Элементарные частицы и силы в природе

Еще со времен Древней Греции сформировались две основные позиции по вопросу делимости вещества:

1. Аристотель считал, что вещество непрерывно, т.е. мы можем разделять небольшую часть вещества на более мелкие части, но так и найдем ту, которая дальше делиться не будет;

2. Демокрит и его сторонники полагали, что все вещество состоит из неделимых атомов.

В 1803 г. английский химик и физик Джон Дальтон показал тот факт, что химические вещества всегда соединяются в определенных пропорциях, что он объяснял тем, что атомы объединяются в группы, которые называются молекулами.

В начале 20 века английский физик Томпсон открыл новую частицу материи – электрон, масса которой была меньше одной тысячной самого легкого атома. Тем самым Томпсон показал, что атомы не являются неделимыми.

В 1911 г. Эрнст Резерфорд предлагает модель структуры атома: положительно заряженное ядро, вокруг которого вращаются отрицательно заряженные электроны = планетарная модель.

Во второй половине 20 века были проведены эксперименты, доказывающие, что протоны, входящие в состав ядра атома, состоят из более мелких частиц. Американский физик М. Гелл-Манн назвал эти частицы кварками, и, по сути, они являются частицами с дробным зарядом. Известно, по крайней мере, несколько разновидностей кварков. Их делят на 6 «ароматов»:

1. ю-кварк или верхний кварк;

2. д-кварк или нижний кварк;

3. с-кварк (странный) кварк;

4. си-кварк или очарованный кварк;

5. би-кварк (прекрасный, красивый) кварк;

6. тэ-кварк (истинный) кварк.

Каждый «аромат» также делится на «цвета».

В квантовой механике предполагается, что все силы или взаимодействия между частицами вещества переносятся особыми частицами-переносчиками. Частица вещества, к примеру, электрон или кварк испускает частицу, которая является переносчиком взаимодействия. В результате отдачи скорость частицы вещества меняется, а затем частица-переносчик налетает на другую частицу вещества и поглощается ею. Это соударение изменяет скорость второй частицы, как будто между этими двумя частицами действует сила.

Частицы-переносчики можно разделить на 4 категории. Нужно подчеркнуть, что это деление является искусственным. Оно принято для удобства построения частных теорий. Большинство физиков надеются выйти, в конце концов, на единую теорию, которая представит все 4 взаимодействия, как разные аспекты единого взаимодействия.

1. Первую категорию составляет гравитационное взаимодействие. Это универсальная сила, то есть каждая частица испытывает на себе действие гравитации соразмерно. Этот тип взаимодействия можно представить, как обмен частицами-переносчиками, которые называются гравитон. Гравитация – это самая слабая из четырех сил, однако она может действовать на большие расстояния.

2. Следующая категория – электромагнитное взаимодействие, возникающее между электрически заряженными частицами (электроны или кварки), но не влияющее на нейтральные частицы. Это взаимодействие намного сильнее гравитационного: в 1*10 в 42 степени. Частицей-переносчиком в этом типе взаимодействия служит фатон.

3. Третья категория называется слабым ядерным взаимодействием. В повседневной жизни мы с ним не сталкиваемся непосредственно. Оно отвечает за радиоактивность – самопроизвольный распад атомных ядер. Природа слабых ядерных сил долгое время оставалась неясной до 1967 г., когда ученые Абдус Салам и Стивен Вайнберг независимо друг от друга предложили теории, которые объединяли слабое взаимодействие с электромагнитным. Частицами-переносчиками в этом типе взаимодействия являются W и Z бозоны.

4. В четвертую категорию входит самое сильное взаимодействие. Оно называется сильное ядерное взаимодействие. Оно удерживает кварки внутри протонов и не дает протонам и нейтронам покинуть ядро. Переносчиком этого взаимодействия считается глюон.

Попытка создание единой теории

Главная трудность при поиске теории, объединяющей гравитацию с другими взаимодействиями, состоит в том, что ОТО (общая теория относительности), которая описывает гравитацию, является единственной не квантовой теорией. Она не принимает во внимание принцип неопределенности. Частные теории, описывающие все остальные взаимодействия, как раз основаны на квантовой механике и главной задачей является включение принципа неопределенности в общую теорию относительности (ОТО) или формулирование квантовой теории гравитации.

Одной из теорий, которая попыталась провести такое объединение, является теория струн (супер-струн). Теория струн – это направление математической физики, изучающее динамику и взаимодействие не точечных частиц, а одномерных протяженных объектов, называемых квантовой струной. Считается, что внутри каждой частицы находится колеблющееся волокно, подобное бесконечно тонкой резиновой ленте. Каждая струна может совершать огромное число колебаний. Эти колебания могут быть разными. Более интенсивные колебания несут большее количество энергии, и наоборот. Таким образом, согласно теории струн, масса элементарной частицы определяется энергией колебания внутренних струн этой частицы.

Согласно специальной теории относительности энергия и масса представляют собой две стороны одной медали: чем больше энергия, тем больше масса и наоборот. А поскольку масса элементарной частицы определяется энергией колебания этой частицы, то данная схема будет соответствовать выводам теории относительности.