтобы их образование не противоречило закону сохранения импульса и энергии. Осознание этой возможности приводит к ярким картинам, например движущееся тело с энергией, соответствующей нескольким ГэВ/нуклон, "выворачивает" из вакуума вдоль своей траектории куски вещества и антивещества. Уже сегодня быстрые протоны образуют пары дейтрон-антидейтрон, гелий-антигелий. Сам вакуум непрерывно кипит, порождая самые разнообразные виртуальные частицы.
На уровне кварков мы встретились с новым, неожиданным и пока до конца непонятым явлением - конфайментом, невылетанием кварков. Кварки, частицы с дробным электрическим и барионным зарядами и новым квантовым числом - цветом, не могут быть в свободном состоянии, они замкнуты в области порядка размера элементарных частиц. Сила взаимодействия между кварками, обусловленная обменом так называемыми глюонами, растет с расстоянием, как сила в растянутой пружине, что связано с тем, что глюон также имеет цветной заряд. В ряде моделей считается, что кварки "живут" в пузырьках в вакууме и удерживаются поверхностным давлением этих пузырьков.
Уже создана теория, так называемая квантовая хромодинамика, которая описывает поведение кварковых систем в вакууме. Квантовохромодинамические расчеты на качественном уровне, а для некоторых случаев (например, водородоподобных систем из двух тяжелых кварков) на точном количественном уровне описывают экспериментальные данные.
Понятия о кварках и их свойствах, конечно, непросты и непривычны. Это мировоззренческое достижение современной физики, и потому оно с неизбежностью должно войти в школьные учебники.
Вперед
Написать комментарий
|
