Все многообразие элементарных частиц можно разделить на три группы: частицы, участвующие в сильном взаимодействии - адроны, частицы, не участвующие в сильном взаимодействии - пептоны, и частицы-— переносчики взаимодействий.
Все перечисленные частицы различаются по заряду, массе, спину, времени жизни и другим физическим характеристикам. Однако внутри одного типа элементарные частицы совершенно идентичны, лишены индивидуальности: все электроны тождественны друг другу, все фотоны тождественны друг другу и т.п.
В 1936г. П.Дирак предположил, что каждой частице соответствует античастица, отличающаяся от нее только знаком заряда. В 1936г. был открыт позитрон — античастица электрона, в 1955г. — антипротон, в 1956г. — антинейтрон. Сейчас уже не вызывает сомнения, что каждая частица имеет своего «двойника» — античастицу, совершенно идентичную по всем физическим характеристикам, кроме заряда. В 70-80-е гг. XX века в физике появилось множество теорий антивещества и антиматерии. Наиболее сложной формой антивещества, полученной в лабораторных условиях, являются антиядра трития, гелия. Эксперименты по получению антивещества были выполнены на серпуховском ускорителе в 1970-1974 гг. В 1998г. получены первые атомы антиводорода.
К середине 60-х гг. XX в. число известных адронов превысило сотню. В связи с этим возникла гипотеза, согласно которой наблюдаемые частицы не отражают предельный уровень материи. В 1964г. была создана теория строения адронов, или теория кварков. Ее авторы - физики М.Гелл-Манн и Д.Цвейг. Слово «кварк» позаимствовано М.Гелл-Маном из романа Дж.Джойса «Поминки по Финнегану», герою которого слышались слова о трех кварках. Слово «кварк» не имеет прямого смыслового значения. Кварки — это гипотетические материальные объекты, их экспериментальное наблюдение пока невозможно, однако теоретические положения кварковой гипотезы оказались плодотворными, а теория в целом эвристичной. Кварковая теория позволила систематизировать известные частицы и предсказать существование новых.
Основные положения теории кварков заключаются в следующем. Адроны состоят из более мелких частиц - кварков. Кварки представляют собой истинно элементарные частицы и поэтому бесструктурны. Главная особенность кварков - дробный заряд. Кварки различаются спином, ароматом и цветом. Аромат кварка не имеет никакого отношения к аромату, понимаемому буквально (аромат цветов, духов и т.п.), это его особая физическая характеристика. Для того чтобы учесть все известные адроны, необходимо было предположить существование шести видов кварков, различающихся ароматом: u (uр - верхний), d(down- нижний), s (strange- странный), с (сharm- очарование), b (beauty- прелесть) и t (tор - верхний). Существует устойчивое мнение, что кварков не должно быть больше.
Считается, что каждый кварк имеет один из трех возможных цветов, которые выбраны произвольно: красный, зеленый, синий. Понятно, что цвет кварка не имеет никакого отношения к обычному оптическому цвету в макромире, цвет кварка, как и аромат, - условное название для определенной физической характеристики. Гипотеза о существовании цвета у кварков впервые была высказана в 1965г. независимо Н.Боголюбовым, Б.Струминским, А.Тавхелидзе и М.Ханом, И.Намбу. Впоследствии она получила значительное число экспериментальных подтверждений.
Каждому кварку соответствует антикварк с противоположным цветом (антикрасный, антизеленый и антисиний). Кварки соединяются тройками, образуя барионы (нейтрон, протон), или парами, образуя мезоны. Антикварки, соединяясь тройками, соответственно, образуют антибарионы. Мезон состоит из кварка и антикварка. Суммарный цвет объединившихся кварков или антикварков, независимо от того, объединены три кварка (барионы), три антикварка (антибарионы) или кварк и антикварк (мезоны), должен быть белым или бесцветным. Белый цвет дает сумма красного, зеленого, синего или красного - антикрасного, синего - антисинего и т.п.
Таким образом, можно говорить о цветовой симметрии в микромире. Кварки объединяются между собой благодаря сильному взаимодействию. Переносчиками сильного взаимодействия выступают глюоны, которые как бы «склеивают» кварки между собой. Глюоны также имеют цвета, но в отличие от кварков их цвета смешанные, например красный— антисиний и т.п., т.е. глюон. состоит из цвета и антицвета. Испускание или поглощение глюона меняет цвет кварка, но сохраняет аромат.
Известно восемь типов глюонов. Предполагается, что кварки участвуют также в электромагнитных и слабых взаимодействиях. В электромагнитном взаимодействии кварки не меняют свой цвет и аромат. В слабых взаимодействиях - меняют аромат, но сохраняют цвет. Теория кварков позволяет предложить стройную и гармоничную модель строения атома. Согласно этой модели атом состоит из тяжелого ядра (протоны и нейтроны, связанные глюонными полями) и электронной оболочки. Сейчас теория кварков продолжает развиваться и уточняться, поэтому ее нельзя считать окончательно сформированной.
5. Фундаментальные физические взаимодействия
Способность к взаимодействию - важнейшее и неотъемлемое свойство материи. Именно взаимодействия обеспечивают объединение различных материальных объектов мега-, макро- и микромира в системы. Все известные современной науке силы сводятся к четырем типам взаимодействий, которые называются фундаментальными: гравитационное, электромагнитное, слабое и сильное.
Гравитационное взаимодействие впервые стало объектом изучения физики в XVIIвеке. Теория гравитации И.Ньютона, основу которой составляет закон всемирного тяготения, стала одной из составляющих классической механики. Закон всемирного тяготения гласит: между двумя телами существует сила притяжения, прямо пропорциональная произведению их масс и обратно пропорциональная квадрату расстояния между ними. Любая материальная частица является источником гравитационного воздействия и испытывает его на себе. По мере увеличения массы гравитационные взаимодействия возрастают, т.е. чем больше масса взаимодействующих веществ, тем сильнее действуют гравитационные силы. Силы гравитации - это силы притяжения.
В последнее время физики высказывают предположение о существовании гравитационного отталкивания, которое действовало в самые первые мгновения существования Вселенной, однако эта идея пока не подтверждена. Гравитационное взаимодействие - наиболее слабое из ныне известных. Гравитационная сила действует на очень больших расстояниях, ее интенсивность с увеличением расстояния убывает, но не исчезает полностью. Считается, что переносчиком гравитационного взаимодействия является гипотетическая частица гравитон. В микромире гравитационное взаимодействие не играет существенной роли, однако в макро- и особенно мегапроцессах ему принадлежит ведущая роль.
Электромагнитное взаимодействие стало предметом изучения в физике XIX в. Первой единой теорией электромагнитного поля выступила концепция Дж.Максвелла. В отличие от гравитационной силы электромагнитные взаимодействия существуют только между заряженными частицами: электрическое поле - между двумя покоящимися заряженными частицами, маг
нитное - между двумя движущимися заряженными частицами. Электромагнитные силы могут быть как силами притяжения, так и силами отталкивания. Одноименно заряженные частицы отталкиваются, разноименно притягиваются. Переносчиками этого типа взаимодействия являются фотоны. Электромагнитное взаимодействие проявляется в микро-, макро- и мегамире.
В середине XX в. была создана квантовая электродинамика — теория электромагнитного взаимодействия, которая удовлетворяла основным принципам квантовой теории и теории относительности. В 1965г. ее авторы С.Томанага, Р.Фейнман и Дж.Швингер были удостоены Нобелевской премии. Квантовая электродинамика описывает взаимодействие заряженных частиц — электронов и позитронов.
Слабое взаимодействие было открыто только в XX в., в 60-е гг. построена общая теория слабого взаимодействия. Слабое взаимодействие связано с распадом частиц, поэтому его открытие последовало только вслед за открытием радиоактивности. При наблюдении радиоактивного распада частиц обнаружились явления, которые, казалось бы, противоречили закону сохранения энергии. Дело в том, что в процессе распада часть энергии «исчезала». Физик В.Паули предположил, что в процессе радиоактивного распада вещества вместе с электроном выделяется частица, обладающая высокой проникающей способностью. Позже эта частица была названа «нейтрино». Оказалось, что в результате слабых взаимодействий нейтроны, входящие в состав атомного ядра, распадаются на три типа частиц: положительно заряженные протоны, отрицательно заряженные электроны и нейтральные нейтрино. Слабое взаимодействие значительно меньше электромагнитного, но больше гравитационного, и в отличие от них распространяется на небольших расстояниях — не более 10-22 см. Именно поэтому долгое время слабое взаимодействие экспериментально не наблюдалось. Переносчиками слабого взаимодействия являются бозоны.
В 70-е гг. XXв. была создана общая теория электромагнитного и слабого взаимодействия, получившая название теории электрослабого взаимодействия. Ее создатели С.Вайнберг, А.Салам и С.Глэшоу в 1979г. получили Нобелевскую премию. Теория электрослабого взаимодействия рассматривает два типа фундаментальных взаимодействий как проявления единого, более глубокого. Так, на расстояниях более 10-17 см преобладает электромагнитный аспект явлений, на меньших расстояниях в одинаковой степени важны и электромагнитный, и слабый аспекты. Создание рассматриваемой теории означало, что объединенные в классической физике XIX веке, в рамках теории Фарадея—Максвелла электричество, магнетизм и свет, в последней трети XX в. дополнились феноменом слабого взаимодействия.