Развивающаяся Вселенная

Вещество, одна из известных нам форм существования материи, воспринимается наблюдателем либо как реальное поле, либо как реальная корпускулярная частица. За обоими этими восприятиями стоит одна сущность, по-разному проявляющаяся в зависимости от условий наблюдения. Это основополагающее свойство вещества называют дуализмом волновых и корпускулярных свойств, в нем выражено важнейшее представление современной физики.
На языке формул дуализм отражают два кратких, но весомых соотношения. Это уже упоминавшееся уравнение эквивалентности энергии и массы: Е = m * c² и уравнение, связывающее массу m с длиной волны l поля, соответствующего частице с этой массой: l = h / m * v, где h – постоянная Планка (h = 6,626 * 10³⁴ Дж * с), v – скорость частицы.

Масса частицы есть величина постоянная, если скорость ее движения много меньше скорости света. Иногда ее называют массой покоя m_o. Но при больших скоростях, соизмеримых со скоростью света, масса частицы возрастает и тем сильнее, чем ближе скорость частицы к скорости света. В этом случае масса выражается соотношением m = m_o + Dm, где Dm - релятивистская поправка к массе покоя. Вкладом этой поправки нельзя пренебрегать, если скорость частицы v превысит значение, составляющее более 20% от скорости света (с @ 300000 км/ с).

Другая форма проявления вещества – поле. В физике под полем понимают специфическую форму распределения материи в пространстве и времени, когда в каждой точке пространства-времени существует определенное численное значение параметра, характеризующего эту материю. Так, движущееся поле (волна) описывается длиной волны, амплитудой, фазой и их изменениями во времени и пространстве. Другую ипостась вещества – частицу – кроме упоминавшейся массы характеризуют спин, заряд, время жизни и ряд квантовых чисел, в детализацию которых не будем вдаваться.

Среди перечисленных характеристик частицы специфическая роль отводится спину. В классической механике понятие спин определяет величину момента количества движения, что характеризует вращение тела, например, волчка. Но буквальный перенос этого понятия на микрочастицу теряет смысл, поскольку "элементарные" частицы невозможно представить вращающимися миниатюрными волчками. В квантовой физике спин интерпретируется как внутренняя степень свободы частицы, обеспечивающая ей дополнительное физическое состояние. К таким интерпретациям квантовой физикой классических понятий быть может нелегко привыкнуть, но и микромир ведь невозможно уложить в макроскопические представления. В отличие от классического момента количества движения, который может принимать любые значения в их непрерывной последовательности, спин принимает только положительные дискретные значения, пропорциональные постоянной Планка h. Коэффициент пропорциональности называют спиновым квантовым числом, которое у частиц одного сорта принимает целочисленные значения (0, 1, 2,...), а у частиц другого сорта - полуцелые значения (1/2, 3/2...). Для краткости спиновое квантовое число стали называть просто спином, держа при этом в уме второй сомножитель, входящий в это понятие - постоянную Планка.

Свойства и поведение частиц существенно зависят от того, целое или полуцелое значение имеет спин. Так, частицы с полуцелыми значениями спина могут находиться в одной и той же микросистеме (например, в атоме, молекуле и других) лишь при условии, что их физические состояния не одинаковы. Физическое состояние микрочастицы определяется всем набором характеризующих ее параметров. Если у двух микрочастиц отличен хотя бы один из этих параметров, то их физические состояния считаются неодинаковыми, они могут сосуществовать в одной микросистеме. Невозможность двух частиц с полуцелыми спинами, находящихся в одинаковых состояниях, пребывать вместе, является законом квантовой физики, носящим название запрета Паули. Частицы с полуцелыми значениями спина выделены в отдельную группу, их называют фермионами в честь известного физика Ферми. А вот частицы с целочисленными значениями спина могут находиться вместе в неограниченном количестве, независимо от их физического состояния. На них запрет Паули не распространяется. Такие частицы выделены в другую группу и названы бозонами, в честь другого крупного физика Бозе.

Разделение микрочастиц на две группы с непохожими свойствами имеет далеко идущие последствия. Так, поля фермионов всегда остаются квантованными и в классическом пределе, иначе говоря при переходе от микромира к макромиру, наблюдатель регистрирует их как частицы атомарного вещества. Например, электрон, являющийся фермионом (его спин равен 1/2), в классическом пределе выступает как истинная частица, хотя и обладает волновыми свойствами. То же можно сказать и о протоне, нейтроне и других частицах-фермионах. Поля же бозонов в пределе переходят в классические поля. Например, фотон имеет спин, равный 1, он принадлежит к классу бозонов. В классическом пределе фотоны становятся электромагнитным полем, в зависимости от длины волны это будет свет, радиоволны или другие разновидности электромагнитных излучений. Так что разделение микрочастиц на фермионы и бозоны создает важнейшую предпосылку для реализации привычного нам мира, в котором сосуществуют атомарное вещество (фермионы) и излучения (бозоны).

Представления о строении вещества складываются на основе того, как наука отвечает на два принципиальных вопроса, возникающих при знакомстве с микромиром.
Первый вопрос: каковы самые "элементарные" частицы, из которых образуются последующие более сложные блоки вещества?
Второй вопрос: какова природа и характер взаимодействия между частицами, заставляющего их при определенных условиях объединяться в блоки?

Давняя интуитивная убежденность многих философов в том, что наблюдаемое разнообразие известного нам Мира есть результат комбинаций небольшого числа основополагающих элементов, казалось бы, получила подтверждение после экспериментального установления факта существования атомов. Но сразу же выяснилось, что атом сложен. Поиск элементарных основ вещества был перенесен на более глубокий уровень, на атомное ядро и составляющие его частицы, которые назвали нуклонами. Это протон и нейтрон. Однако, как выяснилось, и они не элементарны. К настоящему времени вырисовывается иерархия уровней микромира. На сегодня известны четыре уровня этой иерархии: молекулярный, атомный, нуклонный и кварковый. На молекулярном уровне проходит граница между микромиром и макромиром. Что же касается движения вниз по обозначенной иерархической цепочке, то, видимо, где-то за кварковым уровнем проходит граница между микромиром и вакуумом Каждый из упомянутых уровней микромира качественно отличается от всех других, его характеризуют иные свойства и иные законы поведения соответствующих частиц. Одним словом, иерархия уровней – это не набор матрешек, вставляемых одна в другую и отличающихся только размером.

Поиск самых простых, основополагающих элементарных частиц вещества привел исследователей к пониманию того, что абсолютная элементарность не существует, что частицы любого уровня бесконечно сложны и по своей сущности, и в своих проявлениях, они неотделимы от других физических реальностей, в числе которых особая роль принадлежит фону – физическому вакууму. Условно принято считать элементарными те частицы, у которых сегодня не обнаруживается внутренняя структура, а их размер недоступен измерению, то есть, не превышает 10^–15 см.

Известны три класса таких частиц: лептоны, кварки и бозоны. Частицы первых двух классов являются фермионами, из них формируется атомарное вещество. Бозонным частицам отводится особая роль, сущность которой станет ясна в дальнейшем. Класс лептонов состоит из шести частиц и шести античастиц. Лептонные частицы и их основные параметры приведены в таблице 2.1. Античастицы отличаются от соответствующих частиц зарядами противоположного знака и некоторыми особенностями, по-видимому, сыгравшими ключевую роль в развитии Вселенной. Лептоны играют важную роль в структуре Мира. Особенно велико значение электрона и нейтрино. Но лептоны не участвуют в образовании ядерных частиц, нуклонов, и в процессах, называемых сильным взаимодействием. Класс кварков, как и класс лептонов, содержит шесть типов частиц и столько же типов античастиц. Физики назвали каждый тип кварков ароматом, но этот термин, относящийся в нашей повседневной жизни к сфере обоняния, означает в данном случае квантовое число, определяющее принадлежность кварка к одному из шести известных типов. Ароматы обозначаются первыми буквами английских слов, принятых в качестве их названий. Обозначения и названия первых трех ароматов выглядят так: u (up); d (down); s (strange). Кварки этих ароматов создают частицы-нуклоны, из которых затем образуются ядра атомов. Роль кварков оставшихся трех тяжелых ароматов выглядит не столь важной, но такое впечатление, возможно, связано с нашим недопониманием их истинного предназначения. Основные характеристики кварков представлены в таблице 2.1. Антикварки обозначаются теми же символами с чертой над ними.

Приведенные в таблице массы кварков получены расчетным путем по данным экспериментов на ускорителях. Кварки – электрически заряженные частицы. Однако, и в этом проявилась их первая особенность, электрические заряды кварков имеют дробные значения по отношению к заряду электрона (-1) или протона (+1). Это открытие явилось сюрпризом для ученых, ведь существовало твердое убеждение, основанное на экспериментальных данных, что заряд электрона (протона), условно принимаемый равным 1, - это наименьший существующий в природе электрический заряд. Обнаружение дробных значений заряда стимулировало их более тщательный поиск в нашем окружении. Экспериментаторам удалось довести точность измерений до фантастически высокого значения, но никаких признаков существования свободных дробных зарядов не было обнаружено. Не удалось обнаружить в свободном состоянии и самих носителей дробного заряда – кварков. Между тем никаких сомнений в существовании частиц, названных кварками, внутри нуклонов, как и присущих им дробных электрических зарядов, быть не может. Еще в 1969 году кварки (их первоначально назвали партонами) были обнаружены внутри нуклонов в экспериментах на линейном ускорителе электронов в Стэнфорде (США). Экспериментаторам Дж. Фридману, Г. Канделлу и Р. Тейлору присуждена Нобелевская премия по физике за 1990 год. В последующих экспериментах, выполненных в 1982 году, Х.Штермер, Цун и Р. Лафмен, подтвердили существование в природе дробного электрического заряда. За это открытие им присуждена Нобелевская премия по физике за 1998 год. В наше время кварки и антикварки группируются либо по две, либо по три частицы, образуя составные частицы, получившие наименование адронов. Кварки – вечные пленники составных частиц, это принципиальное свойство вещества на микроуровне кварков.

Адроны подразделяются на три группы.
Первая – барионы – образуется частицами, составленными комбинациями из трех кварков. В эту группу входят протон и нейтрон, фундаментальная основа атомных ядер.
Вторую группу составляют частицы, основа которых – сочетание кварка и антикварка. Эти частицы названы мезонами.
Еще одна группа содержит частицы, образуемые сочетаниями трех антикварков. В нее попадают антипротон и антинейтрон, составляющие антивещество.

В приведенной стройной схеме обнаруживается принципиальный дефект. Кварки, как фермионы, не могут участвовать в построении составной микросистемы, если одинаковы их физические состояния. В частности, составная частица не должна содержать кварки одного аромата. А в барионных и антибарионных образованиях это железное правило нарушается. Например, протон образуется комбинацией кварков, в символах записываемой так: uud. А нейтрон, соответственно udd. В обоих примерах в составе сложной частицы присутствуют пары кварков одного аромата. Допустить мысль, что запрет Паули не выполняется, ученые не могли. Поэтому было выдвинуто предположение, к счастью вскоре подтвержденное экспериментально, что кварки одного аромата не идентичны, они различаются характером взаимодействия между собой. Это означает, что для полного описания физического состояния кварка следует ввести еще одно квантовое число, учитывающее взаимодействие между кварками одного аромата. Такое число остроумные физики назвали цветом. Как "аромат" не имеет ничего общего с запахом, так и "цвет" не имеет отношения к раскраске картинок цветными карандашами. Таким образом, выяснилось, что кварки одного аромата не идентичны, их там три разновидности, три цветовых "оттенка". Принцип Паули поколебать не удалось.