Мир вокруг нас

Свойства различных видов элементарных частиц, мы будем далее рассматривать уже в рамках постнеклассических представлений, где оказывается возможным сразу же объяснять их.

Но об этом — чуть позже, пока же продолжаем речь о (неклассической) теории элементарных частиц:

Элементарность элементарных частиц

До сих пор, ни одну элементарную частицу (ни простую, ни сложную), никакими силами и методами — не удалось раздробить на более мелкие, более фундаментальные частицы.

Реакции распада нестабильных частиц — это вовсе не раздробление, а всего лишь примеры взаимопревращений элементарных частиц.

Сложные элементарные частицы (протоны, мезоны и т. п., состоящие из кварков) нельзя раздробить уже потому, что напряжённость глюонного поля, скрепляющего кварки — растёт с увеличением расстояний между кварками (это — единственное достаточно непротиворечивое объяснение, на неклассическом этапе, нераздробимости сложных элементарных частиц). Поэтому последние, хоть и состоят из кварков, всё равно являются элементарными (неделимыми) частицами, хотя их также интерпретируют как составные частицы, а истинно элементарными частицами — как уже говорилось, считают кварки, хотя последние и не существуют в свободном состоянии.

Нераздробимость — свойственна, естественно, и всем простым элементарным частицам: электронам, нейтрино, мюонам, кваркам и т. п.

В общем, все элементарные частицы, пока — оказываются неделимы, и выглядят по-настоящему элементарными, подобно неделимым древнегреческим атомам (при этом, радикально отличаясь от последних разнообразными странными общими свойствами — отсутствием формы, размеров, бесплотностью, наличием внутренней структуры из кварков, и т. п.).

Удастся ли учёным когда-нибудь раздробить элементарные частицы на ещё более мелкие частицы? Ответ на этот вопрос — уже существует, но уже в рамках постнеклассических представлений. На неклассическом же этапе, мнения — разделяются. Но факт остаётся: до настоящего момента, не удалось раздробить элементарные частицы на более мелкие составляющие.

Реакции элементарных частиц

Реакции с участием элементарных частиц — это реакции взаимопревращений частиц, когда элементарные частицы одного вида переходят в частицы другого вида, а также реакции с испусканием (рождением) или поглощением элементарных частиц.

При рождении элементарных частиц, например, из энергии столкновения в ускорителе — существует закономерность: элементарные частицы рождаются всегда парами — частица и античастица (исключение составляют некоторые нейтральные мезоны, фотон, и т. п. частицы, являющиеся античастицами по отношению к самим себе). Например, электрон — рождается всегда в паре с позитроном, а протон — в паре с антипротоном. Т. о. должно сохраняться равное соотношение частиц вещества и антивещества, что описывается (но в целом, не объясняется) сохранением различных квантовых чисел (электрического заряда (заряд частицы и античастицы — в сумме равен нулю), барионного и лептонного чисел, «странности» и т. п.). В общем, в этих реакциях — сохраняются различные симметрии квантовых чисел (хотя известны и нарушения симметрий, например, несохранение некоторых квантовых чисел в реакциях, обусловленных слабым взаимодействием).

Несмотря на неизменное рождение пар частица-античастица, из наблюдений известно, что окружающий Мир — построен из вещества, а не из антивещества или равного соотношения вещества и антивещества. На неклассическом этапе, на вопрос о причине этого — нет удовлетворительного (окончательного) ответа (хотя нарушение симметрии между веществом и антивеществом, включающее нарушение симметрии (= несохранение) соответствующих квантовых чисел (барионного и лептонного), представляется как произошедшее на определённом этапе Большого Взрыва, но природа этого нарушения — пока остаётся в рамках гипотез).

Поколения элементарных частиц

Удивительной и непредвиденной наблюдательной находкой для учёных, стало существование т. н. поколений элементарных частиц: оказалось, что практически каждой (простой) элементарной частице — соответствует её более тяжёлый аналог: например, электрону — соответствует частица мюон, по всем свойствам аналогичная электрону, но в 206,8 раз тяжелее электрона, а также частица тау-лептон (таон), который тяжелее электрона в 3 477 раз. Иными словами, мюон — это тяжёлый электрон, а таон — ещё более тяжёлый электрон. Точно так же, в дополнение к лёгким d- и u-кваркам, существуют тяжёлые кварки (s- и c-кварки, и ещё более тяжёлые, b- и t-кварки), входящие в состав различных сложных элементарных частиц. (Соединения тяжёлых кварков с обычными кварками — многократно расширяют разнообразие видов сложных элементарных частиц).

Существуют и тяжёлые нейтрино (т. е. помимо обычного, т. н. электронного нейтрино, имеются мюонное и таонное нейтрино).

В общем, все простые элементарные частицы (не считая фотона, и т. п.) — имеют свои аналоги в виде частиц второго и третьего поколений. Частицы этих поколений — в целом, аналогичны соответствующим частицам первого поколения, но более массивны, и кроме того, нестабильны (за исключением нейтрино, если не учитывать явления т. н. нейтринных осцилляций (= превращений нейтрино одного сорта в другое)). Время жизни частиц второго поколения, например мюона — составляет порядка 10^–6 сек, а третьего поколения — ещё меньше, например таона — порядка 10^–13 сек, поэтому все эти частицы, в обычных условиях — практически не встречаются.

Учёные пытаются разгадать, и на неклассическом этапе это неразрешимо: зачем существуют поколения элементарных частиц, если все эти частицы аналогичны частицам первого поколения (т. е. «зачем природе дублировать саму себя»)? Макрообъекты окружающего Мира — могут быть построены только из частиц первого поколения, частицы второго и третьего поколений — выглядят т. о. излишними. Но почему эти частицы вообще возможны? В неклассической фундаментальной физике — ответа нет, и нет даже формул, которые бы описывали различия масс между поколениями элементарных частиц, например, неизвестно, почему масса мюона выше массы электрона именно в 206,8 раз, а таона — в 3 477 раз.

Тем не менее, наличие как минимум, и вероятно, не более трёх поколений элементарных частиц — остаётся научным фактом.

Есть и ещё много загадочного в элементарных частицах. Ответы на эти и другие нерешённые вопросы — появляются уже только на следующем, новом, постнеклассическом этапе развития представлений об окружающем Мире, о чём — далее:

ПОСТНЕКЛАССИЧЕСКАЯ КАРТИНА МИРА

В современности, формируются качественно новые представления об окружающем Мире, содержащие ответы на те вопросы, что не имели решения на предшествующем, неклассическом этапе. Возникает более глубокое понимание Мира, содержащее вместо описания явлений — объяснение механизмов явлений (в т. ч. строения элементарных частиц, происхождения квантовых чисел, и т. д.).

Постнеклассическая картина Мира, в сравнении с неклассическими представлениями — как увидим, оказывается наглядной и относительно простой.

Итак, приступим к рассмотрению основ постнеклассических представлений:

Природа вакуума

Сперва вспомним историю: на классическом этапе, то, что теперь называют физическим вакуумом, вначале считалось непрерывной субстанцией (веществом, подобным воздуху — непрерывным эфиром), затем — пустотой, заполняющей промежутки между атомами (и также заполненной атомарным эфиром), а потом — отсутствием пустоты из-за бесконечной делимости частиц материи.

В неклассические времена, представление об отсутствии пустоты, получило дальнейшее развитие (в т. ч. благодаря экспериментальным данным), и вакуум стал представляться совокупностью полей (и их «виртуальных» частиц), или пространством-временем, способным искривляться, и оказался обладающим энергией.