A részecskék fizikáját választjuk ki 7) a részecskék mennyiségei

Végre elértük a célunkat: megérteni, mi is azok a dolgok, amelyeket "részecskéknek" nevezünk, nevezetesen: elektronok, fotonok, kvarkok, gluonok és neutrínók. Mindez persze a modern tudományra vonatkozik. Érdemes megemlékezni, hogy a tudományban nincsenek garanciák arra, hogy a jelenlegi megértés tovább mélyül.

Megtudtuk, hogy a legtöbb ismertté vált területünk leírja a közeg tulajdonságait, például a kábel magasságát vagy a gáz nyomását. De azt is megtudtuk, hogy Einstein relativitáselméletében létezik egy speciális osztály a mezőkből, a relativisztikus mezőkből, amelyek nem igényelnek közeget. Vagy legalábbis, ha van közegük, nagyon szokatlan. Semmi sem a mező egyenletekben, nem igényel semmilyen közeg jelenlétét, és nem mondja meg, hogy a médium tulajdonságát hogyan jellemezik a relativisztikus mezők.

Tehát miközben a relativisztikus mezőket a világegyetem elemi fizikai tárgyaként tekintjük, és nem mint ismeretlen médium bizonyos tulajdonságait. Függetlenül attól, hogy a fizikusok megtartják-e ezt a nézőpontot, az idő fogja megmutatni.

A relativisztikus mezők két csoportját tekintettük, és most részletesebben tanulmányozzuk őket. Megfelelnek a 0. osztályú mozgás egyenletében, ahol cw = c (ahol c az univerzális sebességhatár, amelyet gyakran "fénysebességnek" neveznek).

Vagy az 1. osztályú mozgás egyenleteire, ahol cw = c

Az előző dokumentumban kimutatták, hogy μ a minimális hullám frekvencia ilyen mezőkben. Ebben a cikkben νmin jelöli.

Miért gyakran nevezik az egyetemes sebességhatárt a fénysebességnek? A 0 osztályú egyenletű hullámok a cw sebességgel mozognak. Fény (egy általános kifejezés az elektromágneses hullámok bármilyen frekvencián), mozgó keresztül üres tér, kielégíti a relativisztikus egyenletet 0 osztályú, és így a fényhullám (bármilyen hullámhosszúságon és a relativisztikus területeken kielégítő relativisztikus egyenletet 0 osztály) mozog a c sebességgel.

Sőt, ugyanabban a cikkben láttuk, hogy ha az 1. osztály egy mezője A hullámhosszú, amplitúdó A, frekvencia ν, hullámhossz λ és Z0 egyensúlyi állapot. akkor a mozgás egyenlete megköveteli, hogy a frekvencia és a hullámhossz az μ = νmin értékhez kapcsolódik. amely az egyenletekben, képlet szerint jelenik meg

Ez egy Pythagorean képlet - ha kívánatos, háromszögként is ábrázolható, mint a 2. ábrán. 1. A hullámok minimális frekvenciája νmin. és a hozzárendelés ν = νmin (és ezért, mint λ → ∞) megfelel a háromszögnek a függőleges vonalra történő összehúzódásának (1. ábra, alul). Lehetőség van a 0. osztály hasonló relációjának megszerzésére is, így μ = νmin nulla. Ezután kiválaszthatja a négyzetgyökeret, és kaphat

Ez már háromszög, vízszintes vonallal összenyomva (1. ábra jobbra). Ebben az esetben a minimális frekvencia nulla. A mező ingadozhat olyan lassan, ahogy tetszik.

Nincsenek korlátozások az A. De ez azért van, mert figyelmen kívül hagyjuk a kvantummechanikát. Ideje tanulni a relativisztikus kvantummezőket.

Relativista kvantummezők

A valós világ kvantummechanikai, ezért az A amplitúdó nem lehet. Diszkrét értékeket tartalmaz az n négyzetgyökével arányosan, egy nemnegatív egész szám, amely a hullámban lévő oszcillációk kvantumszámát jelöli. A hullámban tárolt energia

Ahol h a Planck konstans, szükségszerűen megjelenik, ahol a kvantummechanika fontos. Más szavakkal, az egyes vibrációs kvantumhoz kapcsolódó energia csak a hullámos oszcillációk frekvenciájától függ, és egyenlő:

Ezt a kapcsolatot először javasolta, konkrétan a fényhullámokra, Einstein 1905-ben, a fotoelektromos hatás magyarázatában.

De ne feledje a pitagorai arányt a frekvencia és a hullámhossz. Ha h + 2-tel szaporodunk, akkor az 1. osztály mezőjének kvantumát kapjuk

Ismerősnek tűnik. Már tudjuk, hogy az Einstein-féle relativitáselmélet bármely tárgyának meg kell felelnie az energiájának, lendületének és tömegének leírását adó egyenletnek:

Egy másik pitagorai kapcsolat. Az objektum minimális energiája mc 2. Ez hasonlít a minimális frekvenciára vonatkozó azon kijelentésre, amelyet az 1. osztályú, νmin osztályú hullám birtokolhat. Lehet, hogy megpróbáljuk feltételezni, hogy valószínűleg egy relativisztikus mező kvantumára

Az első egyenlet először 1924-ben Louis De Broglie munkájában jelent meg - közel 20 évvel Einstein után. Miért tartott ilyen sokáig? Nem tudom.

Ennek értelme van? Amint azt megjegyeztük, a 0. osztály relativisztikus mezői közé tartoznak az elektromos mezők, hullámuk pedig elektromágneses hullám, azaz fény. Verzió a általános képletű (*), kapjuk az osztály 0 fotonok megegyezik a mezők az osztály 1, ahol μ = νmin nullával egyenlő - azaz, m = 0. Izvlechom négyzetgyökét, és megkapjuk

Vagy Einstein egyenlete a tömegtelen részecskéknek. A kvantum elektromágneses hullámok (beleértve mindenféle fény: látható, ultraibolya, infravörös, rádióhullámok, gamma-sugárzás, és hasonlók csak abban különböznek gyakorisága és így az energia fotonok) igaz lenne, és tömeg nélküli részecskék - amint a felsorolt egy pár egyenlet (**) és (***). Ezek fotonok.

A (***) egyenletből végre kiszámíthatjuk a részecske tömegét. Minden egyes részecske, amelynek tömege egy 1. osztályú mező kvantum. Az ilyen hullámok minimális frekvenciája νmin. Az ilyen hullám egy kvantumának minimális energiáját h szorozza meg a frekvenciával. És a részecske tömege csak a minimális energia osztva c2-vel.

Ha meg akarjuk érteni, hogy honnan jön a részecske tömege, meg kell értenünk, mi határozza meg a νmin. és miért van egy minimális gyakoriság egyáltalán. Az elektronok és a kvarkák esetében ez teljesen tisztázatlan, de ismeretes, hogy a Higgs mező fontos szerepet játszik ebben.

Következtetés: a természet részecskéi a kvantum relativisztikus kvantummezők. A tömegtelen részecskék azok a mezők hullámai, amelyek kielégítik a 0. osztály egyenletét. A tömegesek megfelelnek az 1. osztály egyik egyenletének mezeinek. Számos részlet van, de ez a tény a világ egyik alapvető alapvető tulajdonsága.

Ezek a kvanták miként viselkednek, mint a részecskék?

Elképzeljünk olyan részecskéket, mint a por vagy a homokszemcsék. A kvanták ebben az értelemben nem részecskék - ezek olyan hullámok, amelyek egy bizonyos frekvenciához minimális energiát és amplitúdót tartalmaznak. De olyan részecskékkel viselkednek, mint a részecskék, amiket megbocsáthatunk a "részecske" szó leírásában. Lássuk, miért.

Ha felemeli a hullámot a vízben és hagyja, hogy áthaladjon a köveken, amelyek nem mélyen fekszenek a felszín alatt, akkor a hullám egy része áthalad a köveken, és egy rész tükröződni fog, amint az a 2. ábrán látható. 3. A hullám melyik része áthalad a vonalon, attól függ, hogy milyen a kövek alakja, milyen közel áll a felszínhez, és így tovább. De a lényeg az, hogy a hullám egy részét a köveken keresztül továbbítják, és néhányan tükröződnek. A hullám energiájának egy része ugyanabba az irányba fog menni, a rész ellentétes irányban megy.

De ha egy fotont küldesz a tükröző üveg irányába, akkor ez a foton áthalad rajta vagy tükröződik (4. Pontosabban, ha mérjük a foton viselkedését, akkor megtudjuk, hogy tükröződik-e vagy továbbít-e. Ha nem mérjük meg - lehetetlen megmondani, mi történt. Üdvözöljük a kvantummechanika mocsarával. A foton kvantum. Energiája nem osztható fel az üvegen átesett részre, és a visszavert részre - mivel mindkét oldalon kevesebb lesz egy kvantum, ami tilos. (Finom: az üveg nem változtatja meg a fotonfrekvenciát, ezért az energia nem osztható két vagy több alacsonyabb frekvenciájú kvantumra). Tehát egy foton, bár ez egy hullám, úgy viselkedik, mint egy részecske ebben az esetben. Ez tükrözi az üveget, vagy nem. Tükröződik vagy nem - ez a kvantummechanika nem előre jelzi. Csak a gondolkodás valószínűségét adja. De ő megjósolja, hogy bármi is történik, a foton teljes egészében utazni fog és megőrzi identitását.

És mi a helyzet a két fotonnal? Attól függ. Például ha a fotonok különböző helyeken különböző időpontokban kerülnek kibocsátásra, akkor a megfigyelő két kvantumot lát el a térben, és valószínűleg különböző irányokban mozog (5. Különböző frekvenciákkal rendelkezhetnek.

Ábra. 5: független kvantum

Különleges esetekben, amikor két fotont bocsátanak ki és ideálisan szinkron módon (mint a lézereknél), úgy viselkednek, ahogy az az 1. ábrán látható. 6. Ha két foton kombinációját küldjük az üvegre, akkor nem két dolog történhet, de három dolog. Vagy mindkét foton átmegy az üvegen, vagy mindkettő tükröződik, vagy az egyik el fog haladni, a másik pedig tükröződik. Az üveg 0, 1 vagy 2 fotont tükröz - nincs más lehetőség. Ebben az értelemben, a kvantum fény viselkednek újra részecskék kis golyókat - ha dobja két golyó a bárokban, ahol vannak lyukak, majd a rács hatással lehet 0, 1 vagy 2 gól, és a lyukakon keresztül lesz 0, 1 vagy 2 gól . Nincs lehetőség, amelyben 1,538 golyó fog megjelenni a rácsból.

De ezek olyan fotonok, amelyeknek nincs tömegük, kötelesek mozgatni a fénysebességet és E = p c. Mi a helyzet a tömeggel, mint az elektronokkal? Az elektronok mennyisége egy elektromos mezőnek, és mint a fotonok, kibocsáthatnak, felszívódhatnak, tükröződhetnek vagy továbbíthatók. Van egy bizonyos energia és lendület. ahol én az elektron tömege. Az elektronok és a fotonok közötti különbség az, hogy lassabban mozognak, mint a fény, így pihenhetnek. Az ilyen esemény vázlatát (a kvantummechanikában, a bizonytalansági elv alapján, semmi sem lehet statikus) álló helyzetű elektron. 7. Ez egy minimális frekvencia hullám, amelyet egy igen nagy, majdnem végtelen érték hullámhosszához rendelünk. Ezért a 2. ábrán látható térbeli hullámalak. Nem mutat konvolúciót - csak időben ingadozik.

Tehát igen, sőt fotonok viselkednek nagyon hasonlít a részecskék, és ezért nevezik elektronok, a kvarkok, neutrínók, fotonok, gluonok, W-részecske és a Higgs „részecske” lesz katasztrofális átverés. De a "kvantum" szó alkalmasabb erre - mert pontosan kvantum.

Mint a fermionok és a bozonok különböznek egymástól

• Az összes elemi részecskéket fermionokra és bozonokra osztják.
• A záróelemek (beleértve az elektronokat, a kvartokat és a neutrínókat) kielégítik a Pauli kizárási elvét - két azonos típusú fermion nem tehet ugyanazt a dolgot.
• Bosonok (beleértve a fotonokat, a W és Z részecskéket, a gluonokat, a gravitonokat és a Higgs-részecskéket) különbözőek: ugyanazon típusú két vagy több bozon ugyanazt teheti.

Ezért a fotonok lézerekből készülhetnek - mivel bozonok, ugyanabban az állapotban lehetnek, és egy erős fénysugarat generálnak. De a lézert nem lehet olyan elektronok alkotják, amelyek a fermionok.

Hogyan változik ez a különbség a matematika nyelvén? Kiderül, hogy az általam megadott képlet alkalmas a bozonokra, és a fermionok esetében meg kell változtatni - enyhén, de nagy következményekkel. A bozonok esetében:

Ez azt jelenti, hogy az egyes kvantumok energiája h ν. Ez azt jelenti, hogy a bozon kvanták ugyanazt tehetik; Ha n nagyobb, mint 1, egy boszingás mezőre a hullám több kvantumból áll, oszcillálva és együtt mozog. De a fermionok számára:

ami azt jelenti, hogy minden kvantumnak energiája h ν. Ez azt jelenti, hogy a bozon kvanták ugyanazt a dolgot tehetik meg; ha n nagyobb, mint 1, akkor a bozon mező több hullámból áll. De a fermionokért

Egy kvantum energiája még mindig egyenlő a h ν-vel, így a részecskék és energiáik, a lendületük és a tömegük teljes vitája továbbra is érvényben marad. Az elektronhullámban lévő kvantumok száma azonban csak 0 vagy 1 lehet. Tíz elektron, a tíz fotonnal ellentétben, nem szervezhető egy nagyobb amplitúdójú hullámba. Ezért nincsenek fermion hullámok, amelyek nagy számú fermionból állnak, oszcillálva és együtt mozognak.