Концепції сучасного природознавства лекція 12

Поняття «мікросвіт» охоплює фундаментальні і елементарні частинки, ядра, атоми і молекули. Макросвіт представлений макромолекулами, речовинами в різних агрегатних станах, живими організмами, починаючи з елементарне одиницею живого - клітини, людиною і продуктами його діяльності, тобто макротела. Найбільш великі об'єкти (планети, зірки, галактики і їх скупчення утворюють мегамир. Важливо усвідомлювати, що жорстких кордонів між цими світами немає, а мова йде лише про різні рівні розгляду матерії.

2. Елементарні частинки, фундаментальні частинки і частинки - переносники фундаментальних взаємодій

Елементарні частинки - це частинки, що входять до складу перш «неподільного» атома. До них відносять також і ті частинки, які отримують за допомогою потужних прискорювачів частинок. Є елементарні частинки, які виникають при проходженні через атмосферу космічних променів, вони існують мільйонні частки секунди, потім розпадаються, перетворюються в інші елементарні частинки або випускають енергію в формі випромінювання. До найбільш відомих елементарних частинок відносяться електрон, фотон, пі-мезон, мюон, нейтрино. У строгому сенсі слова елементарні частинки не повинні містити в собі будь-які інші частинки. Однак далеко не всі з найбільш відомих елементарних частинок задовольняють цій вимозі. Було виявлено, що елементарні частинки можуть взаємно перетворюватися, тобто не є «останніми цеглинками» світобудови. В даний час вже відомі сотні елементарних частинок, хоча відповідно до теорії їх число не повинно бути особливо великим. Новітні дослідження, зокрема, підтверджують висунуту раніше гіпотезу про існування ще «більш елементарних» частинок - кварків.

Фундаментальні частинки. Виявилося, таким чином, що дати визначення елементарної частинки не так просто. У звичайному вживанні фізики називають елементарними такі частинки, які не є атомами і атомними ядрами, за винятком протона і нейтрона. Після встановлення складної структури багатьох елементарних частинок потрібно ввести нове поняття - фундаментальні частинки, під якими понімаютсямікрочастіци, внутрішню структуру якої не можна уявити у вигляді об'єднання інших вільної частинок.

У всіх взаємодіях елементарні частинки поводяться як єдине ціле. Характеристиками елементарних частинок є, крім маси спокою, електричного заряду, спина, також такі специфічні характеристики (квантові числа), як баріонів заряд, лептонний заряд, гіперзаряд, дивина і т.п. Існує кілька груп елементарних частинок, що розрізняються за своїми властивостями і характером взаємодії. Прийнято ділити їх на два великі класи (див. Рис.1).

Ферміони (в честь Е. Фермі) складають речовина, бозони (в честь Шатьендраната Бозе) переносять взаємодію. Кварки входять в составадронов (<греч. сильный).Лептоны (<греч. легкий) могут иметь электрический заряд, могут быть нейтральными. Заряженные лептоны могут, как и электроны (относящиеся к их числу) вращаться вокруг ядер, образуя атомы. Лептоны, не имеющие заряда могут проходить беспрепятственно через вещество (хоть через всю Землю) не взаимодействуя с ним. У каждой частицы есть античастица, отличающаяся только зарядом.

Між частинками існує чотири типи взаємодії, кожне з яких переноситься своїм типом бозонів. Фотон, або квант світла переносить електромагнітне взаємодія. Глюони здійснюють перенесення сильних ядерних взаємодій, що зв'язують кварки. Векторні бозони переносять слабкі взаємодії, відповідальні за деякі розпади частинок.

Теорія великого об'єднання. Відповідно до сучасних уявлень, при дуже високих температурах (і, відповідно, енергіях) всі чотири взаємодії об'єднуються в одне. Так, при енергії 100 ГеВ об'єднуються електромагнітне і слабке взаємодії. Така енергія відповідає температурі Всесвіту через 10 -10 с після Великого Вибуху. Це відкриття, зроблене в ЦЕРНі, дозволяє припустити, що при енергії близько 10 15 ГеВ відбудеться об'єднання електромагнітного, слабкого і сильного взаємодій, а при 10 19 ГеВ до них приєднається і гравітаційне. Ці теорії називаються Теоріями Великого Об'єднання (ТВО).

Проблема елементарних частинок пов'язана з самими основами природничо-наукової картини світу, і вивчається вона в деякому відриві від інших областей фізики. Тут особливо цікаво те, що відповіді на багато питань, пов'язаних з елементарними частинками шукаються в сучасній космології, в моделях первинного нуклеосинтеза, тобто ядерного синтезу в перші миті після Великого Вибуху - гіпотетичного Почала Всесвіту. Саме в цей період, як вважається були породжені елементарні частинки. Справа ще й у тому, що прискорювачів, на яких можна було б отримати енергії, відповідні енергій об'єднання трьох і чотирьох взаємодій поки не передбачається, тому і звертаються до Всесвіту, щоб знайти в ній можливі обмеження для величезного числа елементарних частинок. Таким чином, в останні 30 років між фізикою елементарних частинок і космологією існує тісний зв'язок. Сукупність астрофізичних даних можна розглядати як «експериментальний матеріал», накопичений в результаті роботи Всесвіту як гігантського прискорювача частинок.