Королевство элементарных частиц. Часть I

Все мы знаем, что квантовая физика изучает мир на микромасштабе, а населяющие его частицы такие крохотные, что их не разглядеть даже в самый мощный микроскоп! Кто-то может подумать, что возня с микромиром - довольно бесполезное занятие, ведь такие малышки не могут на что-то повлиять. И если такую частичку убрать из какой-либо системы, разве изменится что-нибудь?

Обдумывая этот вопрос, мне вспоминаются ситуации, когда люди в раздраженном состоянии говорят, что от их присутствия ничего не зависит. «Уйду я из вашей команды, и ничего не изменится!», «Что толку, что я пойду на этот праздник? Вам и без меня будет неплохо!» - подобные фразы можно нередко услышать вокруг. А насколько они правдивы? Любой человек, как минимум, искривляет пространство-время и таким образом уже влияет на мир! А с частицами что? Они же не такие массивные! Какие-то не имеют массы вовсе.  Как какой-нибудь фотон может изменить мир? Знаете, крохотные еще не значит бесполезные и малозначимые. Мы, люди, по сравнению с Вселенной куда меньше, чем песчинки на пляже. И что же, мы ни на что не влияем? Один мой друг однажды сказал, что истинная власть принадлежит тем, кого не видно, о ком мало что известно.  Они-то и стоят за спинами гигантов, управляя этим миром. Такое высказывание справедливо не только для людей, но и для частиц. Да-да, они играют невероятно важную роль в нашей с вами жизни.  В свое время эти самые частички повлияли на множество процессов во время зарождения Вселенной и влияют до сих пор. В ходе их изучения мы можем понять, как эволюционировал космос и даже узнать то, каким он был (почти) в самом начале. Благодаря физике элементарных частиц активно развиваются технологии. И за такими технологиями будущее, которое уже не за горами!

Снимок траекторий в пузырьковой камере - примерно так видятся нам обитатели микромира. Источник: popmech.ru

Снимок траекторий в пузырьковой камере - примерно так видятся нам обитатели микромира. Источник: popmech.ru

Так что же из себя представляют эти крошки? И насколько велико их могущество? Какими они бывают? Для поиска ответов на эти вопросы отправимся в микромир. В нем обитают два типа фундаментальных частиц – фермионы и бозоны. Фермионы делятся на два разных государства. Одно принадлежит лептонам, другое – кваркам. У фермионов существует своя династия, состоящая из трех поколений, а также они обладают собственным спином. Спин, подобно кодексу, определяет степень свободы частицы. Или же его можно сравнить с рельсами. Где нет рельс – там трамваю не проехать. Так же и с фермионами.

В каждом поколении по две частицы. Чем фермион дальше по поколению, тем меньше его продолжительность жизни, а масса – больше. Причем к фермионам относятся не только частицы, но и античастицы. Чем же различаются жители разных государств?  Кварки имеют цветовые состояния, различные в разных поколениях, а лептоны их не имеют. Цветовые состояния не имеют ничего общего с привычным нам цветом. Цвета в квантовой физике – это виды зарядов, которыми обладают частицы, участвующие в сильном взаимодействии, о котором мы поговорим чуть позже. Они нечто наподобие зарядов в электромагнетизме, только вместо положительного и отрицательного там красный, синий и зеленый. На этом странности жителей государства кварков не заканчиваются! Помимо «цвета» у них есть еще и «аромат»! Аромат в данном случае – это характеристика для набора квантовых чисел кварка. Такими числами называются значения переменной, характеризующей состояние, в котором находится частица. Одни характеризуют движение частицы в пространстве, другие – состояние внутри частицы. Наблюдать кварки в свободном состоянии не выйдет, так как они входят в состав адронов (протонов и нейтронов). Все кварки являются заряженными частицами, а вот у лептонов - не все. У них нейтрино обладают нейтральным зарядом.

Два королевства фермионов - кварки и лептоны. Каждая династия состоит из трех поколений.

Два королевства фермионов - кварки и лептоны. Каждая династия состоит из трех поколений. © Анастасия Белых

Читая названия кварков, создается впечатление, что их изучают романтики или просто веселые ребята:
1 поколение: верхний и нижний
2 поколение: очаровательный и странный
3 поколение: истинный и красивый
Лептоны:
1 поколение: электрон и электронное нейтрино
2 поколение: мюон и мюонное нейтрино
3 поколение: тау и тау-нейтрино

Подобно государствам в нашем мире, государства фермионов тоже взаимодействуют между собой. Представим, что из одного государства в другое отправляется гонец с важным посланием. Оно может быть об открытии новых торговых путей, о начале военных действий, о совместном научном проекте и т.п. Также и с взаимодействиями. Они бывают разных типов, но все их можно подразделить на четыре основных (или, как их еще называют, фундаментальных): гравитационное, электромагнитное, сильное и слабое.

  • Гравитационное – самый слабый вид взаимодействия, осуществляемый между материальными телами. С ним мы знакомимся еще в школе, когда проходим законы Ньютона. Также он рассматривается в общей теории относительности Альберта Эйнштейна. В гравитационном взаимодействии участвуют любые частицы.
  • Электромагнитное – взаимодействие между заряженными частицами при помощи электромагнитного поля. Описывается законом Кулона.
  • Сильное – взаимодействие, в котором участвую кварки или адроны, состоящие из кварков. Сильное взаимодействие удерживает частицы внутри атома. Связывает между собой кварки, образуя нуклоны. Оно же связывает нуклоны между собой.
  • Слабое – взаимодействие, возникающее при распаде элементарных частиц и бета-распаде. Непосредственно связано с понятием радиоактивности.
Четыре фундаментальных взаимодействия. Источник: blog.byjus.com

Четыре фундаментальных взаимодействия. Источник: blog.byjus.com

Но кто же выступает в роли тех самых гонцов - переносчиков взаимодействий? Об этом мы расскажем в следующей части, где вы познакомитесь с переносчиками взаимодействий, различными подходами к теории гравитации и теории всего, а также немного пофилософствуете! До встречи через неделю!

Анастасия Белых, специально для MakeItQuantum

Комментарии: