Alapelemek és erők a természetben
Arisztotelész tartotta az anyagot folyamatosnak, azaz. minden anyag végtelenül kisebb és kisebb darabokra osztható, anélkül, hogy apró gabonát érne el, amelyet nem osztanának tovább. Ugyanakkor más ókori görög filozófusok, például Democritus úgy vélik, hogy az anyagnak szemcsés szerkezete van, és hogy minden a világon számos különböző atomból áll. Évszázadok teltek el, de egy bizonyítatlan vita folytatódott mind a másik, mind pedig a másik oldalon. Ez a vita ez a század elejéig tartott, amíg az angol fizikus, Josephopher Thomson (1856-1940) 1897-ben felfedezte. az anyag elemi elementáris részecske egy elektron. Hamarosan világossá vált, hogy az elektronoknak ki kell menniük az atomokból. 1911-ben a Angol fizikus Ernst Rutherford. bizonyította, hogy az anyag atomjai belső szerkezettel rendelkeznek: pozitív töltésű magból és negatív töltésű elektronokból állnak.
Először azt feltételezték, hogy az atom magja elektronokból és pozitív töltésű részecskékből áll, amelyeket protonoknak neveznek. James Chadwick azonban 1932-ben felfedezte, hogy a magban vannak más részecskék-neutronok is, amelyek tömege közel azonos a proton tömegével, de amelyek nincsenek feltöltve.
Amint fentebb említettük, a részecskék viselkedhetnek, mint egy hullám (corpuscular-wave dualizmus). Az elektron hullámtermészetének felfedezése feltárta a jelenségek új, egyedülálló világát. Az elektronika elegáns elméletét az urán P. Dyrak elméleti fizikus 1928-ban javasolta. Ez az elmélet lehetővé teszi számunkra, hogy meghatározzuk, mikor egy elektron hasonlít egy részecskehez, és amikor - egy hullámhoz. Az elektron Dirac elméletének egyik helyisége az volt, hogy egy elektronelemekkel megegyező tulajdonságokkal rendelkező, de pozitív töltésű részecske legyen. Ilyen részecske (vagy részecske) felderült, és pozitronnak nevezték. A Dirac elméletből az is következik, hogy a pozitron és az egymással kölcsönösen egymással kölcsönösen kölcsönható elektronok (a megsemmisítési reakció) fotonpárt alkotnak. mennyisége az elektromágneses sugárzásnak. Fordított elektron-pozitron eljárás is lehetséges. Ezenkívül az elektron és a pozitron is előfordulhat és eltűnhet, nemcsak egymás mellett, hanem külön is - a neutronok és protonok vagy anti-részecskék kölcsönös transzformációi során, azaz pl. antineutronok és antiprotonok.
Jellemző hullám mechanika (mechanikai, amely kezeli a részecske, mint egy hullám) a valószínűségi eloszlása a részecskék (minden egyes részecske van leképezve a hullám funkció, amely egyenlő a tér a amplitúdója valószínűsége, hogy egy részecske egy meghatározott összeg) utal, hogy nem csak az elektron. Abban az esetben, magok megengedi alkotó ezek a sejtmagban nukleonok (azaz, protonok és neutronok) „szivárgás” az egész leküzdhetetlen akadályt a potenciális kifelé - etotak úgynevezett kvantummechanikai alagút hatás.
Egy másik huszonöt évvel ezelőtt, a protonok és a neutronok tekintettük elemi részecskék, hanem a kölcsönhatás mozog nagy sebességgel a protonok (neutronok) és elektronok, kísérletek azt mutatták, hogy valójában, a protonok és neutronok alkotják mind a három még kisebb részecskék. Az első amerikai részecskefizikus M. Gell-Mann tanulmányozta ezeket a részecskéket. Quarkoknak nevezte őket.
Több fajta kvarkok: feltételezzük, hogy van legalább hat ízek, amelyek felelősek u- túró, d - túró, s-túró, c-túró, b-kvark és a T-kvark. Az egyes ízek kvarkja három szín közül is lehet: piros, zöld, kék. Ez csak a megnevezések és a színek a megszokott értelmében a szó, hogy nem. Tehát azt találtuk, hogy sem tartalmaz sem a protonok és a neutronok belsejében egy atom nem oszthatatlan, hanem azért, mert van egy kérdés: „Mi az igazi elemi részecskék?”
Mivel a fényhullámok hullámhossza sokkal nagyobb, mint az atom méretei, nincs reményünk arra, hogy az atom alkotó részeit "szokásos módon" látjuk. Ehhez jóval rövidebb hullámhosszúak szükségesek.
A kvantummechanika szerint minden részecske hullám, és annál nagyobb a részecske energia, annál kisebb a megfelelő hullámhossz. Következésképpen a feltett kérdésre adott válasz attól függ, hogy mennyire áll rendelkezésre a részecskék energiája, mivel ez az energia meghatározza, milyen kicsi a hosszúságok, amelyeket megfigyelhetünk.
Így felgyorsul a részecskék a gyorsítókban (pl
szinkrofotron), jelentős energiát kapunk. Interakció a
más részecskék, ezek a nagy energiájú részecskék lehetővé teszik a "bepillantást
mélyen "azokba a részecskékbe, amelyek elemiek. Mivel a fizikusok megtudták,
hogy a részecskék húsz évvel ezelőtt elemi jellegűek voltak
Valójában kisebb részecskékből állnak. És mi van, ha az átmenet egy még magasabb
Kiderül, hogy ezek a kisebb részecskék viszont tartalmaznak
még kisebb? Mikor fejeződik be ez a lánc? Igaz, a
az elemi részecskefizika, úgy vélik, hogy a tudomány már rendelkezik vagy
szinte tulajdonosa az eredeti "téglákról", amelyek közül az
minden a természetben: ezek kvarkok és elektronok.
Most beszéljünk az elemi jellegzetességek közül néhányról
részecskéket. Rotációs jellemzőjük van - spin. A hátsó fogalom egy ilyen egyszerű elképzelésből származik: gyermektelen játékot - egy felső (yulu), függőlegesen teszik fel, és elengedik, a felső tönkremegy. De ha a forgófej felcsavarodatlan, akkor függőlegesen helyezkedik el. Ez azt jelzi, hogy a forgó testnek van egy új tulajdonsága, egy új minősége - képes megőrizni a forgási tengely irányát a térben. Ezt az új tulajdonságot a spin fogalma jellemzi.
Minden ismert részecskék az univerzumban, attól függően, hogy a spin egy részecske lehet két csoportra oszthatók: fermion - részecskék centrifugálás 1/2, amely bármely anyag a világegyetemben (neutronok, protonok, kvarkok, könnyű részecskék - leptonok és nehéz részecskék - hyperons) és A bozonok a 0, 1 és 2 spinokkal rendelkező részecskék, amelyek az anyag részecskéi között hatnak (fotonok és részecskék az általános név alatt - mezonok). Részecskék (fermionok) engedelmeskednek a Pauli-elv, felfedezte 1925-ben az osztrák fizikus Wolfgang Pauli. A Pauli-elv szerint két azonos részecske nem létezhet ugyanabban az állapotban, pl. Lehet, hogy nem rendelkezik a pozíció és sebesség, melyek azonosak olyan pontossággal adja a határozatlansági elv. Ha részecskék nagyon közel értékei a koordinátákat kell lenniük különböző sebességi, és így nem lesz sokáig ezeket a pontokat a koordinátákat. Ha az eredete az univerzum nem veszik figyelembe a Pauli-elv, kvarkok nem kombinálhatók egyetlen, jól meghatározott részecskék - neutronok és protonok, és ők viszont, nem lenne képes, együtt az elektronok alkotnak egy különálló, jól definiált alkilcsoport. Anélkül, hogy a Pauli-elv, ezek a részecskék mind összeomlott, és vált egy többé-kevésbé egységes „zselé”.
A kvantummechanikában azt feltételezzük, hogy az anyag részecskéi közötti összes erőt vagy kölcsönhatást olyan részecskék hordozzák, amelyek 0, 1 vagy 2 egész számmal rendelkeznek. Ez a következőképpen alakul. Az anyag részecskéje, például egy elektron vagy kvark, egy másik részecskét bocsát ki, amely kölcsönhatás hordozó (például egy foton). A visszahúzás hatására az anyag részecskéinek sebessége megváltozik. Ezután a hordozó részecske "repül" egy másik anyagdarabra és elnyeli. Ez az ütközés megváltoztatja a második részecske sebességét, mintha egy erő hatna e két anyagrészecske között. Az anyag részecskéit továbbító részecskéket virtuális részecskéknek nevezik, mivel az "igazi" részecskékkel ellentétben nem lehet közvetlenül regisztrálni egy részecske-detektorral. Azonban léteznek, mert mérhető hatásokat hoznak létre.
A vektor részecskék négy típusba sorolhatók, attól függően, hogy mekkora az interakció, amelyet az általuk átruházott és a kölcsönhatásban lévő részecskék tartalmaznak.
1. Az első fajta gravitációs erő. Ez azt jelenti, hogy bármely olyan test, amelynek tömege kölcsönhatásba lép egymással. Ez egy nagyon gyenge erő a kölcsönható testek tömegétől és a köztük lévő távolságtól függően, amelyet egyáltalán nem vettünk volna észre, ha nem két sajátos tulajdonsága van: a gravitációs erők nagy távolságokon hatnak és mindig vonzási erők.
A gravitációs mező kvantummechanikai megközelítésében azt gondolják, hogy a két anyagrészecskék között ható gravitációs erőt egy spin 2 részecskék hordozzák, amelyet gravitonnak neveznek. A Gravitonnak nincs saját tömege, ezért az átadott erő hosszú távú. A Nap és a Föld közötti gravitációs kölcsönhatást azzal magyarázza, hogy a Földet és a Napot alkotó részecskék gravitonok. Annak ellenére, hogy csak a virtuális részecskék vesznek részt a csereben, az általuk létrehozott hatás természetesen mérhető, mivel ez a hatás a Föld forgása a Nap körül. Bár a gravitonok nem regisztrálhatók, ezek hipotetikus részecskék maradnak, de létezésükben a fizikusok nem kétségesek.
2. Az interakció következő szakasza olyan elektromágneses erők által keletkezik, amelyek az elektromosan töltött részecskék között hatnak, de nem veszik figyelembe az ilyen töltés nélküli részecskék, mint neutronok kölcsönhatását. Az elektromágneses kölcsönhatások sokkal erősebbek, mint a gravitációs kölcsönhatások: az elektromágneses erő két elektron között körülbelül 10-szer 40-szer nagyobb, mint a gravitációs erő. A gravitációs erõkkel ellentétben, amelyek a vonzás erõi, ugyanaz a jel taszít, ellentétben a feltöltött - vonzással. Az elektromágneses kölcsönhatás vektorai fotonok.
3. A harmadik típus kölcsönhatása gyenge kölcsönhatásnak nevezhető. Felelős az elemi részecskék bomlásáért, a radioaktivitásért, és az összes spin 1/2 anyag részecskék között létezik, de a spin 0 és a 2-fotonok és gravitonok nem vesznek részt benne.
1967-ben az angol elméleti fizikus Abdus Salam és az amerikai Harvard Weinberg fizikus egyidejűleg olyan elméletet javasolt, amely egy gyenge kölcsönhatást kombinált egy elektromágneses módszerrel. Weinberg és Salam azt javasolta, hogy a foton mellett további három részecske van az 1-es spin-nal, amelyek együttesen közbenső vektor bozonnak nevezik és a gyenge kölcsönhatás hordozói. Ezeket a bozonokat a W + szimbólumok jelölik. W és Z 0. A bozonok tömegét nagy valószínűséggel előre jelölték, így az általuk létrehozott erők igen rövid hatótávolsággal rendelkeztek. Körülbelül tíz évvel később, a Weinberg-Salam elméletben kapott előrejelzéseket kísérletileg megerősítettük.
4. Erős nukleáris kölcsönhatás a negyedik típusú interakció, amely megtartja a kvarkokat egy proton és egy neutron belsejében, valamint protonokat és neutronokat egy atommag belül. Az 1-es spinnel rendelkező részecskéket, amelyet gluonnak neveznek, az erős kölcsönhatás hordozójaként tekintik. A gluonok csak kvarkokkal és más gluonokkal kölcsönhatásba lépnek. Az erőteljes interakciónak van egy szokatlan tulajdonsága - szűkössége van (az angol megszorításokból - korlátozás, visszatartás). A megszorítás abban rejlik, hogy amikor proton vagy neutron elválasztására törekszünk az egyes kvarkokba, olyan vonzó vonzási erők jönnek létre, amelyek ezt nem teszik lehetővé. A bezárás következménye, hogy nem tudunk külön kvarkot vagy gluont megfigyelni.
Az elektromágneses és gyenge kölcsönhatások sikeres integrálása után kísérleteket tettek arra, hogy e két fajot erős kölcsönhatással ötvözzék, így az úgynevezett nagy unifikációs elmélet eredményezne. Az ilyen "nagy" elméletek számos változatát javasoltam.
Természetesen van egy bizonyos túlzás ebben a címben: először, az összes javasolt elmélet valójában nem olyan nagyszerű, másrészt egyszerűen nem tudják kombinálni mind a négyféle kölcsönhatást, mert nem fontolja meg a gravitációs kölcsönhatásokat. Mindazonáltal ezek az elméletek határozott lépést jelenthetnek az összes kölcsönhatást lefedő teljes egységesítési elmélet létrehozása felé. A nagy egyesülés elméletei "megvilágítják" a mi létezésünket. Lehetséges, hogy létezésünk a protonok kialakulásának következménye. Az univerzum kezdetének ilyen képe a legtermészetesebbnek tűnik. A földi anyag alapvetően protonokból áll, de nem rendelkezik antiprotonokkal vagy antineutronokkal. A kozmikus sugarakkal végzett kísérletek megerősítik, hogy ugyanez igaz a Galaxis minden anyagára!
Amint már említettük, a nagy unifikációs elméletek nem tartalmazzák a gravitációs kölcsönhatást. A gravitációs erők annyira kicsiek, hogy befolyásuk elhanyagolható, ha elemi részecskékkel vagy atomokkal foglalkozunk. Azonban az a tény, hogy a gravitációs erők hosszú távú, sőt még mindig vonzási erők, azt jelenti, hogy hatásukat mindig összefoglalják. Következésképpen, ha elegendő mennyiségű anyag van, akkor a gravitációs erők nagyobbak lehetnek, mint minden más erő. Éppen ezért a világegyetem evolúcióját pontosan a gravitáció határozza meg.
A legtöbb fizikus hisz egy egységes elmélet kialakításában, amelyben mind a négy erő egyfajta lenne.