Чтение онлайн

Реакции с участием элементарных частиц — это реакции взаимопревращений частиц, когда элементарные частицы одного вида переходят в частицы другого вида, а также реакции с испусканием (рождением) или поглощением элементарных частиц.

При рождении элементарных частиц, например, из энергии столкновения в ускорителе — существует закономерность: элементарные частицы рождаются всегда парами — частица и античастица (исключение составляют некоторые нейтральные мезоны, фотон, и т. п. частицы, являющиеся античастицами по отношению к самим себе). Например, электрон — рождается всегда в паре с позитроном, а протон — в паре с антипротоном. Т. о. должно сохраняться равное соотношение частиц вещества и антивещества, что описывается (но в целом, не объясняется) сохранением различных квантовых чисел (электрического заряда (заряд частицы и античастицы — в сумме равен нулю), барионного и лептонного чисел, «странности» и т. п.). В общем, в этих реакциях — сохраняются различные симметрии квантовых чисел (хотя известны и нарушения симметрий, например, несохранение некоторых квантовых чисел в реакциях, обусловленных слабым взаимодействием).

Несмотря на неизменное рождение пар частица-античастица, из наблюдений известно, что окружающий Мир — построен из вещества, а не из антивещества или равного соотношения вещества и антивещества. На неклассическом этапе, на вопрос о причине этого — нет удовлетворительного (окончательного) ответа (хотя нарушение симметрии между веществом и антивеществом, включающее нарушение симметрии (= несохранение) соответствующих квантовых чисел (барионного и лептонного), представляется как произошедшее на определённом этапе Большого Взрыва, но природа этого нарушения — пока остаётся в рамках гипотез).

Удивительной и непредвиденной наблюдательной находкой для учёных, стало существование т. н. поколений элементарных частиц: оказалось, что практически каждой (простой) элементарной частице — соответствует её более тяжёлый аналог: например, электрону — соответствует частица мюон, по всем свойствам аналогичная электрону, но в 206,8 раз тяжелее электрона, а также частица тау-лептон (таон), который тяжелее электрона в 3 477 раз. Иными словами, мюон — это тяжёлый электрон, а таон — ещё более тяжёлый электрон. Точно так же, в дополнение к лёгким d- и u-кваркам, существуют тяжёлые кварки (s- и c-кварки, и ещё более тяжёлые, b- и t-кварки), входящие в состав различных сложных элементарных частиц. (Соединения тяжёлых кварков с обычными кварками — многократно расширяют разнообразие видов сложных элементарных частиц).

Существуют и тяжёлые нейтрино (т. е. помимо обычного, т. н. электронного нейтрино, имеются мюонное и таонное нейтрино).

В общем, все простые элементарные частицы (не считая фотона, и т. п.) — имеют свои аналоги в виде частиц второго и третьего поколений. Частицы этих поколений — в целом, аналогичны соответствующим частицам первого поколения, но более массивны, и кроме того, нестабильны (за исключением нейтрино, если не учитывать явления т. н. нейтринных осцилляций (= превращений нейтрино одного сорта в другое)). Время жизни частиц второго поколения, например мюона — составляет порядка 10–6 сек, а третьего поколения — ещё меньше, например таона — порядка 10–13 сек, поэтому все эти частицы, в обычных условиях — практически не встречаются.

Учёные пытаются разгадать, и на неклассическом этапе это неразрешимо: зачем существуют поколения элементарных частиц, если все эти частицы аналогичны частицам первого поколения (т. е. «зачем природе дублировать саму себя»)? Макрообъекты окружающего Мира — могут быть построены только из частиц первого поколения, частицы второго и третьего поколений — выглядят т. о. излишними. Но почему эти частицы вообще возможны? В неклассической фундаментальной физике — ответа нет, и нет даже формул, которые бы описывали различия масс между поколениями элементарных частиц, например, неизвестно, почему масса мюона выше массы электрона именно в 206,8 раз, а таона — в 3 477 раз.

Тем не менее, наличие как минимум, и вероятно, не более трёх поколений элементарных частиц — остаётся научным фактом.

Есть и ещё много загадочного в элементарных частицах. Ответы на эти и другие нерешённые вопросы — появляются уже только на следующем, новом, постнеклассическом этапе развития представлений об окружающем Мире, о чём — далее:

В современности, формируются качественно новые представления об окружающем Мире, содержащие ответы на те вопросы, что не имели решения на предшествующем, неклассическом этапе. Возникает более глубокое понимание Мира, содержащее вместо описания явлений — объяснение механизмов явлений (в т. ч. строения элементарных частиц, происхождения квантовых чисел, и т. д.).

Постнеклассическая картина Мира, в сравнении с неклассическими представлениями — как увидим, оказывается наглядной и относительно простой.

Итак, приступим к рассмотрению основ постнеклассических представлений:

Сперва вспомним историю: на классическом этапе, то, что теперь называют физическим вакуумом, вначале считалось непрерывной субстанцией (веществом, подобным воздуху — непрерывным эфиром), затем — пустотой, заполняющей промежутки между атомами (и также заполненной атомарным эфиром), а потом — отсутствием пустоты из-за бесконечной делимости частиц материи.

В неклассические времена, представление об отсутствии пустоты, получило дальнейшее развитие (в т. ч. благодаря экспериментальным данным), и вакуум стал представляться совокупностью полей (и их «виртуальных» частиц), или пространством-временем, способным искривляться, и оказался обладающим энергией.

В конечном итоге, элементарные частицы (и весь окружающий Мир) — предстали т. о. искривлениями многомерного пространства-времени (= вакуума), или возбуждёнными состояниями вакуумных полей, = возбуждёнными состояниями вакуума.

В целом, неклассические представления, несмотря на то что весьма странны и ненаглядны — вполне эффективны для описания окружающего Мира (хотя и не отвечают на многие вопросы). В неклассических представлениях — уже прослеживается неразрывная взаимосвязь вакуума и элементарных частиц (как разных сторон единой сущности).

Итак, рассмотрим, какие новые представления о вакууме возникают далее, на постнеклассическом этапе:

Вакуум — перестаёт быть только совокупностью различных полей (и хаосом рождающихся и исчезающих «виртуальных» частиц, наподобие «кипящей жидкости»): вместо этого, вернее, в дополнение к этому, он должен быть представлен как упорядоченная (= кристаллическая) среда. Согласно постнеклассическим представлениям, вакуум т. о. — квантуется, причём кванты его — уподобляются частицам (частицы среды вакуума). Располагаются эти частицы — упорядоченно по отношению друг к другу, что приводит к образованию упорядоченной структуры вакуума (которую, в связи с этим, можно назвать кристаллической).

Сразу возникает вопрос: почему вакуум, являясь кристаллической средой, не создаёт препятствия для движений объектов в окружающем Мире? Классически — представить это невозможно (поэтому, на классическом этапе — вакуум могли воображать только как эфир, т. е. как газообразную (либо жидкую) среду). Также неприемлем кристаллический вакуум и для неклассических представлений (т. к. с т. зр. неклассических подходов, вакуум считается непрерывной субстанцией (т. е. противоположностью среде), а квантование вакуума (в виде квантования пространства-времени) — приводило к сложностям, хотя в любой неклассической теории, в конечном итоге — встаёт проблема квантования вакуума (в связи с пока нерешённой задачей о квантовом рассмотрении гравитационного поля, и понятием о планковском расстоянии и времени, доходя до которых, т. е. до крайне малых масштабов пространства и времени, неклассические теории (в т. ч. теория поля, квантовая механика, и теория относительности) — перестают действовать, достигая т. о. границы своей применимости)).

Понимание возможности кристаллического вакуума, в т. ч. того, как он не препятствует движению элементарных частиц (и любых объектов окружающего Мира) — вытекает из новых представлений об устройстве элементарных частиц:

Элементарные частицы обладают волновой природой, что было, в целом, ясно и на неклассическом этапе (в квантовой механике, и струнных теориях). На постнеклассическом этапе, суть волновых свойств частиц — может быть уточнена к следующему: элементарные частицы — это нелинейные волны, распространяющиеся в среде вакуума.