Մահացել է Լև Բորիսովիչ Օկունը։ Մասնիկների ֆիզիկա Հարաբերականության տեսության գրականության մեջ սովորաբար օգտագործվում է նշումը

(7. VII. 1929-23.XI.2015)- խորհրդային և ռուս տեսական ֆիզիկոս, ակ. ՌԱՍ (1990, թղթակից անդամ 1966)։ Կալուգայի մարզի Սուխինիչիում Ռ. Ավարտել է Մոսկվայի ինժեներական ֆիզիկայի ինստիտուտը (1953)։ 1954 թվականից աշխատում է Տեսական եւ փորձարարական ֆիզիկայի ինստիտուտում (տեսական լաբորատորիայի վարիչ)։ 1967 թվականից պրոֆ. MEPhI.

Աշխատում է տարրական մասնիկների տեսության բնագավառում։ Ի.Յայի հետ միասին . Պոմերանչուկկանխատեսել է (1956) տրված իզոտոպային մուլտիպլետի մեջ ընդգրկված մասնիկների բարձր էներգիաների խաչմերուկների հավասարությունը (Օկուն–Պոմերանչուկ թեորեմ)։ Ստեղծել է «հադրոն» տերմինը (1962)։ Կանխատեսեց (1957) թույլ հադրոնային հոսանքների իզոտոպային հատկությունները, առաջարկեց հադրոնների կոմպոզիտային մոդել և կանխագուշակեց ինը պսևդոսկալար մեզոնների գոյությունը։
Բ.Լ.-ի հետ միասին: Ioffe-ը և A.P. Rudicom-ը (1957) համարել է խախտման հետևանք R-, S-և CP ինվարիանտություն:
Նույն թվականին Բ.Մ.-ի հետ միասին. Պոնտեկորվոն գնահատել է K l - և K s -մեզոնների զանգվածների տարբերությունը:
Կառուցվել է (1976) քվանտ-քրոմոդինամիկ գումարի կանոններ հմայքի քվարկներ պարունակող մասնիկների համար (Ա.Ի. Վայնշտեյնի, Մ. Բ. Վոլոշինի, Վ.Ի. Զախարովի, Վ.Ա. Նովիկովի և Մ.Ա. Շիֆմանի հետ միասին)։

Յոթանասունականների սկզբին, չորս ֆերմիոնների տեսության շրջանակներում, համատեղ աշխատանքի ընթացքում Վ.Ն. Գրիբովը, Ա.Դ. Դոլգովը և Վ.Ի. Զախարովն ուսումնասիրել է թույլ փոխազդեցությունների վարքը ասիմպտոտիկ բարձր էներգիաներում և ստեղծել էլեկտրաթույլ փոխազդեցությունների նոր չափիչ տեսություն (նկարագրված է 1981 թվականին հրատարակված «Լեպտոններ և քվարկներ» գրքում և վերահրատարակվել 1990 թվականին։ ).

90-ականներին մի շարք աշխատանքներ առաջարկեցին պարզ սխեմա՝ Z-բոզոնի քայքայման հավանականությունների էլեկտրաթույլ ճառագայթային ուղղումները հաշվի առնելու համար։ Այս սխեմայի շրջանակներում վերլուծվել են LEPI և SLC արագացուցիչներում ճշգրիտ չափումների արդյունքները (համահեղինակներ Մ. Ի. Վիսոցկի, Վ.Ա. Նովիկով, Ա.Ն. Ռոզանով):
Աշխատել է Ս.Բ.-ի հետ 1965 թ. Պիկելները և Յա.Բ. Զելդովիչը վերլուծեց մեր Տիեզերքում ռելիկտային տարրական մասնիկների (մասնավորապես՝ ազատ կոտորակային լիցքավորված քվարկների) հնարավոր կոնցենտրացիան: Ի.Յու-ի հետ աշխատանքում ՔՊ-ի պարիտետի խախտում հայտնաբերելու կապակցությամբ. Կոբզարևը և Ի.Յա. Պոմերանչուկը քննարկում էր «հայելային աշխարհը», որը կապված է մերի հետ միայն գրավիտացիոն ճանապարհով։

Աշխատելով 1974 թվականին Ի.Յու. Կոբզարևը և Յա.Բ. Զելդովիչը ուսումնասիրել է վակուումային տիրույթների էվոլյուցիան Տիեզերքում; նույն տարվա աշխատանքում Ի.Յու. Կոբզարևը և Մ.Բ. Վոլոշինը գտավ մետակայուն վակուումի քայքայման մեխանիզմ (մետակայուն վակուումի տեսություն)։

Մատեուչիի մեդալ (1988)։ Լի Փեյջի մրցանակ (ԱՄՆ, 1989)։ Կարպինսկու մրցանակ (Գերմանիա, 1990): Հումբոլդտի մրցանակ (Գերմանիա, 1993): Բրունո Պոնտեկորվոյի մրցանակ Միջուկային հետազոտությունների միացյալ ինստիտուտից (1996 թ.): L. D. Landau RAS-ի անվան ոսկե մեդալ (2002): I.Ya Pomeranchuk մրցանակ Տեսական և փորձարարական ֆիզիկայի ինստիտուտից (2008 թ.):

Էսսեներ:

1. Okun L. B. αβγ ... Z (տարրական մասնիկների ֆիզիկայի տարրական ներածություն): - Մ.: Գիտություն: Ֆիզիկական և մաթեմատիկական գրականության գլխավոր խմբագրություն, 1985.- (Գրադարան «Քվանտ». թողարկում 45.):
2. Հարաբերականության տեսությունը և Պյութագորասի թեորեմը. Քվանտ, թիվ 5, 2008, էջ 3-10

Կենսագրական նշաձողեր

MIPT-ի պրոֆեսոր: «Uspekhi Fizicheskikh Nauk», «Nuclear Physics» ամսագրերի խմբագրական խորհրդի անդամ, տեղեկատվական հրատարակությունների խմբագրական խորհրդի անդամ։ Academia Europaea-ի անդամ:

Հեղինակ է «Տարրական մասնիկների թույլ փոխազդեցությունները» և «Լեպտոններն ու քվարկները» հայտնի մենագրությունների, որոնցից երիտասարդ հետազոտողների բազմաթիվ սերունդներ ուսումնասիրել են ֆիզիկան։ Նրա ուսանողները զգալի ներդրում ունեցան մասնիկների ֆիզիկայի և դաշտի քվանտային տեսության արագ զարգացման գործում։ Նա առաջին խորհրդային գիտնականն էր, ով ընտրվեց CERN-ի գիտական ​​քաղաքականության կոմիտեի անդամ՝ մասնիկների ֆիզիկայի այս ամենամեծ լաբորատորիայի բարձրագույն խորհրդատվական մարմինը:

2013-ի հուլիսին, ի նշան բողոքի Ռուսաստանի գիտությունների ակադեմիայի (ՌԳԱ) բարեփոխման կառավարության ծրագրերի դեմ, որը արտահայտված է «Ռուսաստանի գիտությունների ակադեմիայի մասին, գիտությունների պետական ​​ակադեմիաների վերակազմակերպման և Ռուսաստանի որոշ օրենսդրական ակտերում փոփոխություններ կատարելու մասին» դաշնային օրենքի նախագծում։ Ֆեդերացիան» 305828-6, հայտարարեց առաջարկվող օրենքով ստեղծված նոր «ՌԱՆ»-ին միանալուց հրաժարվելու մասին (տես հուլիսի 1-ի ակումբ):

Գիտական ​​գործունեություն

Հիմնական աշխատանքները տարրական մասնիկների տեսության բնագավառում։

Ուժեղ փոխազդեցությունների ոլորտում 1956 թվականին ապացուցվեց Օկուն-Պոմերանչուկի թեորեմը՝ ասիմպտոտորեն բարձր էներգիաներով մեկ իզոմպլատից մասնիկների փոխազդեցության խաչաձեւ հատվածների հավասարության մասին։ Ստեղծել է «հադրոն» տերմինը (1962)։ Կանխատեսեց (1957) թույլ հադրոնային հոսանքների իզոտոպային հատկությունները, առաջարկեց հադրոնների կոմպոզիտային մոդել և կանխագուշակեց ինը պսևդոսկալար մեզոնների գոյությունը։ B. L. Ioffe-ի և A. P. Rudik-ի հետ նա ուսումնասիրել է (1957) P-, C- և CP-ինվարիանտության խախտման հետևանքը։ Նա չեզոք K-մեզոնների քայքայման առանձնահատկությունը բացատրեց CP-ի պահպանմամբ և ընդգծեց այս քայքայումներում CP խախտումների որոնման կարևորությունը: Նույն թվականին նա B. M. Pontecorvo-ի հետ միասին գնահատել է Kl և Ks մեզոնների զանգվածների տարբերությունը։

Ռելիկտային տարրական մասնիկների մնացորդային կոնցենտրացիայի վերլուծությունը գիտական ​​ներդրում էր Տիեզերքում մութ նյութի ծագման խնդրի հետագա լուծման հարցում: Վակուումային տիրույթի պատերը, որոնք հետագայում ուսումնասիրվեցին, առաջին մակրոսկոպիկ օբյեկտներն էին դաշտի քվանտային տեսության գրականության մեջ; առաջին անգամ ուսումնասիրել է կեղծ վակուումի քայքայման թեման: Կառուցվել է (1976) քվանտ-քրոմոդինամիկ գումարի կանոններ հմայքի քվարկներ պարունակող մասնիկների համար (Ա.Ի. Վայնշտեյնի, Մ. Բ. Վոլոշինի, Վ.Ի. Զախարովի, Վ.Ա. Նովիկովի և Մ.Ա. Շիֆմանի հետ միասին)։

1970-ականների սկզբին չորս ֆերմիոնների տեսության շրջանակներում Վ.Ն. Գրիբովի, Ա.Դ. Դոլգովի և Վ.Ի.Զախարովի հետ համատեղ աշխատանքի ընթացքում նա ուսումնասիրեց թույլ փոխազդեցությունների վարքը ասիմպտոտիկ բարձր էներգիաներում և ստեղծեց էլեկտրաթույլ փոխազդեցությունների նոր չափիչ տեսություն։ 1990-ականներին մի շարք աշխատանքներ առաջարկեցին պարզ սխեման՝ հաշվի առնելու Z-բոզոնի քայքայման հավանականությունների էլեկտրաթույլ ճառագայթային ուղղումները։ Այս սխեմայի շրջանակներում վերլուծվել են LEPI և SLC արագացուցիչներում ճշգրիտ չափումների արդյունքները (համահեղինակներ Մ. Ի. Վիսոցկի, Վ. Ա. Նովիկով, Ա. Ն. Ռոզանով):

Մրցանակներ, մրցանակներ, պատվավոր կոչումներ

• Բրունո Պոնտեկորվոյի մրցանակ Միջուկային հետազոտությունների միացյալ ինստիտուտից (1996 թ.)
• Ռուսաստանի գիտությունների ակադեմիայի Լ. Դ. Լանդաուի անվան ոսկե մեդալ (2002 թ.)
• Ի. Յա. Պոմերանչուկի անվան մրցանակ (2008 թ.)

Մատենագիտություն

• Օկուն Լ. Բ.Տարրական մասնիկների թույլ փոխազդեցություն. - M.: Fizmatgiz, 1963, 248 pp.
• Օկուն Լ. Բ.Լեպտոններ և քվարկներ. - Մ.: «Գիտություն»: Ֆիզիկական և մաթեմատիկական գրականության գլխավոր խմբագրություն, 1981, 304 pp.
• Օկուն Լ. Բ.Լեպտոններ և քվարկներ. - 2-րդ հրատ., վերանայված և ընդլայնված: - Մ.: «Գիտություն»: Ֆիզիկական և մաթեմատիկական գրականության գլխավոր խմբագրություն, 1990, 346 էջ, ISBN 5-02-014027-9
• Օկուն Լ. Բ.Ալֆա բետա գամմա ... Զ. Մասնիկների ֆիզիկայի տարրական ներածություն: Սերիան: Գրադարան «Քվանտ». Հատ. 45. - Մ.՝ «Գիտություն». Ֆիզիկական և մաթեմատիկական գրականության գլխավոր խմբագրություն, 1985, 112 pp.
• Օկուն Լ. Բ.Տարրական մասնիկների ֆիզիկա. - 2-րդ հրատ., վերանայված և ընդլայնված: - Մ.: «Գիտություն»: Ֆիզիկական և մաթեմատիկական գրականության գլխավոր խմբագրություն, 1988, 272 էջ, ISBN 5-02-013824-X
• Օկուն Լ. Բ.Նյութի շարժման մասին. - Մ.: «Ֆիզմատլիտ», 2012. - 228 էջ,

տպել

Լև Բորիսովիչ Օկուն

Էյնշտեյնի հարաբերությունը, որը հաստատում է մարմնի զանգվածի և դրա մեջ պարունակվող էներգիայի միջև կապը, անկասկած հարաբերականության տեսության ամենահայտնի բանաձևն է։ Այն թույլ տվեց մեզ հասկանալու մեզ շրջապատող աշխարհը նոր, ավելի խորը ձևով: Դրա գործնական հետևանքները հսկայական են և մեծ մասամբ՝ ողբերգական։ Ինչ-որ իմաստով այս բանաձեւը դարձավ 20-րդ դարի գիտության խորհրդանիշը։

Ինչո՞ւ էր պետք մեկ այլ հոդված այս հայտնի հարաբերակցության մասին, որի մասին արդեն գրվել են հազարավոր հոդվածներ և հարյուրավոր գրքեր։

Նախքան այս հարցին պատասխանելը, մտածեք այն ձևի մասին, որով, ձեր կարծիքով, առավել ադեկվատ է արտահայտված զանգվածի և էներգիայի փոխհարաբերության ֆիզիկական իմաստը: Ահա չորս բանաձևեր.

E 0 =մս 2, (1.1)

E =մս 2, (1.2)

E 0 =m 0 s 2, (1.3)

E =m 0 s 2; (1.4)

Այստեղ Հետ- լույսի արագություն, Ե- մարմնի ընդհանուր էներգիան, մ- դրա զանգվածը, E 0- հանգստի էներգիա, մ 0- նույն մարմնի հանգստի զանգվածը. Խնդրում ենք գրել այս բանաձևերի թվերն այն հաջորդականությամբ, որով դրանք ավելի «ճիշտ» եք համարում: Այժմ շարունակեք կարդալ:

Գիտահանրամատչելի գրականության, դպրոցական դասագրքերի և համալսարանական դասագրքերի ճնշող մեծամասնության մեջ գերակշռում է բանաձևը (1.2) (և դրա հետևանքը՝ բանաձևը (1.3)), որը սովորաբար կարդացվում է աջից ձախ և մեկնաբանվում հետևյալ կերպ. մարմնի զանգվածը մեծանում է. իր էներգիայով՝ և՛ ներքին, և՛ կինետիկ:

Տեսական ֆիզիկայի, հատկապես ֆիզիկայի վերաբերյալ լուրջ մենագրությունների և գիտական ​​հոդվածների ճնշող մեծամասնությունը, որի համար աշխատանքային գործիք է հարաբերականության հատուկ տեսությունը, բացարձակապես չեն պարունակում (1.2) և (1.3) բանաձևերը։ Ըստ այս գրքերի մարմնի քաշը մչի փոխվում իր շարժման ընթացքում և մինչև գործոն Հետհավասար է հանգստի վիճակում գտնվող մարմնի էներգիային, այսինքն. Բանաձևը (1.1) վավեր է: Ընդ որում, և՛ «հանգստի զանգված» տերմինն ինքնին, և՛ նշանակումը մ սավելորդ են և հետևաբար չեն օգտագործվում: Այսպիսով, կա, ասես, մի ​​բուրգ, որի հիմքը բաղկացած է գիտահանրամատչելի գրքերից և դպրոցական դասագրքերից, որոնք հրատարակվել են միլիոնավոր օրինակներով, իսկ վերին մասը՝ տարրական մասնիկների տեսության վերաբերյալ մենագրություններ և հոդվածներ, որոնց շրջանառությունը կազմում է. հազարավոր.

Այս տեսական բուրգի վերևի և ներքևի միջև կա զգալի թվով գրքեր և հոդվածներ, որտեղ բոլոր երեք (և նույնիսկ չորս!) բանաձևերը խորհրդավոր կերպով խաղաղ գոյակցում են: Այս իրավիճակի համար առաջին հերթին մեղավոր են տեսական ֆիզիկոսները, քանի որ նրանք դեռևս չեն բացատրել այս բացարձակապես պարզ հարցը կրթված մարդկանց լայն շրջանակի համար:

Այս հոդվածի նպատակն է հնարավորինս պարզ բացատրել, թե ինչու է (1.1) բանաձևը համարժեք հարաբերականության տեսության էությանը, իսկ (1.2) և (1.3) բանաձևերը՝ ոչ, և այդպիսով նպաստում են կրթական և հանրաճանաչ ոլորտներում տարածմանը։ գիտական ​​գրականություն հստակ, չներկայացնող ապակողմնորոշիչ և ոչ մոլորեցնող տերմինաբանությամբ: Այս տերմինաբանությունը ես այսուհետ կանվանեմ ճիշտ։ Հուսով եմ, որ կկարողանամ ընթերցողին համոզել, որ «հանգստյան զանգված» տերմինը. մ 0ավելորդ է, որ «հանգիստ զանգվածի» փոխարեն մ 0պետք է խոսել մարմնի քաշի մասին մ, որը սովորական մարմինների համար հարաբերականության տեսության և Նյուտոնի մեխանիկայի մեջ նույնն է, ինչ զանգվածը երկու տեսություններում մկախված չէ հղման համակարգից, որ արագությունից կախված զանգված հասկացությունը առաջացել է 20-րդ դարի սկզբին իմպուլսի և արագության միջև Նյուտոնյան կապի անօրինական ընդլայնման արդյունքում լույսի արագության հետ համեմատվող արագությունների շրջանին։ , որտեղ այն վավեր չէ, և որ 20-րդ դարի վերջում ժամանակն է վերջապես հրաժեշտ տալ զանգվածի հայեցակարգին՝ կախված արագությունից։

Հոդվածը բաղկացած է երկու մասից. Առաջին մասում (բաժին 2-12) քննարկվում է զանգվածի դերը Նյուտոնյան մեխանիկայում: Այնուհետև դիտարկվում են հարաբերականության տեսության հիմնական բանաձևերը, որոնք կապում են մասնիկի էներգիան և իմպուլսը նրա զանգվածի և արագության հետ, հաստատվում է արագացման և ուժի կապը և տրված է գրավիտացիոն ուժի հարաբերական արտահայտությունը։ Ցույց է տրվում, թե ինչպես է որոշվում մի քանի մասնիկներից բաղկացած համակարգի զանգվածը, և դիտարկվում են ֆիզիկական պրոցեսների օրինակներ, որոնց արդյունքում փոխվում է մարմնի կամ մարմինների համակարգի զանգվածը, և այդ փոփոխությունն ուղեկցվում է կլանմամբ կամ արտանետմամբ։ կինետիկ էներգիա կրող մասնիկներ. Հոդվածի առաջին մասը ավարտվում է տարրական մասնիկների զանգվածները տեսականորեն հաշվարկելու ժամանակակից փորձերի մասին հակիրճ պատմությամբ։

Երկրորդ մասում (բաժին 13-20) խոսվում է իր էներգիայով աճող մարմնի զանգվածի, այսպես կոչված, հարաբերական զանգվածի հայեցակարգի առաջացման պատմության մասին: Ցույց է տրվում, որ այս արխայիկ հայեցակարգի օգտագործումը չի համապատասխանում հարաբերականության տեսության քառաչափ սիմետրիկ ձևին և հանգեցնում է բազմաթիվ թյուրիմացությունների կրթական և գիտահանրամատչելի գրականության մեջ:

ՏՎՅԱԼՆԵՐ.

2. Զանգվածը նյուտոնյան մեխանիկայում.

Ինչպես հայտնի է, զանգվածը նյուտոնյան մեխանիկայում ունի մի շարք կարևոր հատկություններ և դրսևորվում է, այսպես ասած, մի քանի ձևերով.

1. Զանգվածը նյութի քանակի, նյութի քանակի չափումն է։

2. Բաղադրյալ մարմնի զանգվածը հավասար է նրա կազմող մարմինների զանգվածների գումարին։

3. Մարմինների մեկուսացված համակարգի զանգվածը պահպանվում է և ժամանակի հետ չի փոխվում։

4. Մարմնի զանգվածը չի փոխվում մի հղման համակարգից մյուսը անցնելիս, մասնավորապես, նույնն է տարբեր իներցիոն կոորդինատային համակարգերում։

5. Մարմնի զանգվածը նրա իներցիայի (կամ իներցիայի, կամ իներցիայի, ինչպես գրում են որոշ հեղինակներ) չափումն է։

6. Մարմինների զանգվածներն են միմյանց նկատմամբ գրավիտացիոն ձգողության աղբյուրը։

Եկեք ավելի մանրամասն քննարկենք զանգվածի վերջին երկու հատկությունները։

Որպես մարմնի իներցիայի չափման միջոց՝ m զանգվածը հայտնվում է մարմնի իմպուլսի հետ կապված բանաձևում. Ռև դրա արագությունը v:

p =մվ. (2.1)

Զանգվածը ներառված է նաև մարմնի կինետիկ էներգիայի բանաձևում Եազգական:

Տարածության և ժամանակի միատարրության պատճառով ազատ մարմնի իմպուլսը և էներգիան պահպանվում են իներցիոն կոորդինատային համակարգում։ Տվյալ մարմնի իմպուլսը ժամանակի ընթացքում փոխվում է միայն այլ մարմինների ազդեցությամբ.

Որտեղ Ֆ- մարմնի վրա գործող ուժ. Հաշվի առնելով, որ արագացման սահմանմամբ Ա

a = dv/dt, (2.4)

և հաշվի առնելով (2.1) և (2.3) բանաձևերը, մենք ստանում ենք

F=մա. (2.5)

Այս հարաբերություններում զանգվածը կրկին հանդես է գալիս որպես իներցիայի չափիչ: Այսպիսով, Նյուտոնյան մեխանիկայում զանգվածը որպես իներցիայի չափիչ որոշվում է երկու հարաբերություններով՝ (2.1) և (2.5): Որոշ հեղինակներ նախընտրում են իներցիայի չափը սահմանել հարաբերություններով (2.1), մյուսները՝ հարաբերությամբ (2.5): Մեր հոդվածի թեմայի համար միայն կարևոր է, որ այս երկու սահմանումները համատեղելի են Նյուտոնի մեխանիկայի մեջ:

Այժմ անդրադառնանք գրավիտացիային: Ներգրավման պոտենցիալ էներգիա M և զանգված ունեցող երկու մարմինների միջև մ(օրինակ՝ Երկիր և քար), հավասար է

Ug = -GMm/r, (2.6)

Որտեղ Գ- 6,7×10 -11 N×m 2 կգ -2 (հիշենք, որ 1 N = 1 կգ×m×s 2): Այն ուժը, որով Երկիրը ձգում է քարը

Ֆg = -GMmr/r 3, (2.7)

որտեղ է շառավիղի վեկտորը r, միացնելով մարմինների զանգվածի կենտրոնները, ուղղվում է Երկրից դեպի քարը։ (Նույն, բայց հակառակ ուղղված ուժով քարը ձգում է Երկիրը):

(2.7) և (2.5) բանաձևերից հետևում է, որ գրավիտացիոն դաշտում ազատորեն ընկնող մարմնի արագացումը կախված չէ նրա զանգվածից։ Երկրի դաշտում արագացումը սովորաբար նշվում է է:

Հեշտ է գնահատել՝ (2.9) բանաձևով փոխարինելով Երկրի զանգվածի և շառավիղի արժեքները ( Մ զ» 6×10 24 կգ, Ռ զ» 6,4×10 6 մ), է» 9,8 մ/վ 2 .

Առաջին անգամ չափի ունիվերսալությունը էստեղծվել է Գալիլեոյի կողմից, ով եկել է այն եզրակացության, որ ընկնող գնդակի արագացումը կախված չէ ոչ գնդակի զանգվածից, ոչ էլ այն նյութից, որից այն պատրաստված է: Այս անկախությունը շատ բարձր ճշգրտությամբ ստուգվեց 20-րդ դարի սկզբին։ Էոտվոսը և մի շարք վերջին փորձերում։ Դպրոցական ֆիզիկայի դասընթացում գրավիտացիոն արագացման անկախությունը արագացված մարմնի զանգվածից սովորաբար բնութագրվում է որպես իներցիոն և գրավիտացիոն զանգվածի հավասարություն՝ նկատի ունենալով, որ նույն մեծությունը. մներառված է ինչպես (2.5) և (2.6) և (2.7) բանաձևերում:

Մենք այստեղ չենք քննարկի այս բաժնի սկզբում թվարկված զանգվածի մյուս հատկությունները, քանի որ դրանք ակնհայտ են թվում ողջախոհության տեսանկյունից: Մասնավորապես, ոչ ոք չի կասկածում, որ ծաղկամանի զանգվածը հավասար է նրա բեկորների զանգվածների գումարին.

Ոչ ոք չի կասկածում նաև, որ երկու մեքենաների զանգվածը հավասար է նրանց զանգվածների գումարին, անկախ նրանից՝ նրանք կանգնած են, թե առավելագույն արագությամբ շտապում են միմյանց։

3. Գալիլեոյի հարաբերականության սկզբունքը.

Եթե ​​անտեսենք կոնկրետ բանաձևերը, ապա կարող ենք ասել, որ Նյուտոնյան մեխանիկայի քվինտեսենցիան հարաբերականության սկզբունքն է։

Գալիլեոյի գրքերից մեկում վառ քննարկում կա այն թեմայի շուրջ, որ վարագույրով անցք ունեցող նավի տնակում ոչ մի մեխանիկական փորձ չի կարող հայտնաբերել նավի միատեսակ և ուղղագիծ շարժումը ափի նկատմամբ: Բերելով այս օրինակը՝ Գալիլեոն ընդգծեց, որ ոչ մի մեխանիկական փորձ չի կարող տարբերել մեկ իներցիոն հղման համակարգը մյուսից։ Այս հայտարարությունը կոչվում էր Գալիլեոյի հարաբերականության սկզբունք։ Մաթեմատիկորեն այս սկզբունքը արտահայտվում է նրանով, որ Նյուտոնի մեխանիկայի հավասարումները չեն փոխվում նոր կոորդինատներին անցնելիս. r-> r» =r-Vտ, t->t" =տ, Որտեղ Վ- նոր իներցիոն համակարգի արագությունը սկզբնականի համեմատ:

4. Էյնշտեյնի հարաբերականության սկզբունքը.

20-րդ դարի սկզբին ձեւակերպվեց ավելի ընդհանուր սկզբունք, որը կոչվում էր
Էյնշտեյնի հարաբերականության սկզբունքը. Համաձայն Էյնշտեյնի հարաբերականության սկզբունքի՝ ոչ միայն մեխանիկական, այլև ցանկացած այլ փորձ (օպտիկական, էլեկտրական, մագնիսական և այլն) չի կարող տարբերել մի իներցիոն համակարգը մյուսից։ Այս սկզբունքով կառուցված տեսությունը կոչվում է հարաբերականության տեսություն կամ հարաբերականության տեսություն (լատիներեն «հարաբերականություն» տերմինը համարժեք է ռուսերեն «հարաբերականություն» տերմինին):

Հարաբերական տեսությունը, ի տարբերություն ոչ հարաբերականի (Նյուտոնյան մեխանիկա), հաշվի է առնում, որ բնության մեջ կա ֆիզիկական ազդանշանների տարածման սահմանափակող արագություն. Հետ= 3×10 8 մ/վ:

Սովորաբար չափի մասին ՀետՆրանք խոսում են դրա մասին որպես լույսի արագություն վակուումում: Հարաբերականության տեսությունը թույլ է տալիս հաշվարկել մարմինների (մասնիկների) շարժումը ցանկացած արագությամբ vմինչեւ v = c. Ոչ հարաբերական նյուտոնյան մեխանիկան հարաբերական Էյնշտեյնյան մեխանիկայի սահմանափակող դեպք է v/s-> 0 . Ֆորմալ կերպով, Նյուտոնի մեխանիկայում չկա ազդանշանի տարածման սահմանափակող արագություն, այսինքն. գ =անսահմանություն.

Էյնշտեյնի հարաբերականության սկզբունքի ներդրումը պահանջում էր փոփոխություն՝ հաշվի առնելով այնպիսի հիմնարար հասկացություններ, ինչպիսիք են տարածությունը, ժամանակը և միաժամանակությունը: Պարզվեց, որ առանձին-առանձին տարածության երկու իրադարձությունների միջև եղած հեռավորությունները rև ժամանակի ընթացքում տմի իներցիոն կոորդինատային համակարգից մյուսը տեղափոխելիս անփոփոխ չմնան, այլ իրենց պահեն ինչպես քառաչափ վեկտորի բաղադրիչները քառաչափ Մինկովսկու տարածություն-ժամանակում: Այս դեպքում միայն քանակն է մնում անփոփոխ և անփոփոխ ս, որը կոչվում է ընդմիջում. s 2 = s 2t 2 -r 2.

5. Էներգիան, իմպուլսը և զանգվածը հարաբերականության տեսության մեջ։

Ազատ շարժվող մասնիկի (մասնիկների համակարգ, մարմին) հարաբերականության տեսության հիմնական հարաբերություններն են.

E 2 – p 2 s 2 =մ 2գ 4, (5.1)

p =vE/գ 2; (5.2)

Այստեղ Ե- էներգիա, Ռ- իմպուլս, մ- զանգված, և v- մասնիկի արագություն (մասնիկների համակարգ, մարմին): Պետք է ընդգծել, որ զանգվածը մև արագություն vմասնիկի կամ մարմնի համար - սրանք նույն քանակներն են, որոնց հետ մենք գործ ունենք Նյուտոնի մեխանիկայի մեջ: Նման է 4D կոորդինատներին տ, r, էներգիա Եև թափը Ռքառաչափ վեկտորի բաղադրիչներ են։ Նրանք փոխվում են մի իներցիոն համակարգից մյուսին անցնելիս՝ ըստ Լորենցի փոխակերպումների, զանգվածը մնում է անփոփոխ, դա Լորենցի ինվարիանտ է։

Հարկ է ընդգծել, որ ինչպես նյուտոնյան մեխանիկայում, այնպես էլ հարաբերականության տեսության մեջ գոյություն ունեն էներգիայի պահպանման օրենքներ և մեկուսացված մասնիկի կամ մասնիկների մեկուսացված համակարգ։

Ավելին, ինչպես նյուտոնյան մեխանիկայում, էներգիան և իմպուլսը հավելյալ են՝ ընդհանուր էներգիան և իմպուլսը nազատ մասնիկները համապատասխանաբար հավասար են

և վերցնելով քառակուսի արմատը՝ ստանում ենք

Փոխարինելով (6.3) (5.2)-ով, մենք ստանում ենք

(6.3) և (6.4) բանաձևերից ակնհայտ է, որ զանգվածային մարմինը (գ) չի կարող շարժվել լույսի արագությամբ, քանի որ այս դեպքում մարմնի էներգիան և թափը պետք է վերածվեն անսահմանության։

Հարաբերականության տեսության գրականության մեջ սովորաբար օգտագործվում է նշումը

Այն սահմանին, երբ v/s<< 1 , արտահայտություններում (6.8), (6.9) շարքի առաջին տերմինները . Այնուհետև մենք բնականաբար վերադառնում ենք Նյուտոնյան մեխանիկայի բանաձևերին.

Ռ= մվ, (6.10)

Եազգական = p 2 /2m = mv 2 /2, (6.11)

որտեղից պարզ է դառնում, որ մարմնի զանգվածը Նյուտոնյան մեխանիկայում և նույն մարմնի զանգվածը հարաբերական մեխանիկայում մեկ և նույն մեծությունն են։

7. Ուժի և արագացման կապը հարաբերականության տեսության մեջ:

Կարելի է ցույց տալ, որ հարաբերականության տեսության մեջ ուժի միջև նյուտոնյան հարաբերությունը Ֆև թափի փոփոխություն

F=dp/dt. (7.1)

Օգտագործելով (7.1) կապը և արագացման սահմանումը

ա =dv/dt, (7.2)

Մենք տեսնում ենք, որ, ի տարբերություն ոչ հարաբերական դեպքի, հարաբերականի դեպքում արագացումը ուղղված չէ ուժի երկայնքով, այլ ունի նաև արագության բաղադրիչ։ Բազմապատկելով (7.3)-ով v, մենք կգտնենք

Սա փոխարինելով (7.3)-ով, մենք ստանում ենք

Չնայած (7.3) հավասարման անսովորությանը Նյուտոնյան մեխանիկայի տեսանկյունից, ավելի ճիշտ՝ հենց այս անսովորության պատճառով, այս հավասարումը ճիշտ է նկարագրում հարաբերական մասնիկների շարժումը։ Սկսած դարի սկզբից այն բազմիցս փորձարկվել է էլեկտրական և մագնիսական դաշտերի տարբեր կոնֆիգուրացիաներում։ Այս հավասարումը հարաբերական արագացուցիչների ինժեներական հաշվարկների հիմքն է։

Այսպիսով, եթե Ֆուղղահայաց v, Դա

եթե Զ ||v, Դա

Այսպիսով, եթե մենք փորձենք սահմանել ուժի և արագացման հարաբերակցությունը որպես «իներցիոն զանգված», ապա հարաբերականության տեսության այս մեծությունը կախված է ուժի և արագության փոխադարձ ուղղությունից, և, հետևաբար, այն չի կարող միանշանակ որոշվել: Գրավիտացիոն փոխազդեցության դիտարկումը բերում է նույն եզրակացությանը «գրավիտացիոն զանգվածի» վերաբերյալ։

8. Գրավիտացիոն ձգողականությունը հարաբերականության տեսության մեջ.

Եթե ​​Նյուտոնի տեսության մեջ գրավիտացիոն փոխազդեցության ուժը որոշվում է փոխազդող մարմինների զանգվածներով, ապա հարաբերականության դեպքում իրավիճակը շատ ավելի բարդ է։ Բանն այն է, որ հարաբերականության դեպքում գրավիտացիոն դաշտի աղբյուրը բարդ մեծություն է, որն ունի տասը տարբեր բաղադրիչ՝ այսպես կոչված, մարմնի էներգիա-իմպուլս տենզոր։ (Համեմատության համար նշում ենք, որ էլեկտրամագնիսական դաշտի աղբյուրը էլեկտրամագնիսական հոսանքն է, որը քառաչափ վեկտոր է և ունի չորս բաղադրիչ):

Դիտարկենք ամենապարզ օրինակը, երբ մարմիններից մեկն ունի շատ մեծ զանգված Մև գտնվում է հանգստի վիճակում (օրինակ՝ Արևը կամ Երկիրը), մինչդեռ մյուսն ունի շատ քիչ կամ նույնիսկ զրոյական զանգված, ինչպես օրինակ էներգիայով էլեկտրոնը կամ ֆոտոնը։ Ե. Հարաբերականության ընդհանուր տեսության հիման վրա կարելի է ցույց տալ, որ այս դեպքում լույսի մասնիկի վրա ազդող ուժը հավասար է.

Հեշտ է տեսնել, որ դանդաղ էլեկտրոնի դեպքում << 1 քառակուսի փակագծում արտահայտությունը կրճատվում է մինչև r, և հաշվի առնելով դա E 0 / c 2 = մ, վերադառնում ենք Նյուտոնի ոչ հարաբերական բանաձեւին. Այնուամենայնիվ, երբ v/s ~1կամ v/c = 1մենք կանգնած ենք սկզբունքորեն նոր երևույթի հետ. այն մեծությունը, որը կատարում է հարաբերական մասնիկի «գրավիտացիոն զանգվածի» դերը, պարզվում է, որ կախված է ոչ միայն մասնիկի էներգիայից, այլև վեկտորների փոխադարձ ուղղությունից։ rԵվ v. Եթե

v || r, ապա «գրավիտացիոն զանգվածը» հավասար է E/s 2, բայց եթե vուղղահայաց r, ապա այն դառնում է հավասար (E/s 2) (1+ 2) , և ֆոտոնի համար 2E/s 2.

Մենք օգտագործում ենք չակերտներ՝ ընդգծելու համար, որ գրավիտացիոն զանգված հասկացությունը կիրառելի չէ հարաբերական մարմնի համար։ Ֆոտոնի գրավիտացիոն զանգվածի մասին խոսելն անիմաստ է, եթե ուղղահայաց ընկնող ֆոտոնի համար այս արժեքը երկու անգամ պակաս է, քան հորիզոնական թռչող ֆոտոնի համար։

Քննարկելով մեկ ռելյատիվիստական ​​մասնիկի դինամիկայի տարբեր ասպեկտներ, մենք այժմ դիմում ենք մասնիկների համակարգի զանգվածի հարցին:

9. Մասնիկների համակարգի զանգվածը.

Վերևում մենք արդեն նշել ենք, որ հարաբերականության տեսության մեջ համակարգի զանգվածը հավասար չէ համակարգը կազմող մարմինների զանգվածին։ Այս հայտարարությունը կարելի է բացատրել մի քանի օրինակներով։

1. Դիտարկենք երկու ֆոտոն, որոնք նույն էներգիաներով թռչում են հակառակ ուղղություններով Ե. Նման համակարգի ընդհանուր իմպուլսը զրո է, իսկ ընդհանուր էներգիան (հայտնի է նաև որպես երկու ֆոտոնից բաղկացած համակարգի հանգստի էներգիա) հավասար է. 2E. Հետևաբար, այս համակարգի զանգվածը հավասար է
2E/s 2. Հեշտ է ստուգել, ​​որ երկու ֆոտոններից բաղկացած համակարգը զրոյական զանգված կունենա միայն այն դեպքում, եթե նրանք թռչեն նույն ուղղությամբ:

2. Դիտարկենք մի համակարգ, որը բաղկացած է nհեռ. Այս համակարգի զանգվածը որոշվում է բանաձևով

Նշենք, որ երբ մոչ հավասար 0 հարաբերական զանգվածը հավասար է լայնակի զանգվածին, բայց, ի տարբերություն լայնակի զանգվածի, այն առկա է նաև անզանգված մարմիններում, որոնցում. մ = 0. Ահա նամակը մմենք այն օգտագործում ենք սովորական իմաստով, ինչպես օգտագործել ենք այս հոդվածի առաջին մասում: Բայց բոլոր ֆիզիկոսները այս դարի առաջին հինգ տարիներին, ի. հարաբերականության տեսության ստեղծումից առաջ, և (շատերը նույնիսկ հարաբերականության տեսության ստեղծումից հետո, որը կոչվում է զանգված և նշվում է տառով մհարաբերական զանգվածը, ինչպես Պուանկարեն արեց իր աշխատանքում 1900 թվականին: Եվ հետո անխուսափելիորեն պետք է առաջանար ևս մեկ չորրորդ ժամկետ և առաջացավ. հանգստի զանգված», որը սկսեց նշանակվել մ 0. «Հանգիստ զանգված» տերմինը սկսեց օգտագործել սովորական զանգվածին վերաբերելու համար, որը հարաբերականության տեսության հաջորդական ներկայացման մեջ նշանակված է. մ.

Ահա թե ինչպես « չորս հոգանոց բանդա», որին հաջողվեց հաջողությամբ ինտեգրվել հարաբերականության նոր տեսության մեջ։ Այսպիսով, անհրաժեշտ նախադրյալները ստեղծվեցին մինչ օրս շարունակվող շփոթության համար։

1900 թվականից սկսվեցին հատուկ փորձեր բ-ճառագայթներով և կաթոդային ճառագայթներով, այսինքն. էներգետիկ էլեկտրոններով, որոնց ճառագայթները շեղվել են մագնիսական և էլեկտրական դաշտերի պատճառով (տե՛ս Ա. Միլլերի գիրքը)։

Այս փորձերը կոչվում էին փորձեր՝ չափելու զանգվածի կախվածությունը արագությունից, և մեր դարի գրեթե ողջ առաջին տասնամյակի ընթացքում դրանց արդյունքները չէին համընկնում Լորենցի կողմից ստացված արտահայտությունների հետ։ մ, Եվ մ լբայց ըստ էության հերքեց հարաբերականության տեսությունը և լավ համաձայնեց Մ.Աբրահամի սխալ տեսությանը: Հետագայում գերակշռում էր համաձայնությունը Լորենցի բանաձևերի հետ, բայց Շվեդիայի գիտությունների ակադեմիայի քարտուղարի վերը մեջբերված նամակից պարզ է դառնում, որ այն բացարձակապես համոզիչ չէր թվում։

14. Զանգվածը և էներգիան Էյնշտեյնի թղթերում 1905 թ

Հարաբերականության տեսության վերաբերյալ Էյնշտեյնի առաջին աշխատության մեջ նա, ինչպես բոլորն այն ժամանակ, օգտագործում էր երկայնական և լայնակի զանգված հասկացությունները, բայց դրանք ոչ թե հատուկ նշաններով էր նշում, այլ կինետիկ էներգիայի համար։ Վստանում է հարաբերակցությունը

Որտեղ մ- զանգված, և Վ- լույսի արագություն. Այսպիսով, նա չի օգտագործում «հանգստի զանգված» հասկացությունը։

Նաև 1905 թվականին Էյնշտեյնը հրապարակեց մի կարճ գրառում, որտեղ նա եկավ այն եզրակացության, որ «մարմնի զանգվածը նրանում պարունակվող էներգիայի չափումն է»։ Օգտագործելով ժամանակակից նշում, այս եզրակացությունն արտահայտվում է բանաձևով

E 0 =մս 2,

Իրական խորհրդանիշը E 0հայտնվում է արդեն առաջին արտահայտության մեջ, որով սկսվում է ապացույցը. «Համակարգում թող լինի հանգստի վիճակում գտնվող մարմին (x, y, z), որի էներգիան, կապված համակարգի հետ (x, y, z) հավասար է. դեպի E 0« Այս մարմինն արձակում է երկու հարթ լույսի ալիքներ՝ հավասար էներգիայով L/2հակառակ ուղղություններով. Հաշվի առնելով այս գործընթացը արագությամբ շարժվող համակարգում v, օգտագործելով այն փաստը, որ այս համակարգում ֆոտոնների ընդհանուր էներգիան հավասար է L( - 1) , և այն հավասարեցնելով մարմնի կինետիկ էներգիաների տարբերությանը արտանետումից առաջ և հետո, Էյնշտեյնը գալիս է այն եզրակացության, որ «եթե մարմինը էներգիա է տալիս. Լճառագայթման տեսքով, ապա դրա զանգվածը նվազում է Լ/V 2«, այսինքն. դմ =dE 0 /s 2. Այսպիսով, այս աշխատանքում ներկայացվեց մարմնի հանգստի էներգիայի հասկացությունը և հաստատվեց մարմնի զանգվածի և հանգստի էներգիայի համարժեքությունը:

15. «Ընդհանրացված Պուանկարեի բանաձևը».

Եթե ​​Էյնշտեյնը բավականին պարզ էր 1905 թվականի իր աշխատության մեջ, ապա 1906 թվականին հրապարակված իր հաջորդ հոդվածում այս պարզությունը որոշ չափով լղոզված է: Անդրադառնալով 1900 թվականին Պուանկարեի աշխատանքին, որը մենք նշեցինք վերևում, Էյնշտեյնն առաջարկում է Պուանկարեի եզրակացության ավելի տեսողական ապացույց և պնդում, որ յուրաքանչյուր էներգիա. Եհամապատասխանում է իներցիային Էլ/V 2(իներտ զանգված Էլ/V 2, Որտեղ Վ- լույսի արագությունը), նա վերագրում է «էլեկտրամագնիսական դաշտին զանգվածային խտություն ( ր ե), որը էներգիայի խտությունից տարբերվում է գործակցով 1/ V 2. Միևնույն ժամանակ, հոդվածի տեքստից պարզ է դառնում, որ նա այդ հայտարարությունները համարում է 1905 թվականի իր աշխատանքի զարգացում: Եվ չնայած 1907 թվականին հրապարակված հոդվածում Էյնշտեյնը կրկին հստակ խոսում է զանգվածի և հանգստի էներգիայի համարժեքության մասին. մարմնի (§ 11), այնուամենայնիվ, ջրբաժան հարաբերական բանաձեւի միջեւ E 0 =մ2-իցև նախառելատիվիստական ​​բանաձևը E =մ2-իցնա չի վարում, իսկ «Լույսի տարածման վրա ձգողականության ազդեցության մասին» հոդվածում գրում է. «...Եթե էներգիայի աճը Ե, ապա իներցիոն զանգվածի աճը հավասար է E/s 2».

10-ականների վերջում Պլանկի և Մինկովսկու աշխատանքը նշանակալի դեր խաղաց հարաբերականության տեսության ժամանակակից միասնական քառաչափ տարածա-ժամանակային ֆորմալիզմի ստեղծման գործում։ Մոտավորապես միևնույն ժամանակ, Լյուիսի և Թոլմանի աշխատություններում «նախառելատիվիստական ​​զանգվածը» վերջապես դրվեց հարաբերականության տեսության գահին՝ հավասար. E/s 2. Այն ստացավ «ռելյատիվիստական ​​զանգված» տիտղոսը և, որ ամենացավալին է, յուրացրեց պարզապես «զանգված» անվանումը։ Բայց իսկական զանգվածը հայտնվեց Մոխրոտիկի դիրքում և ստացավ «հանգստյան զանգված» մականունը։ Լյուիսի և Տոլմանի աշխատանքը հիմնված էր իմպուլսի Նյուտոնի սահմանման վրա p =մվև «զանգվածի» պահպանման օրենքը, և, ըստ էության, էներգիայի պահպանման օրենքը՝ բաժանված 2-ից.

Ապշեցուցիչ է, որ հարաբերականության տեսության վերաբերյալ գրականության մեջ մեր նկարագրած «պալատական ​​հեղաշրջումն» աննկատ է մնում, և հարաբերականության տեսության զարգացումը ներկայացվում է որպես տրամաբանորեն հետևողական գործընթաց։ Մասնավորապես, ֆիզիկոս-պատմաբանները (տե՛ս, օրինակ, գրքերը) սկզբունքային տարբերություն չեն նշում մի կողմից Էյնշտեյնի հոդվածի և մյուս կողմից՝ Պուանկարեի և Էյնշտեյնի հոդվածների միջև։

Մի անգամ հանդիպեցի մի մուլտֆիլմի, որը պատկերում էր գիտական ​​ստեղծագործության ընթացքը: Գիտնականը, ով հետևից նման է Էյնշտեյնին, գրատախտակի մոտ կանգնած գրում է. Նա գրել է E =ma 2և խաչված թեք խաչով, ներքևում - E =mb 2և կրկին խաչված թեք խաչով և վերջապես նույնիսկ ավելի ցածր Ե= մս 2. Չնայած իր ողջ անեկդոտային բնույթին, այս պատկերը գուցե ավելի մոտ է ճշմարտությանը, քան գիտական ​​ստեղծագործության գործընթացի դասագրքային նկարագրությունը որպես շարունակական տրամաբանական զարգացում:

Պատահական չէ, որ ես նշեցի Մոխրոտը։ Արագ տեմպերով աճող զանգվածն իսկապես անհասկանալի էր և խորհրդանշում էր գիտության խորությունն ու շքեղությունը և գրավում էր երևակայությունը: Նրա համեմատ սովորական զանգված է, այնքան պարզ, այնքան հասկանալի։

16. Հազար երկու գիրք

Այս բաժնի վերնագիրը կամայական է այն առումով, որ ես չգիտեմ հարաբերականության տեսությունը քննարկող գրքերի ամբողջական թիվը: Անշուշտ, այն անցնում է մի քանի հարյուրից, և գուցե նույնիսկ հազարից: Բայց երկու գիրք, որոնք հայտնվել են 20-ականների սկզբին, արժանի են հատուկ հիշատակման։ Նրանք երկուսն էլ շատ հայտնի են և հարգված են ֆիզիկոսների մեկից ավելի սերնդի կողմից: Առաջինը 20-ամյա ուսանող Վոլֆգանգ Պաուլիի հանրագիտարանային մենագրությունն է՝ «Հարաբերականության տեսությունը», հրատարակված 1921 թվականին։ Երկրորդը՝ «Հարաբերականության տեսության էությունը», որը հրատարակվել է 1922 թվականին հատուկ և ստեղծողի կողմից։ ընդհանուր տեսություն ինքը՝ Ալբերտ Էյնշտեյնը։ Էներգիայի և զանգվածի կապի հարցը այս երկու գրքերում ներկայացված է արմատապես տարբեր ձևերով։

Պաուլին վճռականորեն մերժում է, որպես հնացած, երկայնական և լայնակի զանգվածները (և դրանց հետ միասին՝ բանաձևը. F=մա), սակայն «պատշաճ» է համարում բանաձևի օգտագործումը p =մվ, և հետևաբար արագությունից կախված զանգված հասկացությունը, որին նա նվիրում է մի շարք պարբերություններ։ Նա մեծ տեղ է հատկացնում «զանգվածի և էներգիայի համարժեքության օրենքին» կամ, ինչպես ինքն է անվանում, «ցանկացած տեսակի էներգիաների իներցիայի օրենքին», ըստ որի «յուրաքանչյուր էներգիա համապատասխանում է զանգվածին. m = E/s 2».

Ի տարբերություն Պաուլիի, Էյնշտեյնի նամակը մանվանում է սովորական զանգված: Արտահայտելով միջոցով միսկ մարմնի արագությունը էներգիայի իմպուլսի քառաչափ վեկտոր է, ապա Էյնշտեյնը (համարում է հանգստի վիճակում գտնվող մարմինը և գալիս է այն եզրակացության, որ «այդ էներգիան E 0հանգստի վիճակում գտնվող մարմինը հավասար է իր զանգվածին»: Հարկ է նշել, որ վերևում, որպես արագության միավոր, վերցնում է Հետ. Նա այնուհետև գրում է. «Եթե մենք ընտրեինք երկրորդը որպես ժամանակի միավոր, մենք կստանայինք

E 0 =մս 2. (44)

Զանգվածն ու էներգիան, հետևաբար, ըստ էության նման են. դրանք պարզապես նույն բանի տարբեր արտահայտություններ են: Մարմնի քաշը մշտական ​​չէ; այն փոխվում է նրա էներգիայով»։ Վերջին երկու արտահայտությունները միանշանակ իմաստ են ստանում «այսպես» ներածական բառերով և այն փաստով, որ դրանք անմիջապես հետևում են հավասարմանը. E 0 =մս 2. Այսպիսով, «Հարաբերականության տեսության էությունը» գրքում արագությունից կախված զանգված չկա։

Հնարավոր է, որ եթե Էյնշտեյնը մեկնաբաներ իր հավասարումը ավելի մանրամասն և հետևողական E 0 =մս 2, ապա հավասարումը E =մս 2գրականությունից կվերանար արդեն 20-ականներին։ Բայց նա դա չարեց, և հետագա հեղինակներից շատերը հետևեցին Պաուլիին, և զանգվածը, կախված արագությունից, լրացրեց հանրաճանաչ գիտական ​​գրքեր և բրոշյուրներ, հանրագիտարաններ, ընդհանուր ֆիզիկայի դպրոցական և համալսարանական դասագրքեր, ինչպես նաև մենագրություններ, ներառյալ ականավոր ֆիզիկոսների գրքերը, որոնք հատուկ նվիրված էին: հարաբերականության տեսությանը։

Առաջին կրթական մենագրություններից մեկը, որտեղ հարաբերականության տեսությունը հետևողականորեն ներկայացվում էր հարաբերականորեն, Լանդաուի և Լիֆշիցի «Դաշտային տեսությունն» էր։ Դրան հաջորդեցին մի շարք այլ գրքեր։

Դաշտի քվանտային տեսության հետևողականորեն հարաբերական քառաչափ ֆորմալիզմում կարևոր տեղ է գրավել այս դարի կեսերին նրա կողմից ստեղծված Ֆեյնմանի դիագրամների մեթոդը։ Բայց արագությունից կախված զանգվածի օգտագործման ավանդույթն այնքան համառ էր, որ 60-ականների սկզբին հրապարակված իր հայտնի դասախոսություններում Ֆեյնմանը այն օգտագործեց որպես հարաբերականության տեսությանը նվիրված գլուխների հիմք։ Այնուամենայնիվ, արագությունից կախված զանգվածի քննարկումը։ 16-րդ գլխում ավարտվում է այս երկու արտահայտություններով.

«Տարօրինակ կերպով, բանաձեւը մ =մ 0 /շատ հազվադեպ է օգտագործվում: Փոխարենը, երկու հարաբերություններ, որոնք հեշտ է ապացուցել, անփոխարինելի են.

E 2 –p2գ 2 =M 0 2գ 4 (16.13)

Եվ rs = Եվ/ք« (16.14")

Իր կենդանության օրոք հրապարակված վերջին դասախոսության մեջ (այն տրվել է 1986 թվականին, որը նվիրված էր Դիրակին և կոչվում էր «Ինչու գոյություն ունեն հակամասնիկներ»), Ֆեյնմանը չի հիշատակում ոչ արագությունից կախված զանգվածը, ոչ հանգստի զանգվածը, այլ պարզապես խոսում է զանգվածի մասին և նշում այն. մ.

17. Տպագրություն և զանգվածային մշակույթ

Ինչու բանաձեւ m = E/s 2այդքան համառ? Չեմ կարող ամբողջական բացատրություն տալ։ Բայց ինձ թվում է, որ գիտահանրամատչելի գրականությունն այստեղ քաղցկեղային դեր է խաղում։ Հենց դրանից էլ մենք վերցնում ենք մեր առաջին տպավորությունները հարաբերականության տեսության վերաբերյալ:

Էթոլոգիայում կա իմպրինտինգ հասկացությունը։ Դրոշմավորման օրինակ է ճտերի սովորելը՝ հետևել հավին, որը տեղի է ունենում նրանց ծնվելուց կարճ ժամանակահատվածում: Եթե ​​այս ընթացքում հավին տան շարժվող մանկական խաղալիք, այն հետագայում կհետևի խաղալիքին և ոչ թե հավի: Բազմաթիվ դիտարկումներից հայտնի է դարձել, որ տպագրության արդյունքը չի կարող հետագայում փոփոխվել։

Իհարկե, երեխաները և հատկապես երիտասարդները հավ չեն: Եվ, դառնալով ուսանող, նրանք կարող են սովորել հարաբերականության տեսությունը կովարիանտ ձևով, այսպես ասած, «ըստ Լանդաուի և Լիֆշիցի» առանց զանգվածի, որը կախված է արագությունից և դրան ուղեկցող ողջ աբսուրդից։ Բայց երբ չափահաս դառնալով` նրանք սկսում են գրքույկներ և դասագրքեր գրել երիտասարդների համար, այստեղ է, որ դրոշմումը սկսում է խաղալ:

Բանաձև E =մս 2վաղուց դարձել է ժողովրդական մշակույթի տարր: Սա նրան տալիս է հատուկ կենսունակություն: Երբ նստում են գրելու հարաբերականության տեսության մասին, շատ հեղինակներ ենթադրում են, որ ընթերցողն արդեն ծանոթ է այս բանաձևին, և փորձում են օգտագործել այդ ծանոթությունը: Սա ստեղծում է ինքնաբավարար գործընթաց:

18. Ինչու՞ է վատ զանգվածը E/c 2 անվանելը

Երբեմն իմ ֆիզիկոս ընկերներից մեկն ինձ ասում է. «Ինչո՞ւ ես կապված այս հարաբերական զանգվածի և հանգստի զանգվածի հետ: Ի վերջո, ոչ մի վատ բան չի կարող լինել նրանից, որ տառերի որոշակի համակցությունը նշվում է մեկ տառով և կոչվում է ինչ-որ բառ կամ երկու: Ի վերջո, նույնիսկ օգտագործելով այս, թեկուզ հնացած, հասկացությունները, ինժեներները ճիշտ են հաշվարկում հարաբերական արագացուցիչները։ Գլխավորն այն է, որ բանաձեւերում մաթեմատիկական սխալներ չկան»։

Իհարկե, դուք կարող եք բանաձևեր օգտագործել առանց դրանց ֆիզիկական իմաստը լիովին հասկանալու, և կարող եք ճիշտ հաշվարկներ կատարել՝ միաժամանակ աղավաղված պատկերացում ունենալով գիտության էության մասին, որը ներկայացնում են այս բանաձևերը: Բայց, նախ, խեղաթյուրված գաղափարները վաղ թե ուշ կարող են հանգեցնել սխալ արդյունքի ինչ-որ ոչ ստանդարտ իրավիճակում։ Եվ, երկրորդը, գիտության պարզ և գեղեցիկ հիմունքների հստակ ըմբռնումն ավելի կարևոր է, քան թվերը բանաձևերով անիմաստ փոխարինելը:

Հարաբերականության տեսությունը պարզ է ու գեղեցիկ, բայց դրա ներկայացումը երկու զանգվածների լեզվով շփոթեցնող է ու տգեղ։ Բանաձևեր E 2 -p 2 =մ 2Եվ p = Ev(Ես հիմա օգտագործում եմ միավորներ, որոնցում գ = 1) ֆիզիկայի ամենապարզ, ամենագեղեցիկ և հզոր բանաձևերից են։ Ընդհանուր առմամբ, Լորենցի վեկտոր և Լորենցի սկալյար հասկացությունները շատ կարևոր են, քանի որ դրանք արտացոլում են բնության ուշագրավ համաչափությունը:

Մյուս կողմից, բանաձեւը E =մ(Կարծում եմ նորից գ = 1) տգեղ է, որովհետև էներգիայի համար չափազանց անհաջող նշանակում է Եմեկ այլ տառ և տերմին, և տառ ու տերմին, որի հետ կապված է ֆիզիկայի մեկ այլ կարևոր հասկացություն: Այս բանաձեւի միակ հիմնավորումը պատմական է՝ դարասկզբին այն օգնեց հարաբերականության տեսության ստեղծողներին ստեղծել այս տեսությունը։ Պատմականորեն այս բանաձեւը և դրա հետ կապված ամեն ինչ կարելի է համարել որպես արդի գիտության գեղատեսիլ շենքի կառուցման ժամանակ օգտագործված փայտամածի մնացորդներ։ Եվ, դատելով գրականությունից, այսօր այն գրեթե նման է այս շենքի գլխավոր պորտալին։

Եթե ​​առաջին փաստարկը դեմ է E =մս 2կարելի է անվանել էսթետիկ՝ «գեղեցիկ ընդդեմ տգեղ», ապա երկրորդը կարելի է անվանել էթիկական։ Ընթերցողին այս բանաձևը սովորեցնելը սովորաբար ներառում է նրան խաբել, ճշմարտության գոնե մի մասը թաքցնել նրանից և չարդարացված պատրանքներ առաջացնել նրա մտքում:

Նախ, նրանք թաքցնում են անփորձ ընթերցողից, որ այս բանաձևը հիմնված է կամայական ենթադրության վրա, որ Նյուտոնի իմպուլսի սահմանումը. p =մվբնական է հարաբերական տարածաշրջանում։

Երկրորդ, նրան անուղղակիորեն տրվում է պատրանք, որ արժեքը E/s 2իներցիայի համընդհանուր չափում է և, մասնավորապես, իներցիոն զանգվածի համաչափությունը արժեքին vբավական է, որ զանգվածային մարմինը չի կարող արագանալ մինչև լույսի արագությունը, նույնիսկ եթե դրա արագացումը տրված է բանաձևով. ա =Զ/մ. Բայց սկսած

ԲՈՎԱՆԴԱԿՈՒԹՅՈՒՆ Նախաբան երրորդ հրատարակության։ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Երկրորդ հրատարակության նախաբան. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Առաջին հրատարակության նախաբան. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Խարդախության թերթիկ. մասնիկներ և փոխազդեցություններ: . . . . . . . . . . . . . . . . . Հիմնական մասնիկներ՝ էլեկտրոն, պրոտոն, նեյտրոն, ֆոտոն։ . . . . . . Զանգվածը, էներգիան, իմպուլսը, անկյունային իմպուլսը Նյուտոնյան մեխանիկայում Զանգվածը, էներգիան և իմպուլսը Էյնշտեյնյան մեխանիկայում: . . . . . . . . . Ուժեր և դաշտեր. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Քվանտային երեւույթներ. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Ատոմային և միջուկային ռեակցիաներ. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Թույլ և ուժեղ փոխազդեցություններ: . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Բարձր էներգիայի ֆիզիկա. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Արագացուցիչներ. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Հակամասնիկներ. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Հադրոններ և քվարկներ. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Կախարդված մասնիկներ. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Քվարկային կալանք. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Գլյուոններ. Գույն. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Լեպտոններ. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Լեպտոնների և քվարկների սերունդներ. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Լեպտոնների և քվարկների քայքայումը. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Վիրտուալ մասնիկներ. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Հոսանքներ. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . C -, P -, T - սիմետրիաներ: . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Չեզոք հոսանքներ. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Կանխատեսված W- և Z-բոզոններ: . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . W - և Z - բոզոնների հայտնաբերում. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Ֆիզիկա Զ–ից հետո բախվողների մոտ։ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . «Լուռ ֆիզիկա» և մեծ միավորում. . . . . . . . . . . . . . . . . . Սուպերմիությո՞ւնը: . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Տիեզերագիտություն և աստղաֆիզիկա. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Գովեստի խոսք բարձր էներգիայի ֆիզիկայի համար: . . . . . . . . . . . . . . 20 տարի անց. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Մատենագիտություն. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Առարկայական ինդեքս. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4 4 5 8 9 12 15 20 23 27 29 33 34 37 40 43 44 47 52 53 55 61 66 71 78 80 85 93 97 104 106 112 40 43 44 47 52 53 55 61 66 71 78 80 85 93 97 104 106 239 THEDIF 11 դուրս է գալիս այն օրերին, երբ Մեծ Հադրոնային արձակումը տեղի է ունենում Collider-ում Ժնևի մերձակայքում գտնվող CERN-ում: Այս միջոցառումը մեծ հետաքրքրություն է առաջացնում և բուռն լուսաբանում է լրատվամիջոցներում: Թերևս այս գիրքը կօգնի ընթերցողին հասկանալ, թե ինչու է կառուցվել Մեծ հադրոնային կոլայդերը և ինչ հարցերի պետք է պատասխանի այն: Որոշ տառասխալներ ուղղվել են այս հրատարակության մեջ։ Ես խորապես երախտապարտ եմ Մ. Ն. Անդրեևային, Ե. Մոսկվա. 2008թ. նոյեմբեր ԵՐԿՐՈՐԴ ՀՐԱՏԱՐԱԿՈՒԹՅԱՆ ՆԱԽԱԲԱՆԸ Գրքի հիմնական տեքստը պահանջում էր միայն «կոսմետիկ» փոփոխություններ: Ֆիզիկայի, աստղաֆիզիկայի և տիեզերագիտության վերջին քսան տարիների կարևորագույն զարգացումները ամփոփված են «20 տարի անց» լրացուցիչ բաժնում։ Այն ամենը, ինչ 20 տարի առաջ հաստատված էր թվում ֆիզիկայում, այսօր էլ մնում է ճիշտ: Մի կողմից դա բացատրվում է նրանով, որ 20-րդ դարի ֆիզիկայի հիմքը հիմնավոր է կառուցվել։ Մյուս կողմից, դարավերջին ֆինանսավորման կրճատումները ստիպեցին մահանալ կրիտիկական արագացուցիչների նախագծերը և այդպիսով կանխեցին գրքում քննարկված որոշ հիմնարար վարկածների փորձարկումը: Առաջին հերթին դա վերաբերում է Հիգսի բոզոնների հայտնաբերմանը (կամ «փակմանը»: Այս հիմնական չլուծված խնդիրը փոխանցվել է ֆիզիկոսների նոր սերնդին, ովքեր կարող են օգուտ քաղել այս գրքից: Եթե ​​մարդկությունն ընդհանրապես, և քաղաքական գործիչները, մասնավորապես, պահպանեն ողջախոհության մի հատիկ, ապա ֆիզիկայի որոշիչ փորձերը իրենց խոսքը կասեն նոր դարի առաջին երրորդում: Մոսկվա. Հոկտեմբեր 2005 Իսահակ Յակովլևիչ Պոմերանչուկի հիշատակին ԱՌԱՋԻՆ ՀՐԱՏԱՐԱԿՈՒԹՅԱՆ ՆԱԽԱԲԱՆ Այս գիրքը նվիրված է տարրական մասնիկների, նրանց միջև գործող ուժերի ֆիզիկային: Նախ մի քանի խոսք գրքի վերնագրի մասին. Մասնիկների միջև հիմնարար ուժերի ժամանակակից հետազոտությունները սկսվել են 1896 թվականին՝ ռադիոակտիվության հայտնաբերմամբ և α-, β- և γ ճառագայթների հետագա ուսումնասիրությամբ: Հետազոտության երկար ժամանակաշրջանի ավարտը երկար սպասված և, այնուամենայնիվ, սենսացիոն բացահայտումն էր 1983 թվականին: W - և Z - բոզոններ: Այստեղից էլ գրքի անվանումը՝ αβγ. . . Զ.Բայց այս գիրքը ոչ թե ֆիզիկայի պատմության, այլ նրա ներկա վիճակի և հեռանկարների մասին է: Ի վերջո, W և Z բոզոնների հայտնաբերումը միաժամանակ նոր խոստումնալից փուլի սկիզբ է։ Ֆիզիկան այբուբեն չէ, և նրա զարգացումը չի ավարտվում Զ. Ինչ-որ իմաստով անունը αβγ է: . . Z-ը ցույց է տալիս, որ գիրքը, այսպես ասած, այբբենարան է, ժամանակակից հիմնարար ֆիզիկայի հիմունքների ներածություն: Գիրքը հիմնված է գիտահանրամատչելի դասախոսությունների վրա, որոնք ժամանակ առ ժամանակ ստիպված էի կարդալ այն մարդկանց համար, ովքեր հեռու էին տարրական մասնիկների ֆիզիկայից, իսկ երբեմն էլ՝ ընդհանրապես ֆիզիկայից։ Այս դասախոսություններից վերջինը տեղի ունեցավ 1983 թվականի ամռանը՝ Z բոզոնի հայտնաբերումից անմիջապես հետո։ Խորհելով դասախոսության ընթացքում տրված հարցերի շուրջ՝ ես ուրվագծեցի այս գրքի ծրագիրը: Ես փորձել եմ գիրքն այնպես գրել, որ այն հասկանալի լինի այն մարդու համար, ով ավարտել է կամ ավարտում է միջնակարգ դպրոցը և ակտիվորեն հետաքրքրված է ֆիզիկայով։ Ես հույս ունեի այն բանի վրա, որ իմ ապագա ընթերցողը քիչ թե շատ կանոնավոր կերպով կնայեր «Քվանտ» ամսագրի հաջորդ համարները և արդեն կարդացել էր «Քվանտային գրադարան» շարքի գրքերից գոնե մի քանիսը: (Նկատի ունեցեք, որ այս գրքի շապիկի նկարը ներառում է α-, β- և γ-ճառագայթների խորհրդանշական պատկերը առաջին գրքի շապիկից, որը բացեց այս շարքը, Մ. Պ. Բրոնշտեյնի «Ատոմներ և էլեկտրոններ» գրքից): Հիմնական վտանգը: որ ամեն էջում ինձ սպասելիս ակամա ցանկություն էր ընթերցողին տեղեկացնել ոչ միայն ամենակարևոր բաների, այլև տարբեր մանր մանրամասների մասին, որոնք այնպիսի հաճույք են պատճառում մասնագետներին և այնքան անհանգստացնում սկսնակներին։ Վախենում եմ, որ որոշ դեպքերում տեքստը բավականաչափ «քաղցր չեմ արել», իսկ որոշ դեպքերում չափն անցել եմ։ Ես ինքս շահագրգռված էի ընտրել ամենակարևոր տեղեկատվությունը, անխնա անտեսելով այն ամենը, ինչ պակաս կարևոր է: Սկզբում ես ուզում էի սահմանափակվել ինձ նվազագույն տերմիններով և հասկացություններով: Բայց երբ ես գրում էի գիրքը, պարզ դարձավ, որ առանց որոշ տերմինների, որոնց ի սկզբանե հույս ունեի անել, անհնար է բացատրել որոշ երևույթների էությունը. այնպես որ գիրքը մինչև վերջ ավելի է բարդանում: Ի վերջո, գիտության նոր ոլորտին ծանոթանալու հիմնական դժվարություններից մեկը նոր տերմինների առատությունն է։ Ընթերցողին օգնելու համար նախաբանից հետո կա «խաբե թերթ»՝ տարրական մասնիկների ֆիզիկայի հիմնական հասկացությունների ամփոփում: Մասնիկների ֆիզիկան հաճախ կոչվում է բարձր էներգիայի ֆիզիկա։ Գործընթացները, որոնք ուսումնասիրում է բարձր էներգիայի ֆիզիկան, առաջին հայացքից շատ անսովոր են, դրանց էկզոտիկ հատկությունները զարմացնում են երևակայությանը: Ընդ որում, եթե լավ մտածես, պարզվում է, որ մի շարք առումներով այդ գործընթացները տարբերվում են այնպիսի սովորական երեւույթից, ինչպիսին, ասենք, փայտի այրումն է, ոչ թե որակապես, այլ միայն քանակապես՝ էներգիայի արտազատման քանակով։ Ուստի ես գիրքը սկսում եմ հիմունքներով և, մասնավորապես, այնպիսի թվացյալ հայտնի հասկացությունների հակիրճ քննարկմամբ, ինչպիսիք են զանգվածը, էներգիան և թափը: Դրանց հետ ճիշտ վարվելը կօգնի ընթերցողին հասկանալ գրքի հաջորդ էջերը: Բոլոր հիմնարար ֆիզիկայի հիմնական հասկացությունը դաշտ հասկացությունն է: Ես սկսում եմ իմ քննարկումը դպրոցական հայտնի օրինակներով և աստիճանաբար ընթերցողին ներկայացնում զարմանալի հատկությունների հարստությունը, որոնք ունեն քվանտացված դաշտերը: Փորձեցի ավելի պարզ բառերով բացատրել այն, ինչը կարելի է քիչ թե շատ պարզ բացատրել։ Բայց պետք է շեշտեմ, որ ժամանակակից ֆիզիկայում ամեն ինչ չէ, որ կարելի է պարզ բացատրել, և որ մի շարք հարցեր հասկանալու համար անհրաժեշտ է ընթերցողի հետագա խորը աշխատանքը այլ, ավելի բարդ գրքերի վրա։ Գրքի նախնական տեքստն ավարտվել է 1983 թվականի հոկտեմբերին: Այն կարդացել են Լ. Գ. Ասլամազովը, Յա. Բ. Զելդովիչը, Վ. Ի. Կիսինը, Ա. Վ. Կոգանը, Վ. Ի. Կոգանը, Ա. Բ. Միգդալը, Բ. Նրանք շատ օգտակար մեկնաբանություններ արեցին, որոնք ինձ թույլ տվեցին պարզեցնել բնօրինակ տեքստը՝ բաց թողնելով մի շարք համեմատաբար դժվար հատվածներ և ավելի մանրամասն բացատրել մի շարք այլ հատվածներ։ Ես խորապես երախտապարտ եմ նրանց դրա համար: Ես երախտապարտ եմ Է.Գ. Գուլյաևային և Ի. Ես երախտապարտ եմ Կառլո Ռուբբիային, որ թույլ տվեց վերարտադրել այն ինստալացիայի գրքային գծագրերը, որոնցում հայտնաբերվել են միջանկյալ բոզոններ: Առանձնակի ջերմությամբ և երախտագիտությամբ ուզում եմ այստեղ ասել իմ ուսուցչի՝ ակադեմիկոս Իսահակ Յակովլևիչ Պոմերանչուկի մասին, ով ինձ ծանոթացրեց տարրական մասնիկների աշխարհին և սովորեցրեց իմ մասնագիտությունը։ Ի. Յա. Պոմերանչուկը կարճ կյանք ապրեց (1913–1966 թթ.), բայց արեց արտառոց կյանք։ Նրա աշխատանքը հիմնարար դեր է խաղացել ֆիզիկայի մի շարք ոլորտներում՝ դիէլեկտրիկների և մետաղների տեսության մեջ, քվանտային հեղուկների տեսության մեջ, արագացուցիչների տեսության մեջ, միջուկային ռեակտորների տեսության մեջ, տարրական մասնիկների տեսության մեջ։ Նրա կերպարը գիտությանը մոլեռանդորեն և անձնուրաց նվիրված մարդու կերպարն է, մարդու, ով աշխատում էր անխոնջ, մեծ հետաքրքրությամբ ամեն նորի նկատմամբ, անխնա քննադատական ​​և ինքնաքննադատող, ով ամբողջ սրտով ուրախանում էր ուրիշների հաջողություններով. այս կերպարը կենդանի է: բոլորի հիշատակը, ովքեր ճանաչում էին նրան: Այս գիրքը նվիրում եմ Իսահակ Յակովլևիչ Պոմերանչուկի երանելի հիշատակին։ Մոսկվա. Սեպտեմբեր 1984 ՉԻԹ ԹԵՐԹ. ՄԱՍՆԻԿՆԵՐ ԵՎ ՓՈԽԱԶԳԻՑՆԵՐ Ատոմները կազմված են էլեկտրոններից e, որոնք կազմում են թաղանթներ և միջուկներ: Միջուկները կազմված են p պրոտոններից և նեյտրոններից n։ Պրոտոններն ու նեյտրոնները կազմված են երկու տեսակի քվարկներից՝ u և d՝ p=uud, n=ddu։ Ազատ նեյտրոնը ենթարկվում է բետա քայքայման՝ n → pe νe, որտեղ νe-ն էլեկտրոնային հականեյտրինո է։ Նեյտրոնի քայքայումը հիմնված է d-քվարկի քայքայման վրա՝ d → ue νe: Էլեկտրոնի ձգումը դեպի միջուկը էլեկտրամագնիսական փոխազդեցության օրինակ է։ Քվարկների փոխադարձ ներգրավումը ուժեղ փոխազդեցության օրինակ է: Բետա քայքայումը թույլ փոխազդեցության օրինակ է: Բացի այս երեք հիմնարար փոխազդեցություններից, բնության մեջ կարևոր դեր է խաղում չորրորդ հիմնարար փոխազդեցությունը՝ գրավիտացիոն փոխազդեցությունը, որը ձգում է բոլոր մասնիկները միմյանց: Հիմնարար փոխազդեցությունները նկարագրվում են համապատասխան ուժային դաշտերով: Այս դաշտերի գրգռումները մասնիկներ են, որոնք կոչվում են հիմնարար բոզոններ: Էլեկտրամագնիսական դաշտը համապատասխանում է γ ֆոտոնին, ուժեղ դաշտը՝ ութ գլյուոն, թույլ դաշտը՝ երեք միջանկյալ բոզոններ W +, W −, Z 0, իսկ գրավիտացիոն դաշտը՝ գրավիտոն։ Մասնիկների մեծ մասն ունի նմանակներ՝ հակամասնիկներ, որոնք ունեն նույն զանգվածները, բայց հակառակ նշանի լիցքեր (օրինակ՝ էլեկտրական, թույլ): Այն մասնիկները, որոնք համընկնում են իրենց հակամասնիկների հետ, այսինքն՝ չունեն որևէ լիցք, օրինակ՝ ֆոտոն, կոչվում են իսկապես չեզոք: e-ի և νe-ի հետ միասին հայտնի են նրանց նմանող ևս երկու զույգ մասնիկներ՝ μ, νμ և τ, ντ։ Նրանց բոլորը կոչվում են լեպտոններ։ U- և d-քվարկների հետ հայտնի են ևս երկու զույգ ավելի զանգվածային քվարկներ՝ c, s և t, b։ Լեպտոնները և քվարկները կոչվում են հիմնարար ֆերմիոններ: Երեք քվարկներից կազմված մասնիկները կոչվում են բարիոններ, իսկ քվարկից և հակաքվարկից կազմված մասնիկները՝ մեզոններ։ Բարիոններն ու մեզոնները կազմում են ուժեղ փոխազդող մասնիկների ընտանիք՝ հադրոններ։ ՀԻՄՆԱԿԱՆ ՄԱՍՆԻԿՆԵՐ՝ ԷԼԵԿՏՐՈՆ, ՊՐՈՏՈՆ, ՆԵՅՏՐՈՆ, ՖՈՏՈՆ Մասնիկների ֆիզիկան ուսումնասիրում է ամենափոքր մասնիկները, որոնցից կառուցված է մեզ շրջապատող աշխարհը և ինքներս մեզ։ Այս ուսումնասիրության նպատակն է որոշել այս մասնիկների ներքին կառուցվածքը, ուսումնասիրել այն գործընթացները, որոնցում նրանք մասնակցում են, և հաստատել օրենքներ, որոնք կարգավորում են այդ գործընթացների ընթացքը: Մասնիկների ֆիզիկայի հիմնական (բայց ոչ միակ) փորձարարական մեթոդը փորձեր կատարելն է, երբ բարձր էներգիայի մասնիկների ճառագայթները բախվում են անշարժ թիրախներին կամ միմյանց: Որքան բարձր է բախման էներգիան, այնքան ավելի հարուստ են մասնիկների փոխազդեցության գործընթացները և այնքան ավելի շատ բան կարող ենք իմանալ դրանց մասին: Այդ իսկ պատճառով այսօր մասնիկների ֆիզիկան և բարձր էներգիայի ֆիզիկան գրեթե հոմանիշներ են։ Բայց մենք կսկսենք մեր ծանոթությունը մասնիկների հետ ոչ թե բարձր էներգիայի բախումներով, այլ սովորական ատոմներով։ Հայտնի է, որ նյութը կազմված է ատոմներից, և որ ատոմներն ունեն 10−8 սմ կարգի չափեր։Ատոմների չափերը որոշվում են էլեկտրոններից կազմված նրանց թաղանթների չափերով։ Այնուամենայնիվ, ատոմի գրեթե ողջ զանգվածը կենտրոնացած է նրա միջուկում։ Ջրածնի ամենաթեթև ատոմի միջուկը պարունակում է մեկ պրոտոն, իսկ թաղանթը՝ մեկ էլեկտրոն։ (Մեկ գրամ ջրածինը պարունակում է 6 × 1023 ատոմ: Հետևաբար, պրոտոնի զանգվածը մոտավորապես 1,7 × 10−24 գ է: Էլեկտրոնի զանգվածը մոտավորապես 2000 անգամ պակաս է:) Ավելի ծանր ատոմների միջուկները պարունակում են ոչ միայն պրոտոններ, այլև նաև նեյտրոններ։ Էլեկտրոնը խորհրդանշվում է e տառով, պրոտոնը՝ p տառով, իսկ նեյտրոնը՝ n տառով։ Ցանկացած ատոմում պրոտոնների թիվը հավասար է էլեկտրոնների թվին։ Պրոտոնն ունի դրական էլեկտրական լիցք, էլեկտրոնը՝ բացասական, իսկ ատոմը որպես ամբողջություն էլեկտրականորեն չեզոք է։ Այն ատոմները, որոնց միջուկները ունեն նույն թվով պրոտոններ, բայց տարբերվում են նեյտրոնների քանակով, կոչվում են տրված 10 հիմնական մասնիկների իզոտոպներ՝ էլեկտրոն, պրոտոն, նեյտրոն, քիմիական տարրի ֆոտոն։ Օրինակ, սովորական ջրածնի հետ մեկտեղ կան ջրածնի ծանր իզոտոպներ՝ դեյտերիում և տրիտում, որոնց միջուկները պարունակում են համապատասխանաբար մեկ և երկու նեյտրոններ։ Այս իզոտոպները նշանակված են համապատասխանաբար 1 H, 2 H, 3 H, այստեղ վերնագիրը ցույց է տալիս միջուկում պրոտոնների և նեյտրոնների ընդհանուր թիվը: (Նկատի ունեցեք, որ դեյտերիումի միջուկը կոչվում է դեյտրոն, իսկ տրիտիումի միջուկը կոչվում է տրիտոն: Մենք դեյտրոնը կդիմավորենք որպես D, այն երբեմն գրվում է որպես d): Սովորական ջրածինը 1 H-ը Տիեզերքի ամենաառատ տարրն է: Երկրորդ տեղը զբաղեցնում է հելիումի 4 He իզոտոպը, որի էլեկտրոնային թաղանթը պարունակում է երկու էլեկտրոն, իսկ միջուկը՝ երկու պրոտոն և երկու նեյտրոն։ Ռադիոակտիվության հայտնաբերումից ի վեր 4 He իզոտոպի միջուկը ստացել է հատուկ անվանում՝ α-մասնիկ։ Ավելի քիչ տարածված հելիումի իզոտոպը 3He-ն է, որն իր միջուկում ունի երկու պրոտոն և միայն մեկ նեյտրոն։ Պրոտոնի և նեյտրոնի շառավիղները մոտավորապես հավասար են միմյանց, դրանք մոտ 10−13 սմ են։Այս մասնիկների զանգվածները նույնպես մոտավորապես հավասար են միմյանց՝ նեյտրոնը պրոտոնից ծանր է ընդամենը մեկ տասներորդ տոկոսով։ Նեյտրոններն ու պրոտոնները բավականին խիտ են լցված ատոմային միջուկներում, այնպես որ միջուկի ծավալը մոտավորապես հավասար է նրա բաղկացուցիչ նուկլոնների ծավալների գումարին։ («Նուկլեոն» տերմինը հավասարապես նշանակում է և՛ պրոտոն, և՛ նեյտրոն և օգտագործվում է այն դեպքերում, երբ այդ մասնիկների միջև տարբերությունները աննշան են: «Նուկլեոն» բառը գալիս է լատինական միջուկից՝ միջուկ: դա դեռ չափելի չէ։ Հայտնի է միայն, որ էլեկտրոնի շառավիղը, անշուշտ, 10−16 սմ-ից փոքր է, ուստի էլեկտրոնները սովորաբար կոչվում են կետային մասնիկներ: Երբեմն ատոմներում էլեկտրոնները համեմատվում են Արեգակնային համակարգի մոլորակների հետ։ Այս համեմատությունը մի շարք առումներով շատ անճիշտ է։ Նախ, էլեկտրոնի շարժումը որակապես տարբերվում է մոլորակի շարժումից այն առումով, որ էլեկտրոնի համար որոշիչ գործոնները դասական մեխանիկայի օրենքները չեն, այլ քվանտային մեխանիկայի օրենքները, որոնց կքննարկենք ստորև։ Առայժմ նկատենք, որ էլեկտրոնի քվանտային բնույթի արդյունքում, ատոմի «ակնթարթային լուսանկարման ժամանակ», զգալի հավանականությամբ էլեկտրոնը կարող է «լուսանկարվել» ցանկացած պահի իր ուղեծրի ցանկացած կետում և նույնիսկ. դրանից դուրս, մինչդեռ մոլորակի դիրքն իր ուղեծրում, ըստ դասական մեխանիկայի օրենքների, հաշվարկվում է միանշանակ և մեծ ճշգրտությամբ: Es- Հիմնական մասնիկներ՝ էլեկտրոն, պրոտոն, նեյտրոն, ֆոտոն 11 Եթե մոլորակը համեմատվի ռելսերի վրա ընթացող տրամվայի հետ, ապա էլեկտրոնը տաքսիի տեսք կունենա: Այստեղ տեղին է նշել մի շարք զուտ քանակական տարբերություններ, որոնք ոչնչացնում են ատոմային էլեկտրոնների և մոլորակների նմանությունը։ Օրինակ, ատոմի էլեկտրոնային ուղեծրի շառավիղի հարաբերությունը էլեկտրոնի շառավղին շատ ավելի մեծ է, քան Երկրի ուղեծրի շառավիղի հարաբերակցությունը Երկրի սեփական շառավիղին։ Ջրածնի ատոմում էլեկտրոնը շարժվում է լույսի արագության հարյուրերորդական կարգի արագությամբ ∗) և կարողանում է մեկ վայրկյանում կատարել մոտ 1016 պտույտ։ Սա մոտ մեկ միլիոն անգամ ավելին է, քան այն պտույտները, որոնք Երկրին հաջողվել է կատարել Արեգակի շուրջ իր ողջ գոյության ընթացքում։ Ծանր ատոմների ներքին թաղանթների էլեկտրոններն էլ ավելի արագ են շարժվում. դրանց արագությունը հասնում է լույսի արագության երկու երրորդին: Լույսի արագությունը վակուումում սովորաբար նշվում է c տառով։ Այս հիմնարար ֆիզիկական հաստատունը չափվել է շատ բարձր ճշգրտությամբ՝ c = 2,997 924 58(1,2) 108 մ/վ ∗∗): Մոտավորապես՝ c ≈ 300000 կմ/վրկ։ Խոսելով լույսի արագության մասին՝ բնական է խոսել լույսի մասնիկների՝ ֆոտոնների մասին։ Ֆոտոնը ատոմների նույն բաղադրիչը չէ, ինչ էլեկտրոններն ու նուկլեոնները։ Հետեւաբար, ֆոտոնների մասին սովորաբար խոսում են ոչ թե որպես նյութի մասնիկներ, այլ որպես ճառագայթման մասնիկներ։ Բայց Տիեզերքի մեխանիզմում ֆոտոնների դերը պակաս նշանակալի չէ, քան էլեկտրոնների և նուկլոնների դերը։ Կախված ֆոտոնի էներգիայից՝ այն հայտնվում է տարբեր ձևերով՝ ռադիոալիքներ, ինֆրակարմիր ճառագայթում, տեսանելի լույս, ուլտրամանուշակագույն ճառագայթում, ռենտգենյան ճառագայթներ և, վերջապես, բարձր էներգիայի γ-քվանտա։ Որքան մեծ է քվանտների էներգիան, այնքան ավելի թափանցող կամ, ինչպես ասում են, «կոշտ» են դրանք՝ անցնելով նույնիսկ բավականին հաստերի միջով։ ∗) Ավելի ճիշտ՝ ջրածնի ատոմում էլեկտրոնի արագության հարաբերակցությունը լույսի արագությունը մոտավորապես 1/137 է։ Հիշեք այս թիվը. Նրան մեկից ավելի անգամ կհանդիպեք այս գրքի էջերում։ ∗∗) Այստեղ և նմանատիպ դեպքերում փակագծերում նշված թիվը ցույց է տալիս հիմնական թվի վերջին նշանակալի թվանշանների փորձնական անճշտությունը: 1983 թվականին Կշիռների և չափումների գլխավոր կոնֆերանսը ընդունեց հաշվիչի նոր սահմանումը՝ լույսի անցած տարածությունը վակուումում 1/299,792,458 վրկ-ում։ Այսպիսով, լույսի արագությունը սահմանվում է 299792458 մ/վրկ։ 12 Զանգված, էներգիա, իմպուլս, անկյունային իմպուլս Նյուտոնյան մեխանիկայի մետաղական էկրաններում։ Մասնիկների ֆիզիկայում ֆոտոնները նշանակվում են γ տառով, անկախ դրանց էներգիայից։ Լույսի ֆոտոնների և մնացած բոլոր մասնիկների հիմնական տարբերությունն այն է, որ դրանք շատ հեշտությամբ են ստեղծվում և հեշտությամբ ոչնչացվում: Բավական է մի լուցկի հարվածել, որպեսզի ծնվեն միլիարդավոր ֆոտոններ, տեսանելի լույսի ճանապարհին տեղադրել սև թղթի կտոր, և ֆոտոնները կլանվեն դրա մեջ: Արդյունավետությունը, որով որոշակի էկրանը կլանում, փոխակերպում և վերարտադրում է իր վրա ընկած ֆոտոնները, իհարկե, կախված է էկրանի հատուկ հատկություններից և ֆոտոնների էներգիայից: Ռենտգենյան ճառագայթներից և կոշտ γ-քվանտներից պաշտպանվելն այնքան էլ հեշտ չէ, որքան տեսանելի լույսից պաշտպանելը: Շատ բարձր էներգիաների դեպքում ֆոտոնների և այլ մասնիկների միջև տարբերությունը հավանաբար ավելի մեծ չէ, քան այս մասնիկների միջև եղած տարբերությունը: Ամեն դեպքում, ամենևին էլ հեշտ չէ արտադրել և կլանել բարձր էներգիայի ֆոտոններ։ Բայց որքան քիչ էներգիա ունենա ֆոտոնը, այնքան ավելի «փափուկ» է այն, այնքան ավելի հեշտ է ծնել և ոչնչացնել այն: Ֆոտոնների ուշագրավ առանձնահատկություններից մեկը, որը մեծապես որոշում է նրանց զարմանալի հատկությունները, այն է, որ դրանց զանգվածը զրոյական է։ Զանգվածային մասնիկի համար հայտնի է՝ որքան ցածր է նրա էներգիան, այնքան դանդաղ է այն շարժվում: Զանգվածային մասնիկը կարող է ընդհանրապես չշարժվել, բայց կարող է հանգիստ վիճակում լինել: Ֆոտոնը, որքան էլ նրա էներգիան փոքր լինի, այնուամենայնիվ շարժվում է c արագությամբ։ ԶԱՆԳՎԱԾ, ԷՆԵՐԳԻԱ, ՄՈՄԵՆՏ, ԱՆԿՅՈՒՆԱՅԻՆ ՄՈՄԵՆՏՈՒՄ ՆՅՈՒՏՈՆԻ ՄԵԽԱՆԻԿԱՅՈՒՄ Մենք արդեն մի քանի անգամ օգտագործել ենք «էներգիա» և «զանգված» տերմինները։ Եկել է դրանց իմաստը ավելի մանրամասն բացատրելու ժամանակը։ Միաժամանակ կխոսենք այն մասին, թե ինչ է իմպուլսը և անկյունային իմպուլսը։ Այս բոլոր ֆիզիկական մեծությունները՝ զանգվածը, էներգիան, իմպուլսը և անկյունային իմպուլսը (այլ կերպ հայտնի է որպես անկյունային իմպուլս) հիմնարար դեր են խաղում ֆիզիկայում։ Այս ֆիզիկական մեծությունների հիմնարար դերը պայմանավորված է նրանով, որ մասնիկների մեկուսացված համակարգի համար, անկախ նրանից, թե որքան բարդ են դրանց փոխազդեցությունը միմյանց հետ, համակարգի ընդհանուր էներգիան և իմպուլսը, նրա ընդհանուր անկյունային իմպուլսը և զանգվածը պահպանված մեծություններ են, այսինքն՝ ժամանակի հետ չեն փոխվում։ Զանգվածը, էներգիան, իմպուլսը, անկյունային իմպուլսը նյուտոնյան մեխանիկայի մեջ 13 Սկսենք մեր քննարկումը նյուտոնյան մեխանիկայից, որը ձեզ քաջ հայտնի է դպրոցական դասագրքերից: Դիտարկենք m զանգվածով մարմին, որը շարժվում է v ∗ արագությամբ: Ըստ Նյուտոնի մեխանիկայի՝ նման մարմինն ունի իմպուլս p = mv և կինետիկ էներգիա T = mv2 p2 = ։ 2 2m Այստեղ v2 = vx2 + vy2 + vz2, որտեղ vx, vy, vz վեկտորի ելուստներն են համապատասխանաբար x, y, z կոորդինատային առանցքների վրա (նկ. 1): Մենք կարող ենք ցանկացած կերպ կողմնորոշել կոորդինատային համակարգը տարածության մեջ. v2-ի արժեքը չի փոխվի: Միևնույն ժամանակ, v և p վեկտորների և՛ ուղղությունները, և՛ արժեքները կախված են կոորդինատային համակարգի շարժման արագության արժեքից և ուղղությունից, որով դուք նկարագրում եք մարմնի շարժումը, կամ, ինչպես ասում են, հղումային համակարգը։ Օրինակ, Երկրի հետ կապված հղման շրջանակում ձեր տունը հանգստանում է: Արեգակի հետ կապված հղման շրջանակում այն ​​շարժվում է 30 կմ/վ արագությամբ։ Մարմինների պտտական ​​շարժումը նկարագրելիս կարևոր դեր է խաղում այն ​​մեծությունը, որը կոչվում է անկյունային իմպուլս կամ անկյունային շարժում։ 1. Արագության վեկտորի կանխատեսումները կոորդինատային առանցքների վրա: Որպես օրինակ դիտարկենք մասնիկի՝ նյութական կետի շարժման ամենապարզ դեպքը r = |r| շառավղով շրջանաձև ուղեծրում: հաստատուն արագությամբ v = |v|, որտեղ r և v համապատասխանաբար r և v վեկտորների բացարձակ արժեքներն են: Այս դեպքում L ուղեծրի շարժման անկյունային իմպուլսը, ըստ սահմանման, հավասար է r շառավիղի վեկտորի վեկտորային արտադրյալին և p մասնիկի իմպուլսի՝ L = r × p։ Եվ չնայած ժամանակի ընթացքում փոխվում են և՛ վեկտորի r, և՛ վեկտորի p ուղղությունները, L վեկտորը մնում է անփոփոխ։ Սա հեշտ է տեսնել, եթե նայեք Նկ. 2. Ըստ սահմանման երկու վեկտորների a × b վեկտորը հավասար է c վեկտորին, որի բացարձակ արժեքը |c| = |ա||բ| sin θ, որտեղ ∗) Այստեղ և հաջորդում մենք կօգտագործենք թավ տառեր՝ նշելու վեկտորները, այսինքն՝ մեծությունները, որոնք բնութագրվում են ոչ միայն իրենց թվային արժեքով, այլև տարածության մեջ իրենց ուղղությամբ։ 14 Զանգված, էներգիա, իմպուլս, անկյունային իմպուլս Նյուտոնյան մեխանիկայում θ - a և b վեկտորների միջև ընկած անկյունը; c վեկտորը ուղղահայաց է այն հարթությանը, որում ընկած են a և b վեկտորները, այնպես որ a, b և c-ը կազմում են այսպես կոչված աջ եռապատիկը (համաձայն հայտնի գիմլետի կանոնի (նկ. 3)): Բաղադրիչներում վեկտորային արտադրյալը գրվում է cx = ay bz − az by, cy = az bx − ax bz, cz = ax ըստ − ay bx: Բրինձ. 2. Ուղեծրային իմպուլս L, երբ p իմպուլս ունեցող մասնիկը շարժվում է r շառավղով շրջանաձև ուղեծրով Քանի որ խոսքը վեկտորային արտադրյալի մասին է, այստեղ նշենք նաև a և b երկու վեկտորների սկալյար արտադրյալը, որը նշանակվում է ab կամ a ·. բ. Ըստ սահմանման՝ ab = ax bx + ay by + az bz. Հեշտ է ստուգել (տես նկ. 3) որ ab = |a| |բ| cos θ և որ սկալյար արտադրյալը չի ​​փոխվում x, y, z փոխադարձ ուղղանկյուն (այսպես կոչված, դեկարտյան) առանցքների կամայական պտույտներով: Բրինձ. 3. Վեկտոր c-ն a և b վեկտորների վեկտորային արտադրյալն է Նկ. 4. Երեք միավոր վեկտոր Նկատի ունեցեք, որ երեք միավոր փոխադարձ ուղղանկյուն վեկտորները կոչվում են վեկտորներ և սովորաբար նշանակվում են nx, ny, nz (նկ. 4): Սկալյար արտադրյալի սահմանումից պարզ է դառնում, որ կացին = աքս. Նկ.-ում ցուցադրված դեպքի համար: 2, քանի որ հեշտ է ստուգել, ​​Lx = Ly = 0, Lz = |r| |p| = կոնստ. Արեգակնային համակարգի մոլորակները շարժվում են ոչ թե շրջանաձև, այլ էլիպսաձև ուղեծրերով, այնպես որ մոլորակից Արեգակ հեռավորությունը ժամանակի ընթացքում պարբերաբար փոխվում է։ Արագության բացարձակ արժեքը նույնպես ժամանակի ընթացքում պարբերաբար փոխվում է։ Բայց մոլորակի ուղեծրային իմպուլսը մնում է անփոփոխ։ (Որպես վարժություն՝ այստեղից վերցրեք Կեպլերի երկրորդ օրենքը, ըստ որի մոլորակի շառավիղի վեկտորը հավասար ժամանակահատվածներում «մաքրում» է հավասար տարածքներ)։ Ուղեծրային անկյունային իմպուլսի հետ մեկտեղ, որը բնութագրում է Արեգակի շուրջ շարժումը, Երկիրը, ինչպես մյուս մոլորակները, ունի նաև իր անկյունային իմպուլսը, որը բնութագրում է նրա ամենօրյա պտույտը։ Ներքին անկյունային իմպուլսի պահպանումը հիմք է հանդիսանում գիրոսկոպի օգտագործման համար: Տարրական մասնիկների ներքին անկյունային իմպուլսը կոչվում է սպին (անգլերեն spin-ից՝ պտտել): ԶԱՆԳԱՆԸ, ԷՆԵՐԳԻԱՆ ԵՎ ՄՈՄԵՆՏՈՒՄԸ ԷՅՆՇՏԱՅՆԻ ՄԵԽԱՆԻԿԱՅՈՒՄ Նյուտոնի մեխանիկան հիանալի կերպով նկարագրում է մարմինների շարժումը, երբ նրանց արագությունները շատ ավելի փոքր են, քան լույսի արագությունը. v գ. Բայց այս տեսությունը կոպտորեն սխալ է, երբ v մարմնի շարժման արագությունը լույսի c արագության կարգի է, և առավել եւս, երբ v=c: Եթե ​​ցանկանում եք, որ կարողանաք նկարագրել մարմինների շարժումը ցանկացած արագությամբ, մինչև լույսի արագությունը, ապա պետք է դիմեք հարաբերականության հատուկ տեսությանը, Էյնշտեյնի մեխանիկային կամ, ինչպես նաև կոչվում է, հարաբերականության մեխանիկայի: Նյուտոնի ոչ հարաբերական մեխանիկան Էյնշտեյնի հարաբերական մեխանիկայի միայն որոշակի (թեև գործնականում շատ կարևոր) սահմանափակող դեպք է։ «Հարաբերականություն» և (որը նույն բանն է) «հարաբերականություն» տերմինները վերադառնում են Գալիլեոյի հարաբերականության սկզբունքին: Իր գրքերից մեկում Գալիլեոն շատ գունեղ բացատրում է, որ նավի ներսում ոչ մի մեխանիկական փորձ չի կարող պարզել՝ արդյոք նա հանգստի վիճակում է, թե ափի համեմատ միատեսակ շարժվում է: Իհարկե, դա դժվար չէ անել, եթե նայեք ափին։ Բայց լինելով խցիկում և պատուհանից դուրս չնայելով՝ անհնար է հայտնաբերել նավի միատեսակ և գծային շարժումը։ Մաթեմատիկորեն Գալիլեոյի հարաբերականության սկզբունքն արտահայտվում է նրանով, որ մարմինների շարժման հավասարումները՝ մեխանիկայի հավասարումները, նույն տեսքն ունեն այսպես կոչված իներցիոն կոորդինատային համակարգերում, այսինքն. այսինքն՝ կոորդինատային համակարգերում, որոնք կապված են մարմինների հետ, որոնք միատեսակ և ուղղագիծ են շարժվում շատ հեռավոր աստղերի նկատմամբ։ (Գալիլեոյի նավի դեպքում, իհարկե, հաշվի չեն առնվում ոչ Երկրի օրական պտույտը, ոչ Արեգակի շուրջը, ոչ էլ Արեգակի պտույտը մեր Գալակտիկայի կենտրոնի շուրջ:) Էյնշտեյնի ամենակարեւոր արժանիքն այն էր, որ. Նա ընդլայնեց Գալիլեոյի հարաբերականության սկզբունքը բոլոր ֆիզիկական երևույթների վրա, ներառյալ էլեկտրական և օպտիկականները, որոնցում մասնակցում են ֆոտոնները։ Սա զգալի փոփոխություններ էր պահանջում այնպիսի հիմնարար հասկացությունների վերաբերյալ, ինչպիսիք են տարածությունը, ժամանակը, զանգվածը, թափը և էներգիան: Մասնավորապես, T կինետիկ էներգիա հասկացության հետ մեկտեղ ներդրվել է ընդհանուր էներգիայի E հասկացությունը՝ E = E0 + T, որտեղ E0-ը E0 = mc2 հայտնի բանաձեւով մարմնի m զանգվածի հետ կապված հանգստի էներգիան է։ Ֆոտոնի համար, որի զանգվածը զրոյական է, մնացած էներգիան E0 նույնպես զրո է: Ֆոտոնը «միայն խաղաղության մասին է երազում». այն միշտ շարժվում է c արագությամբ։ Այլ մասնիկներ, ինչպիսիք են էլեկտրոնները և նուկլեոնները, որոնք ունեն ոչ զրոյական զանգված, ունեն ոչ զրոյական հանգստի էներգիա։ m = 0 ունեցող ազատ մասնիկների համար Էյնշտեյնի մեխանիկայում էներգիայի և արագության, իմպուլսի և արագության հարաբերությունները ունեն mc2 Ev E=, p= 2 ձև: 1 − v 2 /c2 c Այսպիսով, m2 c4 = E 2 − p2 c2 կապը գործում է: Այս հավասարության աջ կողմում գտնվող երկու տերմիններից յուրաքանչյուրն ավելի մեծ է, որքան արագ է շարժվում մարմինը, բայց դրանց տարբերությունը մնում է անփոփոխ կամ, ինչպես սովորաբար ասում են ֆիզիկոսները, անփոփոխ: Մարմնի զանգվածը հարաբերական ինվարիանտ է, այն կախված չէ կոորդինատային համակարգից, որում դիտարկվում է մարմնի շարժումը։ Հեշտ է ստուգել, ​​որ Էյնշտեյնյան, իմպուլսի և էներգիայի հարաբերական արտահայտությունները վերածվում են համապատասխան Նյուտոնյան, ոչ հարաբերական արտահայտությունների, երբ v/c 1: Իրոք, այս դեպքում, ընդլայնելով Զանգվածի, էներգիայի և իմպուլսի հարաբերության աջ կողմը Էյնշտեյնյանում: մեխանիկա E = mc2 1 − 17 մի շարք v 2 /c2 փոքր պարամետրի նկատմամբ, դժվար չէ v 2 /c2 ստանալ 1 v2 3 v2 2 արտահայտությունը: E = mc2 1 + + + . . . 2 2 2 c 8 c Այստեղ կետերը ներկայացնում են ավելի բարձր կարգի տերմիններ v 2 /c2 պարամետրում: Երբ x 1, f (x) ֆունկցիան կարող է ընդլայնվել մի շարքի` x փոքր պարամետրի նկատմամբ: f (x) = f (0) + xf (0) + x2 x3 f (0) + f (0) + հարաբերության ձախ և աջ կողմերը տարբերակելը: . . 2! 3! և ամեն անգամ հաշվի առնելով x = 0-ի արդյունքը, հեշտ է ստուգել դրա վավերականությունը (x 1-ի համար անտեսված տերմինները փոքր են): Մեզ հետաքրքրող դեպքում f (x) = (1 − x)−1/2 , 1 (1 − x)−3/2 , 2 3 f (x) = (1 − x)−5/2. , 4 f ( x) = f (0) = 1, 1 2 3 f (0) = . 4 f (0) = , Նկատի ունեցեք, որ Երկրի համար ուղեծրով շարժվող 30 կմ/վ արագությամբ v 2 /c2 պարամետրը 10−8 է։ 1000 կմ/ժ արագությամբ թռչող ինքնաթիռի համար այս պարամետրն էլ ավելի փոքր է՝ v 2 /c2 ≈ 10−12։ Այսպիսով, ինքնաթիռի համար, 10−12 կարգի ճշգրտությամբ, T = mv 2 /2, p = mv ոչ հարաբերական հարաբերությունները բավարարված են, և հարաբերական ուղղումները կարող են ապահով կերպով անտեսվել: Վերադառնանք զանգվածի քառակուսին էներգիայի և իմպուլսի քառակուսու հետ կապող բանաձևին և այն գրենք E 2 m 2 c2 = − p2x − p2y − p2z ձևով։ գ Այն փաստը, որ այս հավասարության ձախ կողմը չի փոխվում մի իներցիոն համակարգից մյուսը տեղափոխելիս, նման է այն փաստին, որ իմպուլսի քառակուսին p2 = p2x + p2y + p2z, 18 Զանգվածը, էներգիան և իմպուլսը Էյնշտեյնի մեխանիկայում, ինչպես նաև ցանկացած եռաչափ վեկտորի քառակուսին, չի փոխվում, երբ կոորդինատային համակարգը պտտվում է (տես վերևում նկար 1) սովորական Էվկլիդեսյան տարածության մեջ: Ելնելով այս անալոգիայից՝ նրանք ասում են, որ m2 c2 արժեքը քառաչափ վեկտորի քառակուսին է՝ քառաչափ իմպուլս pμ (մ ցուցանիշը վերցնում է չորս արժեք՝ μ = 0, 1, 2, 3): p0 = E/ c, p1 = px, p2 = py, p3 = pz: Տարածությունը, որտեղ սահմանվում է pμ = (p0, p) վեկտորը, ասում են, որ կեղծ-էվկլիդյան է: «Կեղծ» նախածանցը այս դեպքում նշանակում է, որ ինվարիանտը ոչ թե բոլոր չորս բաղադրիչների քառակուսիների գումարն է, այլ p20 − p21 − p22 − p23 արտահայտությունը։ Երկու տարբեր իներցիոն համակարգերի ժամանակի և տարածության կոորդինատները միացնող փոխակերպումները կոչվում են Լորենցի փոխակերպումներ։ Մենք դրանք այստեղ չենք ներկայացնի, միայն կնշենք, որ եթե t ժամանակում և r տարածության երկու իրադարձությունների միջև հեռավորություն է եղել, ապա միայն s արժեքը, որը կոչվում է միջակայք՝ s = (ct)2 − r2, չի փոխվում։ Լորենցի փոխակերպումների ներքո, այսինքն՝ Լորենցի ինվարիանտ է։ Մենք շեշտում ենք, որ ոչ t, ոչ r-ն ինքնին ինվարիանտներ չեն: Եթե ​​s > 0, ապա միջակայքը կոչվում է ժամանակային, եթե s< 0, то - пространственноподобным, если s = 0, то - светоподобным. Если s < 0, то два пространственно разделенных события могут быть одновременными в одной системе координат и неодновременными в другой. Рассмотрим теперь систему n свободных, не взаимодействующих между собой частиц. Пусть Ei - энергия i-й частицы, pi - импульс, а mi - ее масса. Суммарная энергия и импульс системы соответственно равны E= n Ei , i=1 p= n i=1 Из определения массы системы, M2 = E2 p2 − , c4 c2 pi . Масса, энергия и импульс в механике Эйнштейна 19 следует, что масса системы, вообще говоря, не равна сумме масс составляющих ее частиц. В нашей нерелятивистской повседневной жизни мы привыкли к тому, что M = n mi . Но для быстрых частиц это равенство, i=1 как правило, не выполняется. Так, суммарная масса двух электронов, летящих навстречу друг другу с равными по абсолютной величине импульсами, равна 2E/c2, где E - энергия каждого из них, и в экспериментах на электронных ускорителях на много порядков превышает величину 2me , где me - масса электрона. Уместно завершить этот раздел некоторыми замечаниями, относящимися к терминологии. В некоторых книгах и научно-популярных статьях можно встретить термины «масса покоя» m0 и «масса движения», или, что то же самое, «релятивистская масса» m, которая растет с ростом скорости тела. Под массой покоя m0 подразумевается при этом та физическая величина, которую мы выше назвали просто массой и обозначили m. Под релятивистской массой m подразумевается энергия тела, деленная на квадрат скорости света: m = E/c2 (разумеется, эта величина растет с ростом скорости тела). Такая устаревшая и по существу неадекватная терминология была распространена в начале XX века, когда по каким-то чисто психологическим причинам казалось желательным сохранить ньютоновское соотношение между импульсом, массой и скоростью: p = mv. В настоящее время, в начале XXI века, эта терминология является архаизмом, который только затемняет смысл релятивистской механики для тех, кто недостаточно овладел ее основами. Следует подчеркнуть, что в релятивистской механике масса m не играет ни роли коэффициента между силой и ускорением (инертная масса), ни роли коэффициента, определяющего действие на тело гравитационного поля (гравитационная масса). Связь между силой F и ускорением dv/dt можно найти из приведенного выше выражения для импульса: p= mv 1 − v 2 /c2 , если учесть, что F = dp/dt. Известная из школьных учебников формула F = ma получается отсюда лишь в нерелятивистском пределе. Что касается гравитационного притяжения, то и здесь 20 Силы и поля масса ни при чем. Так, экспериментально установлено, что обладающий нулевой массой фотон отклоняется в гравитационном поле. Другой пример неудачной терминологии - это часто встречающееся утверждение о том, что в физике высоких энергий и в ядерной физике осуществляются якобы переходы энергии в массу и массы в энергию. Как уже было сказано выше, энергия строго сохраняется. Энергия ни во что не переходит. Происходят лишь взаимные превращения различных частиц. Многочисленные примеры процессов, в которых происходят эти превращения, будут рассмотрены на последующих страницах книги. Суть дела можно понять на примере химической реакции соединения углерода и кислорода, проявление которой можно наблюдать, глядя на тлеющие угли костра: C + O2 → CO2 + фотоны. Кинетическая энергия фотонов и молекул CO2 возникает в этой реакции за счет того, что сумма масс атома C и молекулы O2 несколько превышает массу молекулы CO2 . Таким образом, если у исходных компонентов реакции вся энергия находится в форме энергии покоя, то у конечных продуктов она представляет собой сумму энергии покоя и кинетической энергии. Итак, энергия сохраняется, меняются лишь ее носители, меняется форма, в которой она проявляется. СИЛЫ И ПОЛЯ Энергия и импульс свободно движущегося тела не меняются со временем. Но при взаимодействии двух или большего числа тел импульс (и, вообще говоря, и энергия) каждого из них претерпевает изменение. Для того чтобы произошло такое изменение, совершенно не обязательно, чтобы тела пришли в непосредственное соприкосновение, столкнулись. Они могут действовать друг на друга и на расстоянии. Так, например, Земля и спутник взаимно притягивают друг друга, в результате чего их импульсы все время меняются. Изменения импульсов у них равны и противоположны, так что полный импульс системы не меняется. (Мы замечаем изменение импульса спутника и не замечаем изменения импульса Земли, потому что масса Земли очень велика по сравнению с массой Силы и поля 21 спутника, а изменение скорости тела при данном изменении импульса обратно пропорционально массе.) Примерно так же действуют друг на друга протон и электрон в атоме водорода. Между Землей и спутником действует так называемое гравитационное (ньютоновское) притяжение, между протоном и электроном - электрическое (кулоновское). В обоих случаях сила притяжения обратно пропорциональна квадрату расстояния. Тела действуют друг на друга на расстоянии, создавая вокруг себя силовые поля. Другим хорошо известным примером силового поля является магнитное поле, например, магнитное поле Земли, действующее на стрелку компаса. Находясь в силовом поле, частица наряду с энергией покоя E0 и кинетической энергией T обладает еще и потенциальной энергией U. Так что полная энергия в этом случае является суммой не двух, а трех слагаемых: E = E0 + T + U. Потенциальная энергия равна со знаком минус работе, которую надо затратить, чтобы развести два покоящихся взаимодействующих тела на такие большие расстояния, где их воздействие друг на друга становится пренебрежимо малым. Из этого определения следует, что потенциальная энергия в случае притяжения отрицательна. Здесь уместно сделать отступление и сказать о единицах энергии и массы. Единицей энергии в физике частиц служит электрон-вольт (эВ) и его производные 1 кэВ = 103 эВ, 1 МэВ = 106 эВ, 1 ГэВ = 109 эВ, 1 ТэВ = 1012 эВ. Один электрон-вольт равен энергии, которую приобретает электрон, проходя разность потенциалов в один вольт. Если учесть, что 1 Дж = · = 1 Кл · 1 В и что один кулон равен суммарному заряду примерно 6 × × 1018 электронов, то нетрудно получить 1 эВ ≈ 1,6 · 10−19 Дж. Отметим, что вольт, кулон и джоуль являются единицами международной системы единиц СИ (Systèm International d’Unités). Электрон-вольт служит в физике элементарных частиц и единицей массы. Более точно было бы сказать, что единицей массы служит величина 1 эВ/ с2, где c - скорость света: 1 эВ/c2 ≈ 1,8 · 10−33 г. Но физики, имеющие дело с элементарными частицами, как правило, используют c в качестве единицы скорости и предпочитают ве- 22 Силы и поля личину c опускать, поскольку c/c = 1. Зачастую такую систему на физическом жаргоне называют системой c = 1. Так, масса электрона me ≈ 0,511 МэВ, масса протона mp ≈ 938,28 МэВ, масса нейтрона mn ≈ 939,57 МэВ. Вернемся теперь к движению тел в поле центральных сил, обратно пропорциональных квадрату расстояния до центра системы. Используя уравнение нерелятивистской механики, нетрудно убедиться, что при стационарном движении спутника по круговой орбите вокруг Земли или электрона вокруг атомного ядра потенциальная энергия по абсолютной величине в два раза больше кинетической: U = −2T. Действительно, ньютоновская потенциальная энергия U =− GN M m , r здесь r - расстояние от спутника до центра Земли, m - масса спутника, M - масса Земли, а GN - константа Ньютона (в единицах СИ GN = 6,7 · 10−11 м3 · кг−1 · с−2 , но для наших рассуждений числовое значение GN несущественно). Сила гравитационного притяжения спутника Земли F = = GN M m/r2, а его центростремительное ускорение равно v 2 /r. Учитывая, что кинетическая энергия спутника T = mv 2 /2, получаем T = GN M m 2r и, следовательно, T = Рис. 5. Соотношение между кинетической энергией T и потенциальной энергией U спутника, ε - энергия связи 1 |U |. 2 Зависимость U от r и соотношение между U и T приведены на рис. 5. На рисунке изображена также величина ε, называемая энергией связи. По определению энергия связи ε равна ε = − (U + T) . Для ньютоновского потенциала ε = 1 = − U = T. Мы видим, что масса системы «спутник + Земля» 2 меньше, чем сумма масс спутника и Земли на ε/c2. Значение энергии связи тем больше, чем ближе к Земле спутник. Квантовые явления 23 Аналогичным образом масса атома водорода меньше, чем сумма масс электрона и протона, и тоже зависит от того, на каком среднем расстоянии r от ядра движется электрон. Соответствующая разность масс носит название дефекта массы (умноженная на c2 она равна энергии связи электрона). КВАНТОВЫЕ ЯВЛЕНИЯ В случае атома мы говорим о среднем расстоянии между электроном и ядром, а не о радиусе орбиты, потому что, как уже упоминалось выше, в силу законов квантовой механики, электрон в атоме, в отличие от спутника, не имеет определенной орбиты. В отличие от энергии спутника, энергия электрона в атоме, а следовательно, и масса атома могут принимать лишь дискретный (не непрерывный) набор значений. Этого требует квантовая механика, законам которой подчиняется движение мельчайших частиц материи. Важную роль в квантовой механике играет физическая величина S , называемая действием. Размерность действия равна произведению размерностей энергии и времени: [S] = [E] [t] ; здесь скобки означают размерность заключенной в них величины. Поскольку [E] = [m] l2 t−2 , где l - длина, a m - масса, то легко убедиться, что [S] = [m] l2 t−1 . Подобно тому, как в теории относительности фундаментальной константой является скорость света c, так в квантовой механике фундаментальной константой является квант действия h̄ (его называют также постоянной Планка): h̄ = 1,054 588 7 (57) · 10−34 Дж · с. Глядя на это число, нетрудно осознать, что для всех макроскопических процессов значение S колоссально по сравнению с h̄. Именно поэтому макроскопические процессы так хорошо описываются классической механикой и квантовые эффекты в них пренебрежимо малы. 24 Квантовые явления Однако для электронов в атомах действие S - порядка h̄, и квантовые эффекты становятся определяющими. Одним из ярких проявлений квантовой механики является так называемое квантование углового момента. Нетрудно проверить, что угловой момент имеет ту же размерность, что и постоянная Планка. Так вот, согласно квантовой механике, угловой момент орбитального движения частиц может принимать лишь значения, кратные h̄. В нашей обыденной жизни мы не можем заметить этой дискретности углового момента, потому что угловые моменты макроскопических тел выражаются в единицах h̄ поистине астрономическими числами, и точность макроскопических измерений недостаточна, чтобы можно было, скажем, у обычного детского волчка (юлы) обнаружить дискретность углового момента. Но для электронов в атомах величина h̄ является естественной единицей измерения углового момента. Наинизшее орбитальное состояние электрона имеет нулевой угловой орбитальный момент, L = 0, более высоким состояниям соответствуют L = h̄, 2h̄ и т. д. Как ни парадоксально это звучит, но «квантованными величинами» являются не только сам угловой момент lh̄, но и его проекции на оси координат, которые могут принимать лишь целые значения от −lh̄ до +lh̄. Наряду с орбитальным угловым моментом элементарные частицы имеют и определенные значения собственного углового момента - спина. Значения спина кратны h̄/2. Так, у электрона и нуклонов спин равен 1/2 (в единицах h̄), у фотона он равен 1. Частицы с полуцелыми (в единицах h̄) значениями спина называются фермионами, а с целыми - бозонами (в честь итальянского физика Э. Ферми и индийского физика Ш. Бозе). Фермионы - «индивидуалисты», бозоны - «коллективисты»: на данном энергетическом уровне может находиться не более одного фермиона с данной проекцией спина. Именно этим объясняется то, что электроны в атомах не сидят все на самом нижнем энергетическом уровне, а по мере роста заряда ядра заполняют все более далекие от ядра оболочки, формируя таким образом таблицу Менделеева. Бозоны, наоборот, все стремятся попасть в одно и то же состояние. Заметим попутно, что это свойство бозонов служит причиной сверхтекучести гелия (спин атома гелия равен нулю); это же свойство бозонов лежит в основе действия лазера. Квантовые явления 25 Квантование углового момента является лишь одним из многочисленных проявлений квантовой природы микрочастиц. Здесь следует подчеркнуть, что, внеся жесткую дискретность в одни классические величины (дискретные уровни энергии, квантование углового момента), квантовая механика, вместе с тем, потребовала отказа от классической детерминированности целого ряда других величин, которые приобрели в ней вероятностный характер. В частности, вероятностный характер приобрело понятие траектории частицы. Место траектории - величины однозначной в классической механике - заняла сумма по путям. Вероятностный, статистический характер имеют также и такие понятия, как время жизни возбужденного уровня атома и сечение - величина, имеющая размерность площади и характеризующая вероятность того или иного процесса, который может произойти в результате столкновения частиц. В квантовой механике частицы описываются так называемыми волновыми функциями. Вообще, микрочастицы являются своеобразными «кентаврами», соединяющими в себе и свойства корпускул, т. е. частиц, и свойства волн. Проще всего наблюдать эту корпускулярноволновую двойственность (или как говорят, корпускулярно-волновой дуализм) у фотонов. С одной стороны, при столкновении фотона с электроном фотон не в меньшей степени, чем электрон, ведет себя как частица, отскакивая в определенном направлении, с определенной энергией в соответствии с тем, каков импульс отдачи электрона. С другой стороны, фотон с импульсом p ведет себя и как волна с длиной волны λ = h̄/|p|. Волновые свойства фотонов особенно ярко проявляются в таких явлениях, как дифракция и интерференция света. То же самое соотношение между длиной волны и импульсом, λ = h̄/|p|, характеризует не только фотоны, но и все другие частицы: электроны, протоны, нейтроны, а также конгломераты частиц: атомы, молекулы, автомобили. . . Но чем тяжелее тело, тем больше его импульс, тем меньше его длина волны и, следовательно, тем труднее обнаружить его волновые свойства. Ярким выражением корпускулярно-волновой природы частиц является соотношение неопределенности, связывающее между собой неопределенности в координате и импульсе частицы: Δr Δp h̄. 26 Квантовые явления Чем меньше область, в которой движется частица, тем больше неопределенность в ее импульсе. По существу, именно это обстоятельство и приводит к тому, что в каждом атоме существует наинизшее энергетическое состояние с ненулевой кинетической энергией: оно называется основным. Действительно, при заданных размерах атома импульс, а следовательно, и кинетическая энергия электрона не могут быть сколь угодно малыми. Используя соотношение неопределенности, можно оценить порядок величины энергии связи ε электрона, находящегося на основном уровне атома водорода. Запишем выражение для потенциальной U и кинетической T энергии электрона: e2 r U =− , T = p2 . 2me Полагая в соответствии с соотношением неопределенности p ≈ h̄/r и учитывая (см рис. 5), что 2T = |U |, получим h̄2 e2 ≈ , r r me 2 откуда r ≈ h̄2 e me 2 и для энергии связи ε имеем следующую оценку: ε=T ≈ e4 me . 2h̄2 По счастливой случайности наши грубые оценки r и ε совпали с округленными величинами общепринятых значений радиуса атома водорода (так называемого боровского радиуса r0) и энергии связи атома водорода ε0: r0 = h̄2 = 0,529 177 210 8(18) · 10−10 м, e2 me ε0 = e4 me = 13,605 692 3(12) эВ. 2h̄2 Если ввести безразмерную величину α = e2 /h̄c, то получим ε0 = 1 2 α m e c2 , 2 r0 = 1 h̄ . α me c (Отношение h̄/me c = 3,861 592 678(26) · 10−13 м принято называть комптоновской длиной волны электрона). Величина α получила в атомной физике название «постоянной тонкой структуры» и имеет значение α = 1/137,035 999 11(46). Атомные и ядерные реакции 27 Теперь нетрудно оценить и скорость электрона в атоме водорода. Она, как уже было сказано (см. с. 11), действительно составляет примерно 1/137 скорости света. При столкновениях атома с другими атомами или при облучении атома ультрафиолетовым излучением электрон либо может быть выбит из атома (это называется ионизацией атома), либо может перейти на какой-либо из более высокорасположенных уровней (это называется возбуждением атома). Энергия связи n-го возбужденного уровня атома водорода εn выражается через энергию связи основного уровня ε0 следующим образом: εn = ε0 (n + 1)−2 , где n = 1, 2, 3, . . . Дискретные уровни характерны, разумеется, не только для электронов в атоме, но и для атомов в молекулах (здесь расстояния между уровнями существенно меньше, чем в атомах), и для нуклонов в атомных ядрах (здесь расстояния между уровнями гораздо больше, чем в атомах). Итак, каждая молекула, каждый атом, каждое атомное ядро (за исключением самых простейших - протона и дейтрона) имеют, наряду с основным состоянием, набор дискретных возбужденных состояний. Из сказанного выше ясно, что массы молекул, атомов, ядер в возбужденных состояниях превышают их массы в основном состоянии. АТОМНЫЕ И ЯДЕРНЫЕ РЕАКЦИИ Вы уже знаете, что когда горит костер, атомы углерода и водорода, входящие в состав древесины, соединяются с атомами кислорода из воздуха, и образуются соответственно углекислый газ и вода. Сумма масс молекул, вступающих в реакцию горения, больше, чем сумма масс образовавшихся молекул. В силу сохранения энергии, кинетическая энергия продуктов горения должна быть больше, чем кинетическая энергия молекул, вступающих в реакцию. Этот избыток кинетической энергии мы воспринимаем как выделение тепла при горении. Неправильно было бы говорить, что при этом происходит превращение массы в энергию. Правильнее было бы сказать, что часть массы превращается в кинетическую энергию. И совсем правильно было бы сказать, что энергия переходит из одной формы (энергии покоя) 28 Атомные и ядерные реакции в другую форму (кинетическую энергию). Заметьте, что полная масса системы не меняется. Когда в листьях растений под действием солнечных лучей углекислый газ и вода превращаются в органические соединения и кислород, то масса возрастает. Необходимая для этого энергия поставляется Солнцем - это кинетическая энергия солнечных фотонов. В течение всей предшествующей истории человечества именно Солнце в конечном счете являлось поставщиком энергии, использовавшейся людьми. А что является источником энергии самого Солнца? Таких источников два: во-первых, гравитационное сжатие, во-вторых, препятствующие этому сжатию ядерные реакции, в которых суммарная масса возникших в реакции ядер меньше, чем суммарная масса ядер, вступивших в реакцию. Разность масс (разность энергий покоя) равна избыточной кинетической энергии образовавшихся при этом частиц. Солнце излучает эту энергию в пространство, в основном - в виде фотонов. Когда атомы сталкиваются друг с другом с достаточно высокими скоростями, они возбуждаются; электроны в них переходят на возбужденные уровни и массы атомов возрастают. Атом не может долго находиться в возбужденном состоянии: через некоторое время он испускает фотон и переходит в основное состояние. Фотоны излучаются атомными электронами, переходящими с одной орбиты на другую. Очень важно осознать, что фотон, излучаемый атомом, не хранился в нем до этого, а рождается в момент излучения. Изменение движения электрических зарядов (электронов) вызывает возбуждение электромагнитного поля, квантами, «порциями» которого являются фотоны. Точно так же не хранятся фотоны и в раскаленной нити электрической лампочки. Они рождаются и излучаются «разогретыми» электронами. Энергия E фотона связана с его частотой ω соотношением E = h̄ω. Если учесть, что длина волны света и его частота связаны соотношением λ = ωc, то мы увидим, что квант света определенной длины волны имеет строго определенную энергию. Поле покоящегося электрического заряда - чисто статическое, это - так называемое кулоновское поле. Но поле движущегося заряда содержит возбуждения с ненулевой частотой. При изменении скорости заряда эти возбуждения как бы «стряхиваются» и вылетают в виде свободных фотонов. Слабое и сильное взаимодействия 29 Возбужденные атомы излучают не только видимый свет. Если атом тяжелый и возбуждены в нем внутренние, быстро движущиеся электроны, то при его высвечивании испускаются рентгеновские лучи. Аналогично атомам излучают фотоны и возбужденные ядра. Только фотоны, испускаемые ядрами (ядерные γ -кванты), гораздо энергичнее атомных фотонов. (Если энергия связи электрона в атоме водорода составляет 13,6 эВ, то энергия связи нуклона в ядре в среднем равна примерно 8 МэВ.) При достаточно большой энергии возбуждения ядра могут излучать и другие частицы, а не только фотоны. Разнообразие таких ядерных реакций очень велико. Но все их можно разбить на два больших класса. К одному классу принадлежат такие реакции, когда из ядра вылетают одиночные нуклоны или даже целые сгустки нуклонов - ядерные осколки. Это происходит, например, при α-распаде (напомним, что α-частица - это ядро атома гелия) или при делении урана. К другому классу принадлежат такие реакции, в которых избыточная энергия нестабильного ядра уносится частицами, которых до момента излучения в ядре не было. Простейший пример этого, второго, класса реакций - испускание фотонов. Сейчас мы познакомимся с другим явлением - испусканием ядрами пары частиц: электрона и нейтрино (более точно: электрона и антинейтрино). Это явление было открыто в конце XIX века и было названо β -распадом. СЛАБОЕ И СИЛЬНОЕ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ Природа частиц, испускаемых при β -распаде, была установлена далеко не сразу. Одна из этих частиц электрически заряжена, вторая - электрически нейтральна. До тех пор, пока не установили, что заряженная частица - это электрон, ее называли β -частицей. (Сам электрон был открыт незадолго до открытия β -распада.) Вообще, после открытия радиоактивности довольно быстро установили, что есть три типа радиоактивного распада: α, β , γ. Мы знаем теперь, что α-лучи - это ядра гелия, β -лучи - это электроны, а γ -лучи - ядерные γ -кванты. В начале 30-х годов стало ясно, что при β -распаде испускается не только электрон, но и еще какая-то частица, не имеющая заряда. Ее назвали нейтрино (по-итальянски это означает «нейтрончик»). 30 Слабое и сильное взаимодействия Простейшим примером β -распада является распад свободного нейтрона (рис. 6), при котором нейтрон превращается в протон, испуская электрон и нейтрино (более точно - антинейтрино ∗), смысл приставки «анти» мы поясним через некоторое время): n → p + e− + ν. Распад нейтрона возможен потому, что масса нейтрона превышает сумму масс протона, электрона и антинейтриРис. 6. β -распад нейтрона но. Как и в случае испускания γ -кванта возбужденным ядром, частицы, возникающие при β -распаде нейтрона, не «сидели в нем» заранее, они рождаются в момент распада, «стряхиваются» с него. Но если при изменении состояния атомного электрона излучается одна частица - фотон, то при превращении нейтрона в протон излучается сразу пара частиц: электрон плюс антинейтрино. С точки зрения энергетики процесс β -распада не отличается от других процессов, которые мы рассматривали выше. И тем не менее, в нем мы имеем дело с фундаментальными силами, с которыми мы до сих пор на страницах этой книги не встречались. Выше мы говорили о гравитационном взаимодействии. Говорили о различных проявлениях электромагнитного взаимодействия, в частности, о притяжении разноименно заряженных частиц и об испускании и поглощении фотонов. Неявно касались мы и так называемого сильного взаимодействия, притягивающего друг к другу нуклоны в ядре. Сильным это взаимодействие назвали потому, что ядерные силы гораздо интенсивнее электромагнитных, о чем свидетельствует большая энергия связи нуклонов в ядре. В β -распаде мы сталкиваемся с проявлением четвертого типа фундаментальных сил - так называемого слабого взаимодействия. Слабым его назвали потому, что в каждодневной жизни его проявления кажутся пренебрежимо слабыми, и потому, что в атомах и ядрах оно действует гораздо слабее, чем сильное и электромагнитное взаимодействия; а обусловленные им процессы имеют меньшие вероятности и, следовательно, протекают медленнее. ∗) Нейтрино обозначают обычно греческой буквой ν (ню). Для обозначения антинейтрино над буквой ν ставят знак тильда: ν. Слабое и сильное взаимодействия 31 Как известно, в магнитном поле γ -лучи вообще не отклоняются, а α- и β -лучи отклоняются в противоположные стороны, как это изображено на рисунке на обложке этой книги. Мне вспоминается одно из долгих вечерних обсуждений судеб физики, которые много лет назад время от времени устраивал со своими учениками и сотрудниками руководитель теоретического отдела Института теоретической и экспериментальной физики академик И. Я. Померанчук. Во время этого обсуждения широко известный специалист по квантовой электродинамике В. Б. Берестецкий заметил, что упомянутый рисунок, вошедший во все школьные учебники, может служить символом трех фундаментальных взаимодействий: ведь α-распад - это проявление сильного взаимодействия, β -распад - слабого, а γ -распад - электромагнитного. В первые десятилетия прошлого века физика каждого из этих взаимодействий оформилась в отдельную науку. В настоящее время происходит синтез этих наук, об этом речь пойдет в конце книги. А пока продолжим разговор о β -распаде. На первый взгляд может показаться, что мир вообще и человечество в частности вполне могли бы обойтись без слабого взаимодействия. Ведь β -распад - это довольно экзотическое явление. Но такое заключение о несущественности слабого взаимодействия было бы глубоко ошибочным. Достаточно сказать, что если бы удалось «выключить» слабое взаимодействие, то погасло бы наше Солнце. Дело в том, что узловым процессом, открывающим путь к дальнейшим ядерным реакциям на Солнце, является процесс, в котором два протона и электрон превращаются в дейтрон D и нейтрино νe . Заметим, что одноступенчатое превращение (рис. 7) p + p + e− → D + ν происходит лишь в 0,25 % всех случаев В 99,75 % случаев реакция идет в две ступени. На первом этапе рождается позитрон e+ в реакции (рис. 8) p + p → D + ν + e+. На втором этапе происходит реакция аннигиляции в фотоны позитрона и одного из солнечных электронов e+ + e− → 2γ или 3γ. 32 Слабое и сильное взаимодействия Рис. 7. Слабая реакция p + p + e− → D + ν Рис. 8. Слабая реакция p + p → D + ν + e+ Более подробно о позитронах и аннигиляции будет сказано ниже (см. раздел «Античастицы»). Напомним, что дейтрон D - это ядро дейтерия, тяжелого изотопа водорода, представляющее собой связанное состояние протона и нейтрона. На рис. 7 и 8 волнистые линии условно изображают сильное ядерное взаимодействие, связывающее протон и нейтрон в дейтроне. Энергия связи дейтрона составляет примерно 2,2 МэВ. Если учесть, что масса нейтрона на 1,3 МэВ больше массы протона, масса позитрона составляет 0,5 МэВ, а масса нейтрино пренебрежимо мала, то нетрудно оценить энерговыделение в процессе, изображенном на рис. 8. Оно составляет всего 0,4 МэВ. Описанный выше слабый процесс, который в некотором смысле можно считать процессом, обратным β -распаду нейтрона, является основным поставщиком солнечных нейтрино. Однако мы только что убедились, что кинетическая энергия, выделенная в этом процессе, сравнительно невелика. Основное выделение тепла происходит за счет дальнейшего превращения двух ядер дейтерия в ядро гелия, содержащее два протона и два нейтрона. В основном это превращение происходит за счет двух реакций: D + p → 3 He + γ + 5,5 МэВ, 3 He + 3 He → 4 He + 2p + 12,9 МэВ. В первой из них работает как сильное, так и электромагнитное взаимодействие (в ней испускается γ -квант), во второй - только сильное взаимодействие. Большее энерговыделение во второй реакции связано с тем, что нуклоны в α-частице плотно упакованы и обладают большей энергией связи. Подобные реакции слияния ядер называются термоядерными, поскольку они идут только при высокой температуре. Высокая Физика высоких энергий 33 температура необходима для того, чтобы ядра могли вплотную подойти друг к другу. Ведь, как известно, одноименные электрические заряды отталкиваются. Чтобы ядра могли преодолеть это электрическое отталкивание и сблизиться на расстояние порядка 10−13 см, им надо сообщить достаточно большую кинетическую энергию. Основная надежда человечества и основная угроза самому его существованию связаны с термоядерными реакциями. Если бы удалось осуществить управляемые термоядерные реакции в промышленных условиях, то это дало бы доступ к огромным запасам энергии и навсегда (в современных масштабах) избавило бы человечество от угрозы энергетического кризиса. С другой стороны, если взорвутся те огромные запасы водородных бомб, которые накоплены и продолжают накапливаться в ядерных арсеналах все большего числа стран, то человечество будет уничтожено. ФИЗИКА ВЫСОКИХ ЭНЕРГИЙ До сих пор мы были только на подступах к основной теме этой книги. Предмет нашего изучения - физика частиц высоких энергий - не имеет никакого отношения ни к атомным электростанциям, ни к атомным бомбам. Цель физики высоких энергий - выяснение природы фундаментальных сил и структуры элементарных частиц. Такое подробное введение нам понадобилось потому, что «нельзя получить высшего образования, не имея до этого низшего». Кроме того, в процессах при высоких энергиях имеется много общего с процессами при низких энергиях. (Энергии термоядерных реакций, если сравнить их с тем, что сегодня называют высокими энергиями, столь же низки, сколь низка энергия видимого света по сравнению с энергией ядерных γ -квантов.) В частности, все реакции при высоких энергиях, сколько бы частиц в них ни рождалось, подчиняются закону сохранения энергии. Поэтому, чтобы родить новую тяжелую частицу, необходимо осуществить столкновение достаточно энергичных исходных частиц. Именно поэтому на предыдущих страницах мы затратили так много времени на рассмотрение процессов, при которых более легкие частицы превращаются в более тяжелые и наоборот. В этом отношении в процессах, происходящих при высоких энергиях, ничего принципиально нового нет. Но в целом ряде других отношений физика высоких энергий 2 Л. Б. Окунь 34 Ускорители поразительна: она открыла нам целый мир фундаментальных, глубинных и вместе с тем удивительных явлений и закономерностей. Первый этап развития физики высоких энергий, начало 30-х - конец 40-х годов прошлого века, был связан с изучением космических лучей. Первичные космические лучи - это поток быстрых протонов, падающих на Землю из космического пространства. Сталкиваясь с ядрами атомов атмосферы, первичные протоны рождают многочисленные вторичные частицы. При изучении этих вторичных частиц удалось обнаружить, что среди них, наряду с обычными частицами - фотонами, электронами, нуклонами, рождаются и другие, совершенно новые частицы. Для выяснения природы этих частиц с конца 40-х годов начали строить все более мощные ускорители заряженных частиц. УСКОРИТЕЛИ В зависимости от типа ускоряемых частиц, различают электронные и протонные ускорители, а также ускорители тяжелых ионов. Кроме того, ускорители бывают кольцевые и линейные. Кольцевых ускорителей в настоящее время намного больше, чем линейных. Один из самых больших кольцевых протонных ускорителей находится в Европейской организации ядерных исследований, вблизи Женевы, другой - в Фермиевской национальной лаборатории в Батавии, вблизи Чикаго. Максимальная энергия протонов в этих ускорителях составляет 400 и 1000 ГэВ соответственно. Ускорители эти расположены в кольцевых тоннелях длиной около семи километров. До пуска в начале 70-х годов большого ускорителя вблизи Женевы рекордной энергией (76 ГэВ) обладал протонный ускоритель в Институте физики высоких энергий в Протвино, вблизи Серпухова, работающий с 1968 г. Длина кольцевого тоннеля этого ускорителя - около полутора километров. В тоннеле кольцевого ускорителя, вдоль всего кольца, стоят электромагниты, которые, отклоняя частицы, заставляют их двигаться по кольцу внутри трубы, из которой откачан воздух. Эта кольцевая труба называется вакуумной камерой. Чем сильнее магнитное поле в магнитах, тем более энергичные частицы могут быть удержаны внутри камеры. Ускорители 35 Итак, магниты удерживают частицы на «цирковом треке». Роль ускоряющего бича при этом играет электрическое поле. Несколько ускоряющих промежутков с электрическим полем, ускоряющим частицы, расположено вдоль кольца. В кольцевом ускорителе частица много раз пролетит по кольцу, прежде чем наберет нужную энергию, поэтому электрическое поле здесь может быть не очень сильным. В линейном ускорителе, напротив, ускоряющие электрические потенциалы должны быть предельно высокими, потому что частица должна набрать всю свою энергию за один пролет. Рекордные значения переменных электрических полей были достигнуты в свое время в Институте ядерной физики в новосибирском Академгородке: они приближались к мегаэлектронвольту на сантиметр. Эти поля создавались для будущего линейного электронного ускорителя, в котором темп ускорения составит примерно 100 МэВ/м. Активно обсуждаются также и возможности использования лазеров для создания еще больших темпов ускорения. Но это уже - техника XXI века. Самый большой из действующих линейных ускорителей расположен в Стенфорде, вблизи Сан-Франциско. Его длина несколько превышает 3 км. В нем ускоряются электроны до энергии 20 ГэВ. Примерно такова же предельная энергия и двух самых больших кольцевых электронных ускорителей, один из которых расположен в том же Стенфорде, а другой - вблизи Гамбурга. Длина колец этих ускорителей превышает 2 км. Внимательный читатель, по-видимому, заметил, что эффективность на единицу длины у протонных кольцевых ускорителей больше, чем у электронных. Это связано с тем, что электроны, будучи более легкими, при движении по изогнутой траектории более интенсивно излучают так называемое синхротронное излучение. Чтобы уменьшить потери энергии на синхротронное излучение, приходится уменьшать центростремительное ускорение и, следовательно, увеличивать радиусы электронных ускорителей. После того как частицы разогнались до нужной энергии, пучок частиц выпускают из ускорителя и направляют на мишень, в которой, сталкиваясь с ядрами вещества мишени, частицы пучка рождают новые частицы. Некоторые из этих новых частиц обладают большими временами жизни и вылетают из мишени, другие живут так мало, что распадаются прямо в мишени (многие из них не успевают даже вылететь за пределы того атома, 2* 36 Ускорители на ядре которого они рождены). В последнем случае из мишени вылетают частицы - продукты распада. С помощью специальных магнитов частицы, вылетающие из мишени, формируются во вторичные пучки, которые направляются в экспериментальные залы, где расположены установки, детектирующие эти частицы и их взаимодействия. В последние годы все большее значение приобретают такие кольцевые ускорители, в которых ускоренные частицы сталкиваются не с неподвижной мишенью, а с пучком частиц, ускоренных в противоположном направлении. Преимуществом сталкивающихся пучков является то, что они дают большой выигрыш полезной энергии, которую можно использовать для рождения новых частиц. Рассмотрим два встречных пучка частиц массы m, имеющих энергию E и противоположно направленные импульсы: +p и −p. Полная энергия таких сталкивающихся частиц равна 2E , а их суммарный импульс равен нулю. Система координат, в которой суммарный импульс двух частиц равен нулю, называется системой центра масс. В данном случае система центра масс совпадает с лабораторной системой координат. Энергии 2E отвечает масса M , равная 2E/c2. Вся эта энергия 2E , вообще говоря, может идти на создание новых частиц. Рассмотрим теперь столкновение пучка тех же частиц с неподвижной водородной мишенью (мишенью, содержащей атомы водорода). Пусть энергии каждой из частиц пучка по-прежнему равна E , масса частицы m, а импульс равен p, так что p2 c2 = E 2 − m2 c4 . Обозначим массу протона (в водородной мишени) через μ. Тогда, по определению, масса системы «частица + протон» или, что то же самое, полная энергия в системе центра масс частицы и протона определяется соотношением 2 M 2 c4 = E + μc2 − p2 c2 = 2Eμc2 + μ2 c4 + m2 c4 . Теперь уже система центра масс движется относительно лабораторной системы координат. Если E во много раз больше μc2 и mc2, то получается, что энергия в системе центра масс сталкивающихся частиц в первом случае в 2E/μc2 раз больше, чем во втором. А по существу, только энергия в системе центра масс и является эффективной энергией столкновения и определяет характер этого столкновения. Античастицы 37 Ясно и без всяких формул, что лобовое столкновение двух встречных автомобилей гораздо энергичнее, чем столкновение одного из них со стоящей машиной. Однако в случае релятивистских частиц выигрыш в энергии гораздо больший. Первые ускорители со встречными пучками, их назвали коллайдерами, появились еще в 50-е годы, но наиболее интересные результаты получены на них в течение последних десятилетий. В дальнейшем мы еще познакомимся с некоторыми экспериментами, проведенными на коллайдерах, а пока попытаемся кратко сформулировать то основное, что вообще принесли эксперименты при высоких энергиях. Наиболее яркие достижения физики высоких энергий - это античастицы, адроны и кварки, поколения лептонов и кварков, нарушенные симметрии, фундаментальные векторные бозоны. Разъясним по порядку, что кроется за этими терминами. АНТИЧАСТИЦЫ Первая античастица - позитрон - была теоретически предсказана и экспериментально открыта в начале 30-х годов. Позитрон является античастицей по отношению к электрону. Он имеет точно такую же массу и абсолютную величину заряда, что и электрон, но знак заряда позитрона противоположен знаку заряда электрона: заряд позитрона положителен. Поэтому электрон и позитрон обозначают соответственно e− и e+. В пустоте позитрон так же стабилен, как и электрон. Однако встреча электрона с позитроном кончается плохо для них обоих: они «исчезают» - аннигилируют, излучая при этом фотоны (γ -кванты). При аннигиляции электрона и позитрона испускается, как правило, два или три γ -кванта: e+ + e− → γ + γ , e+ + e− → γ + γ + γ. Ничего мистического в «исчезновении» электрона и позитрона нет. Просто, в отличие от реакций, рассмотренных выше, в реакции аннигиляции энергия покоя электрона и позитрона полностью переходит в энергию движения γ -квантов. В лабораторных условиях, на ускорителях, наблюдается также реакция, обратная реакции аннигиляции электрона и позитрона. При столкновении двух γ -квантов рождается пара «электрон + позитрон»: γ + γ → e+ + e− . 38 Античастицы Вслед за позитроном были открыты и другие античастицы. В частности, в середине 50-х годов на ускорителях были созданы антипротон и антинейтрон, а затем - даже легкие антиядра. Как правило, античастицы обозначаются той же буквой, что и соответствующие частицы, но над буквой ставится тильда. - антинейтрон, ν - антинейтрино. Например, p - антипротон, n Масса каждой античастицы строго равна массе соответствующей частицы, а знаки их зарядов противоположны. Мысленная операция замены «частица → античастица» называется зарядовым сопряжением. При этой операции фотон, который не несет ни электрического, ни какого-либо другого заряда, переходит сам в себя. Фотон принадлежит к сравнительно редкому типу истинно нейтральных частиц, не имеющих зарядовых двойников. Естественно задать вопрос: «Если в фотоны аннигилируют электрон и позитрон, то почему не аннигилируют электрон и протон, почему стабилен атом водорода, почему не идет реакция e− + p → 2γ ?» Легко понять, что если бы такая реакция была возможна, то в мире в конце концов остались бы лишь фотоны и нейтрино (нейтрино - как продукты распада нейтронов). Не правда ли, довольно унылая перспектива? Стабильность водорода наводит на мысль, что наряду с электрическим зарядом существуют и другие сохраняющиеся заряды, или, как говорят, другие сохраняющиеся квантовые числа. Для объяснения стабильности водорода и более тяжелых атомов, а также для объяснения отсутствия ряда других процессов были сформулированы гипотезы о существовании и сохранении так называемых барионного и лептонного зарядов (квантовых чисел). Начнем с барионного заряда. Существует большое семейство частиц, называемых барионами (от греческого «бариос» - тяжелый). Согласно гипотезе, каждый барион обладает единичным положительным барионным зарядом. Протон самый легкий из барионов. Кроме протона и нейтрона известно много десятков других, более тяжелых барионов. У каждого из барионов имеется античастица - соответствующий антибарион, обладающий единичным отрицательным барионным зарядом. Из сказанного выше в частности следует, что хотя нейтрон электрически нейтрален, он не является истинно нейтральной частицей. Семейство частиц, называемых лептонами (от греческого «лептос» - мелкий; более подробно о них будет рассказано на последующих страницах книги), состоит из гораздо меньшего числа частиц, чем семейство барионов. Электрон - самый Античастицы 39 легкий из заряженных лептонов - обладает положительным единичным лептонным зарядом. Тем же лептонным зарядом, что и электрон, обладает, согласно гипотезе о лептонном заряде, и нейтрино. Позитрон и антинейтрино имеют отрицательный единичный лептонный заряд. Легко проверить, что в распаде нейтрона n → p + e− + ν сохраняются как барионный, так и лептонный заряды. К вопросу о том, насколько строгими законами являются законы сохранения барионного и лептонного зарядов, мы еще вернемся в конце этой книги. А сейчас обратимся к вопросу о том, существуют ли античастицы в окружающем нас мире. Из-за реакций аннигиляции сколько-нибудь тесное сосуществование частиц и античастиц невозможно. Поэтому, попав в соприкосновение с «враждебной средой», те немногие античастицы, которые удается произвести в лабораторных условиях, рано или поздно гибнут. Но в областях Вселенной, далеких от нашего обычного вещества, вполне могли бы существовать антимиры, построенные из антиатомов. Энергетические уровни антиатомов и атомов одинаковы, их химические свойства неотличимы. (Очень небольшие отличия между веществом и антивеществом проявляются лишь в слабых взаимодействиях.) Поэтому в принципе могли бы существовать и «антижизнь», и «антилюди», и «антимиры». Фотоны, приходящие к нам от антизвезд, не должны ничем отличаться от фотонов обычных звезд. Так что оптические радионаблюдения не могли бы уловить разницу между звездой и антизвездой. Это можно было бы в принципе сделать при дальнейшем развитии нейтринной астрономии. Ведь обычные звезды, как и наше Солнце, испускают нейтрино, рождающиеся в термоядерных реакциях, а антизвезды должны испускать антинейтрино. В настоящее время астрофизики скептически относятся к возможности существования антимиров. Они исходят при этом из того, что в первичных космических лучах, приходящих к нам из отдаленных областей Вселенной, не найдено заметной примеси антипротонов. Другим аргументом является то, что не наблюдаются те характерные γ -кванты с энергией, равной энергии покоя электрона, которые должны были бы возникать при аннигиляции медленных электронов и позитронов на границе раздела между веществом и антивеществом (e+ e− → 2γ). 40 Адроны и кварки Вопрос о том, почему наш мир состоит из вещества, а не из антивещества или не из равных количеств того и другого, в последние годы привлекает все большее внимание физиков-теоретиков. А тем временем физики-экспериментаторы уже широко используют пучки позитронов и антипротонов в своих экспериментах. В частности, в подавляющем большинстве существующих в настоящее время коллайдеров сталкиваются пучки частиц и соответствующих античастиц - протонов и антипротонов, электронов и позитронов. АДРОНЫ И КВАРКИ Целый пласт новых явлений и понятий был вскрыт при исследовании сильных взаимодействий. Еще в 40-х годах стало ясно, что нуклоны отнюдь не являются единственными частицами, обладающими сильными взаимодействиями; они принадлежат к обширному классу частиц, впоследствии (в начале 60-х годов) названных адронами. По-гречески «хадрос» - массивный, сильный. Кстати, от этого же греческого слова очень давно было образовано русское слово «ядро». С пуском мощных ускорителей новые адроны посыпались, как из рога изобилия, и в настоящее время известно свыше трехсот различных адронов. В середине 60-х годов была выдвинута гипотеза, что все адроны построены из более фундаментальных частиц, названных кварками. Последующие исследования подтвердили правильность этой гипотезы. Все кварки имеют спин, равный 1/2. В настоящее время установлено существование пяти разновидностей кварков: u, d, s, c, b. (Здесь кварки перечислены в порядке возрастания их масс: mu ≈ 5 МэВ, md ≈ 7 МэВ, ms ≈ 150 МэВ, mc ≈ 1,3 ГэВ, mb ≈ 5 ГэВ.) Ожидают, что должен существовать и шестой, еще более тяжелый кварк, t ∗). Безуспешные поиски адронов, содержащих t-кварки, указывают на то, что mt > 20 ԳեՎ. u, c և t քվարկներն ունեն +2/3 էլեկտրական լիցք, իսկ d, s և b քվարկները՝ −1/3։ +2/3 լիցք ունեցող քվարկները սովորաբար կոչվում են մինչև քվարկներ, իսկ −1/3 լիցք ունեցողները՝ ներքև քվարկներ։ Քվարկների նշանակումները գալիս են անգլերեն վեր, վար, տարօրինակ, հմայքը, ներքև, վերև բառերից: ∗) Վերին քվարկի հայտնաբերման համար տե՛ս «20 տարի անց» բաժինը: Հադրոններ և քվարկներ 41 Քվարկների մոդելն առաջարկվել է այն ժամանակ, երբ հայտնի էին միայն այսպես կոչված լուսային հադրոնները, այսինքն՝ հադրոններ, որոնք բաղկացած էին միայն լուսային քվարկներից՝ u, d և s։ Այս մոդելը անմիջապես կարգի բերեց այս հադրոնների ամբողջ սիստեմատիկան։ Դրա հիման վրա ոչ միայն հասկանալի էր մինչ այդ արդեն հայտնի մասնիկների կառուցվածքը, այլև կանխատեսվել էին այդ ժամանակ անհայտ մի շարք հադրոններ։ Բոլոր հադրոնները կարելի է բաժանել երկու մեծ դասի. Որոշները, որոնք կոչվում են բարիոններ, կազմված են երեք քվարկներից։ Բարիոնները ֆերմիոններ են, ունեն կես ամբողջ թվով սպին։ Մյուսները, որոնք կոչվում են մեզոններ, բաղկացած են քվարկից և հակաքվարքից։ Մեզոնները բոզոններ են, նրանք ունեն մի ամբողջ սպին։ (Բոզոնները, ֆերմիոնները և բարիոնները արդեն խոսվել են վերևում:) Նուկլեոնները ամենաթեթև բարիոններն են: Պրոտոնը բաղկացած է երկու u-քվարկից և մեկ d-քվարկից (p = uud), նեյտրոնը բաղկացած է երկու d-քվարկից և մեկ u-քվարկից (n = ddu): Նեյտրոնը պրոտոնից ծանր է, քանի որ d-քվարկն ավելի ծանր է, քան u-քվարկը: Բայց ընդհանուր առմամբ, ինչպես հեշտ է նկատել, նուկլեոնների զանգվածները գրեթե երկու կարգով մեծ են երեք համապատասխան քվարկների զանգվածների գումարից։ Դա բացատրվում է նրանով, որ նուկլեոնները կազմված են ոչ թե «մերկ» քվարկներից, այլ մի տեսակ ծանր «գլյուոնային ծածկույթի» մեջ «փաթաթված» քվարկներից (գլյուոնները կքննարկվեն հաջորդ բաժնում)։ Բարիոնները, որոնք բաղկացած են ոչ միայն u- և d-քվարկներից, կոչվում են հիպերոններ: Օրինակ, հիպերոններից ամենաթեթևը՝ Λ-հիպերոնը, բաղկացած է երեք տարբեր քվարկներից՝ Λ = uds։ Մեզոններից ամենաթեթևը π -մեզոններն են կամ պիոնները՝ π +, π −, π 0։ Լիցքավորված պիոնների քվարկային կառուցվածքը պարզ է՝ π + = ud, π − = d u։ Ինչ վերաբերում է չեզոք պիոնին, ապա դա uu և dd վիճակների գծային համակցություն է. այն ժամանակի մի մասն անցկացնում է uu վիճակում, ժամանակի մի մասը dd վիճակում։ Հավասար հավանականությամբ π 0 մեզոնը կարելի է գտնել այս վիճակներից յուրաքանչյուրում՝ 1 π 0 = √ (u u − dd): π+- π − -մեզոններ 2 Զանգվածները և (այս մեզոնները փոխադարձ հակամասնիկներ են) մոտավորապես 140 ՄէՎ են; π 0 մեզոնի զանգվածը (π 0 մեզոնը, ինչպես ֆոտոնը, իսկապես չեզոք է) մոտավորապես 135 ՄէՎ է: Զանգվածի մեծացման հաջորդական մեզոնները K մեզոններն են, որոնց զանգվածը մոտավորապես 500 ՄէՎ է։ K մեզոնները պարունակում են s քվարկներ՝ 0 = sd, K − = s K + = u s, K 0 = d s, K u: 42 Հադրոնները և քվարկները K + - և K − -մեզոնները հակամասնիկներ են միմյանց նկատմամբ 0 -մեզոններ, որոնք նման են միմյանց: Նույնը վերաբերում է K 0-ին, իսկ K-ն իսկապես չեզոք մասնիկներ չեն: Նկատի ունեցեք, որ s-քվարկ պարունակող մասնիկները կոչվում են տարօրինակ մասնիկներ, իսկ ինքը՝ s-քվարկը կոչվում է տարօրինակ քվարկ: Այս անունը առաջացել է 50-ականներին, երբ տարօրինակ մասնիկների որոշ հատկություններ զարմանալի էին թվում։ Ակնհայտ է, որ երեք քվարկներից (u, d, s) և երեք հակաքվարկերից, d, s) ինը տարբեր վիճակներ կարող են կառուցվել. K -մեզոնների համար) մենք արդեն քննարկել ենք, մնացած երկուսը սուպերպոզիցիաներ են՝ u, dd և s s վիճակների գծային համակցություններ։ Երկու մասնիկներից մեկի զանգվածը՝ η -մեզոնի զանգվածը, հավասար է 550 ՄէՎ, մյուսի զանգվածը՝ η-մեզոնի զանգվածը, հավասար է 960 ՄէՎ-ի, 1 η 0 = √ (u u + dd − 2s s), 6 1 η = √ (u u + dd + s s): π 0 մեզոնը, η - և η -մեզոնները ճշմարիտ չեզոք մասնիկներ են (Քվանտային մեխանիկական սուպերպոզիցիաների մասին ավելի մանրամասն քննարկվում է էջ 48-ում): Ինը մեզոնները, որոնք մենք հենց նոր նայեցինք, ունեն զրոյական սպին. J = 0: Այս մեզոններից յուրաքանչյուրը բաղկացած է Քվարկը և հակաքվարկը, որոնք ունեն զրոյական ուղեծրային իմպուլս. L = 0: Քվարկի և հակաքվարկի սպինները նայում են միմյանց, այնպես որ նրանց ընդհանուր սպինը նույնպես զրո է. S = 0: Մեզոնի սպին J-ը երկրաչափական գումարն է: L քվարկների ուղեծրային իմպուլսը և նրանց ընդհանուր սպինը S. J = L + S: Այս դեպքում երկու զրոյի գումարը բնականաբար տալիս է զրո: Քննարկված ինը մեզոններից յուրաքանչյուրն իր տեսակի մեջ ամենաթեթևն է: Դիտարկենք, օրինակ, մեզոնները, որոնցում քվարկի և հակաքվարկի ուղեծրային իմպուլսը դեռ զրոյական է՝ L = 0, բայց քվարկի և հակաքվարկի սպինները զուգահեռ են, այնպես որ S = 1 43 Հմայիչ մասնիկներ և, հետևաբար, J = 1: մեզոնները ձևավորում են ավելի ծանր ∗0, ω 0, ϕ0).ինը (ρ+, ρ−, ρ0, K ∗+, K ∗0, K ∗−, K ρ+, ρ−, ρ0 770 MeV ∗0 K ∗+ , K ∗ 0 , K ∗− , K 892 MeV ω0 783 MeV ϕ0 1020 MeV Հայտնի են բազմաթիվ մեզոններ, որոնց համար L = 0 և J > 1: Նկատի ունեցեք, որ 1983 թվականին Սերպուխովի արագացուցչում հայտնաբերվեց ռեկորդային բարձր պտույտ ունեցող մեզոն. J = 6 Այժմ անդրադառնանք u-, d- և s-քվարկներից կառուցված բարիոններին։Ըստ քվարկների մոդելի՝ նուկլոնում երեք քվարկների ուղեծրային մոմենտը հավասար է զրոյի, իսկ J նուկլեոնի սպինը հավասար է։ քվարկների սպինների երկրաչափական գումարին: Այսպիսով, օրինակ, երկու u-քվարկների սպինները պրոտոնում զուգահեռ են, իսկ d-քվարկի սպինը հակառակ ուղղությամբ է: Այսպիսով, պրոտոնն ունի J = 1/2: Ըստ քվարկի մոդելի՝ պրոտոնը, նեյտրոնը, Λ-հիպերոնը և հինգ այլ հիպերոններ կազմում են բարիոնների օկտետ (ութ նկար) J = 1/2; իսկ J = 3/2-ով բարիոնները կազմում են դեկուպլետ (տասը). MeV 1672 MeV. Ω− հիպերոնը՝ այս շրջված բուրգի գագաթը, հայտնաբերվել է փորձնականորեն 1964 թվականին: Պարզվեց, որ նրա զանգվածը հենց այն էր, ինչ կանխատեսում էր քվարկային մոդելը: Հմայված մասնիկները Բայց քվարկի մոդելի իրական հաղթանակը c-քվարկ պարունակող հմայված մասնիկների հայտնաբերումն էր (ռուսերեն «charm» բառը համապատասխանում է անգլերենի հմայքին): Առաջին հմայված մասնիկը, այսպես կոչված, J/ψ մեզոնը՝ 3,1 ԳեՎ զանգվածով, հայտնաբերվել է 1974 թվականին: (Այս մասնիկը երբեմն ասում են, որ թաքնված հմայք ունի, քանի որ այն բաղկացած է մասնիկներից): գրեթե միաժամանակ երկու փորձերի վրա տարբեր արագացուցիչներով: Պրոտոնային արագացուցիչում J/ψ մեզոնը դիտվել է որպես 44 Քվարկային սահմանափակություն նկատվել է բերիլիումային թիրախի հետ պրոտոնային ճառագայթի բախման արտադրանքների մեջ՝ J/ψ → e+ e− . Էլեկտրոնային պոզիտրոնային բախիչում դիտվել է e+ e− → J/ψ ռեակցիայում։ Ֆիզիկոսների առաջին խումբն այս մեզոնն անվանել է J, երկրորդը՝ ψ, ուստի J/ψ մեզոնը ստացել է իր կրկնակի անվանումը։ J/ψ մեզոնը c c համակարգի մակարդակներից մեկն է, որը կոչվում է «charmonium» (անգլերեն charm-ից)։ Որոշ առումներով c-ն հիշեցնում է ջրածնի ատոմ: Սակայն, անկախ նրանից, թե համակարգի ինչ իմաստով է գտնվում ջրածնի ատոմի վիճակը (որ մակարդակով էլ գտնվում է նրա էլեկտրոնը), այն դեռ կոչվում է ջրածնի ատոմ։ Ի հակադրություն, խարմոնիումի տարբեր մակարդակները (և ոչ միայն խարմոնիումը, այլ նաև քվարկային այլ համակարգերը) համարվում են առանձին մեզոններ։ Ներկայումս հայտնաբերվել և ուսումնասիրվել են մոտ մեկ տասնյակ մեզոններ՝ խարմոնիումի մակարդակ։ Այս մակարդակները միմյանցից տարբերվում են քվարկի և հակաքվարկի սպինների փոխադարձ կողմնորոշմամբ, նրանց ուղեծրային անկյունային մոմենտի արժեքներով և դրանց ալիքային ֆունկցիաների ճառագայթային հատկությունների տարբերություններով: Շարմոնիայից հետո հայտնաբերվել են ակնհայտ հմայքով մեզոններ՝ D+ = cd, D0 = c u, F + = c s, − 0 − D = d c, D = u c, F = s c, 1869 MeV 1865 MeV 2020 MeV (մոտավոր արժեքներն են՝ այստեղ նշված են հմայված մեզոնների զանգվածները): Հայտնաբերվել են նաև հմայիչ բարիոններ։ Հմայված մասնիկների, այնուհետև բ-քվարկ պարունակող նույնիսկ ավելի ծանր հադրոնների հայտնաբերումը և դրանց հատկությունների ուսումնասիրությունը հադրոնների քվարկների տեսության փայլուն հաստատումն էր: Առաջին անգամ c- և b-քվարկների մեծ զանգվածի շնորհիվ հայտնվեց քվարկ-անտիկվարկ համակարգի մակարդակների պատկերն իր ողջ հարստությամբ և պարզությամբ։ Այս հայտնագործության հոգեբանական ազդեցությունը շատ մեծ էր։ Նույնիսկ նրանք, ովքեր նախկինում ավելի քան թերահավատ էին դրանց նկատմամբ, հավատում էին քվարկներին: ՔՎԱՐԿՆԵՐԻ տապալումը Եթե բոլոր հադրոնները կազմված են քվարկներից, ապա թվում է, որ ազատ քվարկեր նույնպես պետք է գոյություն ունենան: Ազատ քվարկներ գտնելը հեշտ կլինի: Ի վերջո, նրանք ունեն կոտորակային էլեկտրական լիցքեր: Բայց անհնար է չեզոքացնել կոտորակային լիցքը ցանկացած թվով էլեկտրոններով և պրոտոններով. միշտ կլինի կամ «քվարկների թերարտանետում 45 տարի» կամ «գերազանցում»: Եթե, ասենք, յուղի մի կաթիլը պարունակում է մեկ քվարկ, ապա ամբողջ կաթիլի լիցքը կլինի կոտորակային։ Կաթիլների հետ փորձեր են իրականացվել դարասկզբին, երբ չափվել է էլեկտրոնի լիցքը։ Քվարկների որոնման ժամանակ դրանք մեր ժամանակներում կրկնվել են շատ ավելի բարձր ճշգրտությամբ։ Բայց կոտորակային մեղադրանքները երբեք չեն հայտնաբերվել: Ջրի շատ ճշգրիտ զանգվածային սպեկտրոսկոպիկ վերլուծությունը հանգեցրել է նաև բացասական արդյունքի, որը տվել է ազատ քվարկների քանակի և 10−27 կարգի պրոտոնների թվի հարաբերակցության վերին սահմանը։ Ճիշտ է, Սթենֆորդի համալսարանի լաբորատորիայի փորձարարները, կախելով նիոբիումի փոքր գնդիկները մագնիսական և էլեկտրական դաշտերում, դրանց վրա կոտորակային լիցքեր են հայտնաբերել: Բայց այս արդյունքները չեն հաստատվել այլ լաբորատորիաներում։ Այսօր փորձագետների մեծ մասն իրենց եզրակացություններում հակված է կարծելու, որ քվարկները բնության մեջ գոյություն չունեն ազատ վիճակում: Պարադոքսալ իրավիճակ է ստեղծվել. Քվարկները, անկասկած, գոյություն ունեն հադրոնների ներսում: Դրա մասին են վկայում ոչ միայն վերը նկարագրված հադրոնների քվարկային սիստեմատիկան, այլև նուկլոնների ուղղակի «փոխանցումը» բարձր էներգիայի էլեկտրոնների միջոցով։ Այս գործընթացի տեսական վերլուծությունը (կոչվում է խորը ոչ առաձգական ցրում) ցույց է տալիս, որ հադրոնների ներսում էլեկտրոնները ցրված են կետային մասնիկների վրա, որոնց լիցքերը հավասար են +2/3 և −1/3, իսկ սպինը հավասար է 1/2-ի։ Խորը ոչ առաձգական ցրման գործընթացում էլեկտրոնը կտրուկ փոխում է իր իմպուլսը և էներգիան՝ դրա զգալի մասը տալով քվարկին (նկ. 9)։ Սկզբունքորեն սա շատ նման է նրան, թե ինչպես է ալֆա մասնիկը կտրուկ փոխում իր թափը ատոմի միջուկի հետ բախվելիս (նկ. 10): Այսպես հաստատվեց ատոմային միջուկների գոյությունը 20-րդ դարի սկզբին Ռադերֆորդի լաբորատորիայում։ Քվարկների կոտորակային լիցքերը դրսևորվում են նաև մեկ այլ՝ խորապես ոչ առաձգական գործընթացում՝ հադրոնային շիթերի ստեղծում e+ e− ոչնչացման ժամանակ բարձր էներգիաների դեպքում (խոշոր բախիչներում): Հադրոնային շիթերը e+ e− -ոչնչացման մեջ ավելի մանրամասն կքննարկվեն գրքի վերջում։ Այսպիսով, հադրոնների ներսում անկասկած քվարկներ կան: Բայց դրանք հնարավոր չէ հեռացնել հադրոններից։ Այս երեւույթը կոչվում է անգլերեն «confinement» բառը, որը նշանակում է գերություն, բանտարկություն։ Էլեկտրոնի հետ բախման արդյունքում էներգիա ստացած քվարկը (տե՛ս նկ. 9) նուկլոնից դուրս չի թռչի որպես ազատ մասնիկ, այլ իր էներգիան կվատնի քվարկ-հակակվարկի ձևավորման վրա։ 9. Էլեկտրոնի ցրում պրոտոնի երեք քվարկներից մեկի վրա։ Պրոտոն՝ մեծ շրջան, քվարկներ՝ սև կետեր Նկ. 10. α-մասնիկի ցրում ատոմի միջուկի վրա. Ատոմը մեծ շրջան է, միջուկը սև կետ է քվարկային զույգերի կենտրոնում, այսինքն՝ նոր հադրոնների, հիմնականում մեզոնների ձևավորում։ Ինչ-որ իմաստով մեզոնը կազմող քվարկների և անտիկվարկերի մեջ կոտրելու փորձը նման է կողմնացույցի ասեղը հարավային և հյուսիսային բևեռներին կոտրելուն. կոտրելով ասեղը, մենք մեկի փոխարեն ստանում ենք երկու մագնիսական դիպոլ: Մեզոն կոտրելով՝ ստանում ենք երկու մեզոն։ Այն էներգիան, որը մենք ծախսում ենք սկզբնական քվարկը և հակաքվարկը իրարից հեռացնելու վրա, կօգտագործվի նոր զույգ հակաքվարք գումարած քվարկ ստեղծելու համար, որոնք կազմում են երկու մեզոններ սկզբնականների հետ: Բայց մագնիսական ասեղի հետ անալոգիան թերի է և խաբուսիկ: Ի վերջո, մենք գիտենք, որ երկաթում ոչ միայն մակրոմակարդակում, այլև միկրոմակարդակում չկան մագնիսական բևեռներ, կան միայն մագնիսական դիպոլային մոմենտներ, որոնք առաջանում են էլեկտրոնների սպիններից և ուղեծրային շարժումից։ Ընդհակառակը, հադրոնների խորքում գոյություն ունեն առանձին քվարկներ. որքան խորն ենք մենք թափանցում ներս, այնքան ավելի պարզ ենք տեսնում դրանք: Ձգողականության և էլեկտրադինամիկայի մեջ մենք սովոր ենք այն փաստին, որ մասնիկների միջև ուժերը մեծանում են, երբ մասնիկները մոտենում են միմյանց և թուլանում, երբ մասնիկները հեռանում են միմյանցից (պոտենցիալներ, ինչպիսիք են 1/r): Քվարկի և անտիկվարկի դեպքում իրավիճակն այլ է։ Կա r0 ≈ 10−13 սմ կրիտիկական շառավիղ. r r0-ում քվարկի և հակաքվարկի միջև պոտենցիալը քիչ թե շատ նման է Կուլոնյան կամ Նյուտոնյան, բայց r r0-ում նրա վարքագիծը կտրուկ փոխվում է. այն սկսում է աճել: Կարելի է մտածել, որ եթե աշխարհում չլինեին թեթև քվարկներ (u, d, s), այլ միայն ծանր (c, b, t), ապա այս դեպքում, սկսած r ≈ r0-ից, պոտենցիալը գծային կմեծանա։ աճող r, և մենք կունենանք սահմանափակություն, որը նկարագրված է Գլուոնի տիպի պոտենցիալով: Ձագարի գույնը 47 (համեմատության համար տե՛ս նկ. 11 և նկ. 5): Գծային աճող ներուժը համապատասխանում է մի ուժի, որը չի փոխվում հեռավորության հետ: Հիշենք, որ երբ սովորական կոշտ զսպանակը ձգվում է, նրա պոտենցիալ էներգիան քառակուսիորեն ավելանում է իր երկարացման հետ: Հետևաբար, գծային աճող ներուժով նկարագրված սահմանափակությունը, բնականաբար, կարելի է անվանել փափուկ: Ցավոք, իրական աշխարհում լույսի քվարկների զույգերի ստեղծումը հնարավորություն չի տալիս տարանջատել սկզբնական քվարկը և հակաքվարկը ավելի մեծ հեռավորությունների վրա, քան Նկ. 11. Vo10−13 սմ տիպի պոտենցիալ, առանց պլեկվարկի և անտիկվարկի նկարագրող սկզբնական եղջյուրների՝ կրկին կապվելու հադրոնի քվարկով, այս անգամ երկու տարբեր մեզոններով: Այսպիսով, հնարավոր չէ փորձարկել փափուկ զսպանակները երկար հեռավորությունների վրա: Ո՞ր ուժային դաշտերն են առաջացնում քվարկների նման տարօրինակ վարքագիծ: Ինչպիսի՞ անսովոր սոսինձ է դրանք սոսնձում: ԳԼՈՒՈՆՆԵՐ. ԳՈՒՅՆ Քվարկների և հակաքվարկերի կողմից ստեղծված և դրանց վրա գործող ուժեղ ուժային դաշտը կոչվում էր գլյուոնային դաշտ, իսկ g մասնիկները, որոնք այս դաշտի գրգռման քվանտաներն են, կոչվում էին գլյուոններ (անգլերեն սոսինձ - սոսինձ): Գլյուոնները գլյուոնային դաշտի հետ նույն համապատասխանության մեջ են, ինչ ֆոտոնները՝ էլեկտրամագնիսական դաշտի հետ։ Հաստատվել է, որ ինչպես ֆոտոնները, այնպես էլ գլյուոններն ունեն մեկին հավասար սպին՝ J = 1 (ինչպես միշտ, h̄ միավորներով)։ Գլյուոնների հավասարությունը, ինչպես ֆոտոնները, բացասական է՝ P = −1։ (Հավասարությունը կքննարկվի ստորև, «C -, P -, T - համաչափություններ» հատուկ բաժնում): Մեկին հավասար սպին և բացասական պարիտետ (J P = 1−) ունեցող մասնիկները կոչվում են վեկտոր, քանի որ պտտման և արտացոլման ժամանակ մասնիկները. կոորդինատները նրանց ալիքային ֆունկցիաները վերածվում են սովորական տարածական վեկտորների: Այսպիսով, գլյուոնը, ինչպես և ֆոտոնը, պատկանում է մասնիկների դասին, որը կոչվում է հիմնարար վեկտորային բոզոններ: 48 գլյուոններ. Գույն Էլեկտրոնների հետ ֆոտոնների փոխազդեցության տեսությունը կոչվում է քվանտային էլեկտրադինամիկա։ Քվարկների հետ գլյուոնների փոխազդեցության տեսությունը կոչվել է քվանտային քրոմոդինամիկա (հունարեն «քրոմոս»-ից՝ գույն)։ «Գույն» տերմինը դեռ չի հայտնվել այս գրքի էջերում։ Հիմա կփորձեմ պատմել, թե ինչ է թաքնված դրա հետևում։ Դուք արդեն գիտեք, որ փորձնականորեն դիտարկել եք քվարկների հինգ տարբեր տեսակներ (կամ, ինչպես ասում են, համային տեսականի) (u, d, s, c, b) և պատրաստվում եք բացահայտել վեցերորդը (t): Այսպիսով, ըստ քվանտային քրոմոդինամիկայի, այս քվարկներից յուրաքանչյուրը ոչ թե մեկ, այլ երեք տարբեր մասնիկներ է։ Այսպիսով, ընդհանուր առմամբ ոչ թե 6, այլ 18 քվարկ կա, և, հաշվի առնելով անտիկվարկները, դրանք 36-ն են: Սովորաբար ասում են, որ յուրաքանչյուր համի քվարկ գոյություն ունի երեք սորտերի տեսքով, որոնք տարբերվում են միմյանցից գույնով: Քվարկների գույները սովորաբար ընտրվում են դեղին (g), կապույտ (c) և կարմիր (k): Անտիկվարկերի գույներն են հակակապույտ (c), հակակարմիր (k): Իհարկե, ամեն ինչ դեղին է (գ), այս անվանումները զուտ պայմանական են և կապ չունեն սովորական օպտիկական գույների հետ։ Ֆիզիկոսներն օգտագործում են դրանք՝ քվարկներին տիրապետող հատուկ լիցքերը նշելու համար, որոնք գլյուոնային դաշտերի աղբյուրներ են, ճիշտ այնպես, ինչպես էլեկտրական լիցքը ֆոտոնային (էլեկտրամագնիսական) դաշտի աղբյուր է։ Ես չեմ սխալվել, երբ գլյուոնային դաշտերի մասին խոսելիս օգտագործել եմ հոգնակի, իսկ ֆոտոնային դաշտի մասին խոսելիս՝ եզակի։ Փաստն այն է, որ գոյություն ունի գլյուոնների ութ գունավոր սորտեր: Յուրաքանչյուր գլյուոն կրում է մի զույգ լիցք՝ գունային լիցքը կա՛մ c է, կա՛մ k): Ընդհանուր առմամբ, ինը զույգ համակցություններ կարող են կառուցվել (w կամ s, կամ k) և «հակագույն» (w երեք գույն և երեք «հակագույն»). zhs w k zh ss s k szh ks k k. kzh Այս ինը Զուգակցված համակցությունները, բնականաբար, բաժանվում են վեց ոչ անկյունագծային «բացահայտորեն գունավոր»՝ s g s, szh, k, k s, kzh, kzh և երեք անկյունագծերի (կանգնած մեր սեղանի անկյունագծի վրա), որոնք ունեն մի տեսակ «թաքնված գույն». ss, k k. zhzh, Gluons .Color 49 Գունավոր լիցքերը, ինչպես էլեկտրական լիցքը, պահպանվում են: Հետևաբար, վեց ոչ անկյունագծային «բացահայտորեն գունավոր» գունային զույգերը չեն կարող խառնվել միմյանց հետ: Ինչ վերաբերում է երեք անկյունագծային զույգերին, որոնք ունեն «թաքնված» գույնը», գունային լիցքերի պահպանումը չի խանգարում անցումներին. գույների նկատմամբ ամբողջովին սիմետրիկ է։ Այն նույնիսկ չունի թաքնված գունային լիցք՝ լինելով ամբողջովին անգույն կամ, ինչպես ասում են՝ սպիտակ։ Կարելի է ընտրել երկու այլ անկյունագծային համակցություններ, օրինակ՝ այսպես՝ 1 − ss) √ ( lj 2 և 1 + ss − 2k √ (lj k) . 6 Կամ երկու այլ եղանակներով (ցիկլիկ փոխարինմամբ zh → s → k → zh): Մենք այստեղ չենք քննարկի այս գծային սուպերպոզիցիաների գործակիցները, քանի որ դա դուրս է այս գրքի շրջանակներից: Նույնը վերաբերում է անկյունագծային սուպերպոզիցիաների երեք տարբեր ընտրության ֆիզիկական համարժեքությանը: Այստեղ կարևոր է, որ ութ համակցություններից յուրաքանչյուրը (վեց հստակ գունավոր և երկու թաքնված գունավոր) համապատասխանի գլյուոնին։ Այսպիսով, կան ութ գլյուոններ՝ 8 = 3 · 3 − 1։ Շատ կարևոր է, որ գունային տարածության մեջ չկա նախընտրելի ուղղություն՝ երեք գունավոր քվարկերը հավասար են, երեք գունավոր անտիկվարկները հավասար են և ութ գունավոր գլյուոնները հավասար են։ Գույնի համաչափությունը խիստ է։ Արտանետելով և կլանելով գլյուոնները՝ քվարկները ուժեղ փոխազդում են միմյանց հետ։ Հստակության համար եկեք դիտարկենք կարմիր քվարկը: Արտանետելով, գույնի պահպանման շնորհիվ այն կվերածվի կժ տիպի ժելգլյուոնի՝ ա-րդ քվարկի, քանի որ, ըստ խաղի կանոնների, հակագույն c, կարմիրի արտանետումը համարժեք է գույնի կլանմանը։ Գլյուոն արձակելով՝ քվարկը կապույտ կդառնա։ Հասկանալի է, որ նույն արդյունքները վերաբերում են gluon ks-ին։ հանգեցնում է նաև կարմիր քվարկի կողմից գլյուոնի կլանմանը։Առաջին դեպքում քվարկը կդառնա դեղին, երկրորդում՝ կապույտ։ Այս 50 գլյուոնները. Կարմիր քվարկի կողմից գլյուոնի արտանետման և կլանման գունային պրոցեսները կարող են գրվել հետևյալ ձևով. կարմիր, դեղին և կապույտ, համապատասխանաբար, ցանկացած համի քվարկներ, իսկ gkzh, g kzh, gks և g ks-ը կարմիր-հակադեղին, հակակարմիր-դեղին, կարմիր-հակակապույտ և հակակարմիր-կապույտ գլյուոններ են: Նմանապես մենք կարող ենք դիտարկել դեղին և կապույտ քվարկների կողմից անջատված անկյունագծային գլյուոնների արտանետումը և կլանումը։ Ակնհայտ է, որ անկյունագծային գլյուոնների արտանետումը և կլանումը չեն փոխում քվարկի գույնը։ Այն փաստը, որ գլյուոնները կրում են գունավոր լիցքեր, հանգեցնում է այս մասնիկների և ֆոտոնների միջև արմատական ​​տարբերության: Ֆոտոնը էլեկտրական լիցք չունի։ Հետևաբար, ֆոտոնը չի արտանետում կամ թափահարում ֆոտոնները: Գլյուոններն ունեն գունավոր լիցքեր։ Հետևաբար, գլյուոնն արտանետում է գլյուոններ։ Որքան փոքր է լիցքավորված մասնիկի զանգվածը, այնքան մասնիկը ավելի հեշտ է արտանետում: Գլյուոնները զանգված չունեն, ուստի գլյուոնների արտանետումը, եթե դրանք ազատ լինեն, աղետալիորեն ուժեղ կլիներ։ Բայց դա չի հասնում աղետի: Գլյուոնների միջև ուժեղ փոխազդեցությունները հանգեցնում են ինչպես իրենց, այնպես էլ քվարկների սահմանափակմանը: Գունային լիցքերի ուժեղ փոխազդեցությունը 10−13 սմ կարգի հեռավորությունների վրա այնքան ուժեղ է դառնում, որ մեկուսացված գունային լիցքերը չեն կարող փախչել մեծ հեռավորությունների վրա: Արդյունքում, գունային լիցքերի միայն այնպիսի համակցություններ կարող են լինել ազատ ձևով, որոնք չունեն գունային լիցք, որպես ամբողջություն: Էլեկտրադինամիկան թույլ է տալիս գոյություն ունենալ ինչպես մեկուսացված էլեկտրական չեզոք ատոմների, այնպես էլ մեկուսացված էլեկտրոնների և իոնների: Քրոմոդինամիկան թույլ է տալիս գոյություն ունենալ միայն անգույն, «սպիտակ» հադրոնների մեկուսացված վիճակում, որոնցում բոլոր գույները հավասարապես խառնված են: Օրինակ, π + -մեզոնը հավասար ժամանակ է ծախսում երեք հնարավոր k-ներից յուրաքանչյուրում. այն ներկայացնում է գունային վիճակները uл dж, uc dс և uk d այս վիճակների գումարը: Վերջին հայտարարությունը, ինչպես թաքնված գույնով գլյուոնների մասին հայտարարությունը, չպետք է շատ պարզ լինի չվարժված ընթերցողի համար։ Բայց, ինչպես նշվեց վերևում, ֆիզիկայում ամեն ինչ Գլուոն չէ: 51 ke տարրական մասնիկների գույնը կարելի է բացատրել պարզ և հստակ՝ «ձեր մատների վրա»։ Այս առումով, ինձ թվում է, որ տեղին է այստեղ կատարել մի շարք մեկնաբանություններ, որոնք առնչվում են ոչ միայն այս բաժնին, այլև գրքի մյուս բաժիններին և ընդհանրապես գիտահանրամատչելի գրականությանը: Ընթերցողին թույլ տալով ինչ-որ կերպ շրջել գիտության բազմաչափ, հսկայական և խճճված լաբիրինթոսում, գիտահանրամատչելի գրքերն ու հոդվածները բերում են անկասկած և մեծ օգուտ: Միևնույն ժամանակ, դրանք հայտնի վնաս են պատճառում։ Տալով գիտական ​​տեսությունների և փորձերի բանավոր, չափազանց մոտավոր և ծաղրանկարչական պարզեցված նկարագրություն (և հայտնի գրքերում այլ նկարագրություններ հաճախ անհնարին են), նրանք կարող են ընթերցողի մեջ ստեղծել պարզության և ամբողջական ըմբռնման կեղծ զգացում: Շատերի մոտ տպավորություն է ստեղծվում, որ նկարագրված գիտական ​​տեսությունները հիմնականում կամայական են, եթե ոչ լրիվ ընտրովի: Կարելի է, ասում են, ուրիշ բան հորինել։ Հենց գիտահանրամատչելի գրականությունն է պատասխանատու հարաբերականության տեսության, քվանտային մեխանիկայի և տարրական մասնիկների տեսության անգրագետ «հերքումներ» և «կտրական բարելավումներ» պարունակող տառերի անսպառ հոսքի համար, որն ընկնում է երկրի հիմնական ֆիզիկական ինստիտուտների վրա։ Ինձ թվում է գիտահանրամատչելի գրքի հեղինակը ոչ միայն պետք է պարզաբանի պարզը, այլև զգուշացնի ընթերցողին բարդ իրերի առկայության մասին, որոնք հասանելի են միայն մասնագետներին։ Գունավոր քվարկներն ու գլյուոնները պարապ մտքի գյուտեր չեն։ Քվանտային քրոմոդինամիկան մեզ պարտադրված է բնության կողմից, այն հաստատվել և շարունակում է հաստատվել հսկայական քանակությամբ փորձարարական փաստերով։ Սա ամենաբարդ ֆիզիկական տեսություններից մեկն է (և գուցե ամենաբարդը)՝ շատ ոչ տրիվիալ և ոչ լիովին զարգացած մաթեմատիկական ապարատով: Ներկայումս չկա որևէ փաստ, որը կհակասեր քվանտային քրոմոդինամիկային։ Սակայն մի շարք երևույթներ դրանում միայն որակական բացատրություն են գտնում, այլ ոչ թե քանակական նկարագիր։ Մասնավորապես, դեռևս չկա ամբողջական ըմբռնում այն ​​մեխանիզմի մասին, թե ինչպես են հադրոնային շիթերը զարգանում կարճ հեռավորությունների վրա արտադրված «քվարկ + հակաքվարկ» զույգերից։ Կալանավորման տեսությունը դեռ չի կառուցվել: Աշխարհի ամենաուժեղ տեսական ֆիզիկոսներն այժմ աշխատում են այս հարցերի վրա: Աշխատանքն իրականացվում է ոչ միայն ավանդական միջոցների կիրառմամբ՝ մատիտ և թուղթ, այլև ժամանակակից հզոր համակարգիչների վրա բազմաթիվ ժամերի հաշվարկներով։ Այս «թվային փորձերում» 52 լեպտոնները, շարունակական տարածությունը և ժամանակը փոխարինվում են դիսկրետ քառաչափ վանդակներով, որոնք պարունակում են մոտ 104 հանգույց, և գլյուոնային դաշտերը դիտարկվում են այդ ցանցերի վրա։ ԼԵՊՏՈՆՆԵՐ Վերջին մի քանի բաժիններում մենք քննարկեցինք պրոտոնի շատ ազգակից հադրոնների հատկությունները և կառուցվածքը: Այժմ անդրադառնանք էլեկտրոնի հարազատներին։ Նրանք կոչվում են լեպտոններ (հունարեն «leptos» նշանակում է փոքր, փոքր, իսկ «mite» նշանակում է փոքր մետաղադրամ): Ինչպես էլեկտրոնը, այնպես էլ բոլոր լեպտոնները չեն մասնակցում ուժեղ փոխազդեցություններին և ունեն 1/2 պտույտ։ Ինչպես էլեկտրոնը, գիտելիքի ներկա մակարդակի բոլոր լեպտոնները կարելի է անվանել իսկապես տարրական մասնիկներ, քանի որ լեպտոններից և ոչ մեկը չունի կառուցվածք, որը նման է հադրոններին: Այս առումով լեպտոնները կոչվում են կետային մասնիկներ։ Ներկայումս հաստատվել է երեք լիցքավորված լեպտոնների առկայությունը՝ e−, μ−, τ −, և երեք չեզոք՝ νe, νμ, ντ (վերջիններս անվանվում են համապատասխանաբար՝ էլեկտրոնային նեյտրինո, մյուոնային նեյտրինո և տաու նեյտրինո)։ Լիցքավորված լեպտոններից յուրաքանչյուրն, իհարկե, ունի իր հակամասնիկը՝ e+, μ+, τ +։ Ինչ վերաբերում է երեք նեյտրինոներին, ապա սովորաբար կարծում են, որ նրանցից յուրաքանչյուրն ունի նաև իր հակամասնիկը՝ νe, νμ, ντ։ Բայց առայժմ չի կարելի բացառել, որ νe, νμ և ντ իսկապես չեզոք մասնիկներ են, և նրանցից յուրաքանչյուրը ֆոտոնի պես միայնակ է։ Այժմ խոսենք լեպտոններից յուրաքանչյուրի մասին առանձին։ Գրքի նախորդ էջերում մենք արդեն մանրամասն քննարկել ենք էլեկտրոնները: Մյուոնը հայտնաբերվել է տիեզերական ճառագայթներում։ Մյուոնի հայտնաբերման գործընթացը (նրա առաջին դիտարկումից մինչև այն փաստի գիտակցումը, որ այս մասնիկը լիցքավորված պիոնի քայքայման արտադրյալ է՝ π + → μ+ νμ , π − → μ− νμ) տևել է մեկ տասնամյակ. 30-ականների վերջից մինչև 40-ականների վերջը: Նշենք, որ մյուոնի սեփական մյուոնային նեյտրինոյի առկայությունը հաստատվել է նույնիսկ ավելի ուշ՝ 60-ականների սկզբին: Ինչ վերաբերում է տաու լեպտոնին, ապա այն հայտնաբերվել է 1975 թվականին էլեկտրոն-պոզիտրոն բախիչում e+ e− → τ + τ− ռեակցիայում։ Մյուոնի և τ-լեպտոնի զանգվածները համապատասխանաբար 106 ՄէՎ և 1784 ՄէՎ են։ Ի տարբերություն էլեկտրոնի, մյուոնը և τ-լեպտոնը անկայուն են Լեպտոնների և քվարկների 53 սերունդները կայուն են։ Մյուոնի կյանքի տեւողությունը 2·10−6 վ է, τ-լեպտոնի կյանքը մոտավորապես 5·10−13 վ է։ Մյուոնը քայքայվում է մեկ ալիքով: Այսպիսով, μ−-ի քայքայման արտադրյալներն են e− νe νμ, իսկ μ+-ի քայքայման արտադրանքները՝ e+ νe νμ։ Τ-լեպտոնն ունի քայքայման բազմաթիվ ուղիներ՝ τ − → e− νe ντ , τ − → μ− νμ ντ , τ − → ντ + մեզոններ, τ + → e+ νe ντ , τ + → μ+ νμ ντ , τ + → ντ + մեզոններ. Քայքայման ուղիների այս առատությունը բացատրվում է նրանով, որ իր մեծ զանգվածի պատճառով τ-լեպտոնը կարող է քայքայվել մասնիկների, որոնց մեջ մյուոնի քայքայումն արգելված է էներգիայի պահպանման օրենքով։ Նեյտրինոների մասին մեր գիտելիքները շատ թերի են։ Մենք ամենաքիչը գիտենք ντ-ի մասին։ Մասնավորապես, մենք նույնիսկ չգիտենք ντ զանգվածի մասին՝ այն զրո է, թե բավականին մեծ։ Վերին փորձնական սահման mντ< 150 МэВ. Аналогичный верхний предел для мюонного нейтрино: mνμ < 0,5 МэВ. Для электронного нейтрино точность измерений несравненно выше. На пределе этой точности одна из экспериментальных групп сообщила, что mνe ≈ 30 эВ. Это сообщение ожидает в настоящее время независимой проверки в других лабораториях ∗). Экспериментально установлено, что каждый из заряженных лептонов принимает участие в слабых взаимодействиях вместе со своим нейтрино: e с νe , μ с νμ , τ с ντ . Например, n → pe− νe , π + → μ + νμ , τ + → ντ e+ νe . ПОКОЛЕНИЯ ЛЕПТОНОВ И КВАРКОВ Различия между кварками и лептонами бросаются в глаза: первые - цветные и дробнозарядные, вторые - бесцветные и целозарядные. Но есть у них и общие черты: и те, и другие имеют спин, равный 1/2; и те, и другие на современном уровне знания выглядят как точечные частицы. Поэтому лептоны и кварки называют фундаментальными фермионами. ∗) Современные данные о массах нейтрино см. в разделе «20 лет спустя». 54 Поколения лептонов и кварков Фундаментальные фермионы естественным образом разбиваются на три группы, которые принято называть поколениями: u d νe e− c s νμ μ− t? b ντ τ −. Вопросительный знак напоминает, что t-кварк пока что не открыт ∗). Но тот факт, что в двух поколениях заполнены все вакансии, наводит на мысль, что и третье поколение имеет ту же структуру. Частицы первого поколения - самые легкие, частицы третьего - самые тяжелые. Из заряженных частиц первого поколения построены атомы, а электронное нейтрино, хотя и прячется от глаз, но также играет важную роль, - не будь его, погасли бы Солнце и звезды. По существу, вся Вселенная покоится на плечах частиц первого поколения. Зачем нужны частицы двух других поколений, мы пока не знаем и только начинаем догадываться. Самая долгоживущая из них - мюон - живет микросекунды (2 · 10−6 с). Странные частицы живут 10−8 -10−10 с, остальные - меньше 10−12 с. С большим трудом рожденные на специально построенных ускорителях, эти частицы практически мгновенно гибнут. Исключение составляют лишь νμ и, возможно, ντ в том случае, если ντ безмассово или очень легкое. Невольно возникают вопросы: «Зачем нужно изучать эти эфемерные и экзотические создания, если никакой роли в нашей жизни они не играют? Оправданы ли затраты на дорогие ускорительные лаборатории?» В конце книги я попытаюсь собрать воедино различные ответы на первый вопрос и обосновать положительный ответ на второй. Здесь же хотелось бы сделать лишь два утверждения. Во-первых, изучение странных, очарованных и других частиц второго и третьего поколений позволило вскрыть кварковую структуру обычных нуклонов. Ведь на идею о кварках физиков натолкнуло экспериментальное исследование странных частиц, а окончательное подтверждение существования кварков дал чар∗) Современные данные о t-кварке см. в