|
ВВЕДЕНИЕ
Во второй половине XX в. физики, занятые изучением фундаментальной структуры материи, получили поистине удивительные результаты. Было открыто множество новых субатомных частиц. Их обычно называют элементарными частицами, но далеко не все из них действительно элементарны. Многие из них в свою очередь состоят из еще более элементарных частиц.
Новые частицы обычно открывают в реакциях рассеяния уже известных частиц. Для этого сталкивают частицы с как можно большими энергиями, а затем исследуют продукты их взаимодействия и фрагменты, на которые распались образовавшиеся частицы. До 50-х гг. основным источником первичных частиц были космические лучи, а в наше время ускорители, создающие интенсивные пучки частиц с высокими энер¬гиями.
Мир субатомных частиц поистине многообразен. Среди них и «кирпичики», из которых построено вещество: составляющие атомные ядра протоны и нейтроны, а также электроны, обращающиеся вокруг ядер. Но есть и такие частицы, которые в окружающем нас веществе практически не встречаются — резонансы. Время их жизни — мельчайшие доли секунды. По истечении этого чрезвычайно короткого вре¬мени они распадаются на обычные частицы. Таких нестабильных короткоживущих частиц поразительно много: их известно уже свыше трех сотен.
¦ В 50—70-е гг. физики были совершенно сбиты с толку многочисленностью, разно¬образием и необычностью вновь открытых субатомных частиц. Если в конце 40-х гг. было известно 15 элементарных частиц, то в конце 70-х гг. уже около четырехсот. Совершенно непонятно, для чего столько частиц. Являются ли элементарные частицы хаотическими и случайными осколками материи или, возможно, за взаимодействиями этих частиц скрывается некоторый порядок, указывающий на существование фунда¬ментальной структуры субъядерного мира? Развитие физики в последующие десятиле¬тия показало, что в существовании такой структуры нет никаких сомнений. Миру субатомных частиц присущи объективные закономерности и глубокий структурный порядок. В основе этого порядка — фундаментальные физические взаимодействия.
1. Фундаментальные взаимодействия
В свой повседневной жизни человек сталкивается с множеством сил, действующих на тела: сила ветра или потока воды; давление воздуха; мощный выброс взрывающихся химических веществ; мускульная сила человека; вес предметов; давление квантов света; притяжение и отталкивание электрических зарядов; сейсмические волны, вызы¬вающие подчас катастрофические разрушения; вулканические извер¬жения, приводившие к гибели цивилизаций; и т.д. Одни силы дейст¬вуют непосредственно при контакте с телом, другие, например гра¬витация, действуют на расстоянии, через пространство.
В настоящее время известны четыре типа взаимодействий: гра¬витационные, слабые, электромагнитные и сильные. Физике XVII—XVIII вв. были известны только гравитационные взаимодей¬ствия. Было найдено, что гравитационные силы прямо пропорцио¬нальны произведению масс и обратно пропорциональны квадрату расстояния между массами.
1.1 Гравитационные взаимодействия.
Мы постоянно ощущаем гравитацию в на¬шей жизни. Гравитация (лат gravifas "тяжесть"), или тяготение, не очень существенна при взаимодействии между малыми частицами, но она удерживает планеты, всю Солнечную систему и галактики. По закону всемирного тяготения (открытого Ньютоном), описываю¬щему это взаимодействие в хорошем приближении, две точечные массы притягивают друг друга с силой, направленной вдоль соеди¬няющей их прямой:
Fгр= - Gm1*m2/r2
Знак минус указывает, что мы имеем дело с притяжением, r — расстояние между телами (считается, что размер тел много меньше г), m1 и m2 — массы тел. Величина G — универсальная постоянная, определяющая величину гравитационных сил. Если тела массами в 1 кг находятся на расстоянии 1 м друг от друга, то сила притяжения между ними равна 6,67-1011 Н. Если бы величина G была больше, то увеличилась бы и сила. Утверждение об универсальности постоян¬ной G означает, что в любом месте Вселенной и в любой момент времени сила притяжения между массами в 1 кг, разделенными рас¬стоянием в 1 м, будет иметь то же значение. Поэтому можно гово¬рить об универсальности постоянной G и о том, что она определяет структуру гравитирующих систем.
Наиболее удивительной осо¬бенностью гравитации является ее малая интенсивность. Гравитаци¬онное взаимодействие в 1039 раз меньше силы взаимодействия элект¬рических зарядов. Как может такое слабое взаимодействие оказаться господствующей силой во Вселенной?
Все дело во второй удивительной черте гравитации — ее универ¬сальности. Ничто во Вселенной не может избежать гравитации. Каж¬дая частица испытывает на себе действие гравитации и сама является источником гравитации, вызывает гравитационное притяжение. Гравитация возрастает по мере образования все больших скоплений вещества. И хотя притяжение одного атома пренебрежимо мало, но результирующая сила притяжения со стороны всех атомов может быть значительной. Это проявляется и в повседневной жизни: мы ощущаем гравитацию потому, что все атомы Земли сообща притяги¬вают нас. Зато в микромире роль гравитации ничтожна. Никакие квантовые эффекты в гравитации пока не доступны наблюдению.
Кроме того, гравитация — дальнодействующая сила природы. Это означает, что, хотя интенсивность гравитационного взаимодейст¬вия убывает с расстоянием, оно распространяется в пространстве и может сказываться на весьма удаленных от источника телах. В астро¬номическом масштабе гравитационное взаимодействие, как прави¬ло, играет главную роль. Благодаря дальнодействию гравитация не позволяет Вселенной развалиться на части: она удерживает планеты на орбитах, звезды в галактиках, галактики в скоплениях, скопления к Метагалактике.
Сила гравитации, действующая между частицами, всегда пред¬ставляет собой силу притяжения: она стремится сблизить частицы. Гравитационное отталкивание еще никогда не наблюдалось
1.2 Электромагнитные взаимодействия
Обратимся теперь к электромагнитному взаимодействию. И элек¬трические, и магнитные силы обусловлен
|
На уровень вверх
Купить