پدربزرگ بمب اتم. شکافت هسته ای اورانیوم

6. دنیای ذرات زیر اتمی

شکافتن اتم

غالباً گفته می شود که دو نوع علم وجود دارد - علوم بزرگ و کوچک. شکافتن اتم یک علم بزرگ است. دارای امکانات عظیم آزمایشی، بودجه های عظیم است و سهم شیر از جوایز نوبل را دریافت می کند.

چرا فیزیکدانان نیاز به تقسیم اتم داشتند؟ پاسخ ساده - برای درک نحوه عملکرد اتم - فقط بخشی از حقیقت را در بر می گیرد، اما دلیل کلی تری وجود دارد. صحبت کردن به معنای واقعی کلمه در مورد شکافتن اتم کاملاً صحیح نیست. در واقع، ما در مورد برخورد ذرات پرانرژی صحبت می کنیم. وقتی ذرات زیراتمی که با سرعت بالا حرکت می کنند با هم برخورد می کنند، دنیای جدیدی از فعل و انفعالات و میدان ها متولد می شود. تکه‌های ماده حامل خشم عظیم، که پس از برخورد پراکنده می‌شوند، اسرار طبیعت را پنهان می‌کنند که از زمان "آفرینش جهان" در اعماق اتم مدفون مانده است.

تاسیساتی که در آن ذرات پرانرژی با هم برخورد می کنند - شتاب دهنده های ذرات - از نظر اندازه و هزینه قابل توجه هستند. عرض آنها به چندین کیلومتر می رسد و باعث می شود حتی آزمایشگاه هایی که برخورد ذرات را مطالعه می کنند در مقایسه کوچک به نظر برسند. در مناطق دیگر تحقیق علمیتجهیزات در آزمایشگاه قرار دارند؛ در فیزیک با انرژی بالا، آزمایشگاه ها به شتاب دهنده متصل می شوند. اخیراً مرکز تحقیقات هسته ای اروپا (سرن)، واقع در نزدیکی ژنو، چند صد میلیون دلار برای ساخت یک شتاب دهنده حلقه ای اختصاص داده است. محیط تونلی که برای این منظور ساخته می شود به 27 کیلومتر می رسد. این شتاب دهنده که LEP (حلقه الکترون-پوزیترون بزرگ) نامیده می شود، برای شتاب دادن به الکترون ها و پادذرات آنها (پوزیترون) تا سرعت هایی طراحی شده است که فقط یک تار مو با سرعت نور فاصله دارند. برای دریافت ایده ای از مقیاس انرژی، تصور کنید که به جای الکترون ها، یک سکه پنی به چنین سرعت هایی شتاب می گیرد. در پایان چرخه شتاب، انرژی کافی برای تولید 1000 میلیون دلار برق خواهد داشت! تعجب آور نیست که چنین آزمایش هایی معمولاً به عنوان فیزیک "پر انرژی" طبقه بندی می شوند. با حرکت به سمت یکدیگر در داخل حلقه، پرتوهای الکترون‌ها و پوزیترون‌ها برخوردهای رودررو را تجربه می‌کنند که در آن الکترون‌ها و پوزیترون‌ها از بین می‌روند و انرژی کافی برای تولید ده‌ها ذره دیگر آزاد می‌کنند.

این ذرات چیست؟ برخی از آنها همان «بلوک‌های سازنده» هستند که ما از آنها ساخته شده‌ایم: پروتون‌ها و نوترون‌هایی که هسته‌های اتم را می‌سازند، و الکترون‌هایی که به دور هسته‌ها می‌چرخند. ذرات دیگر معمولاً در مواد اطراف ما یافت نمی شوند: طول عمر آنها بسیار کوتاه است و پس از انقضای آن به ذرات معمولی متلاشی می شوند. تعداد انواع چنین ذرات کوتاه مدت ناپایدار شگفت انگیز است: چند صد مورد از آنها قبلاً شناخته شده است. مانند ستارگان، ذرات ناپایدار آنقدر زیاد هستند که با نام قابل شناسایی نیستند. بسیاری از آنها فقط با حروف یونانی و برخی فقط با اعداد نشان داده می شوند.

مهم است که در نظر داشته باشید که همه این ذرات ناپایدار متعدد و متنوع به هیچ وجه به معنای واقعی کلمه نیستند اجزاءپروتون، نوترون یا الکترون. هنگام برخورد، الکترون‌ها و پوزیترون‌های پرانرژی در بسیاری از قطعات زیراتمی پراکنده نمی‌شوند. حتی در برخورد پروتون‌های پرانرژی، که آشکارا از اجسام دیگر (کوارک‌ها) تشکیل شده‌اند، آنها معمولاً به اجزای سازنده خود به معنای معمول تقسیم نمی‌شوند. آنچه در چنین برخوردهایی اتفاق می افتد بهتر است به عنوان ایجاد مستقیم ذرات جدید از انرژی برخورد تلقی شود.

حدود بیست سال پیش، فیزیکدانان از تعداد و تنوع ذرات زیراتمی جدید کاملاً گیج شده بودند، که به نظر می رسید پایانی نداشت. قابل درک نبود برای چیاینقدر ذرات شاید، ذرات بنیادیشبیه ساکنان باغ وحش با وابستگی ضمنی خانوادگی خود، اما بدون هیچ گونه طبقه بندی مشخص. یا شاید همانطور که برخی خوش بینان معتقد بودند، ذرات بنیادی کلید جهان را در دست دارند؟ ذرات مشاهده شده توسط فیزیکدانان کدامند: قطعات ناچیز و تصادفی ماده یا خطوط کلی نظم مبهم که در مقابل چشمان ما ظاهر می شود و نشان دهنده وجود ساختاری غنی و پیچیده از دنیای زیرهسته ای است؟ اکنون در وجود چنین ساختاری شکی نیست. نظم عمیق و عقلانی در جهان خرد وجود دارد و ما شروع به درک معنای همه این ذرات می کنیم.

اولین گام برای درک جهان خرد در نتیجه سیستم‌بندی تمام ذرات شناخته شده، درست مانند قرن هجدهم انجام شد. زیست شناسان کاتالوگ های دقیقی از گونه های گیاهی و جانوری تهیه کردند. مهمترین ویژگی ذرات زیراتمی شامل جرم، بار الکتریکی و اسپین است.

از آنجایی که جرم و وزن به هم مرتبط هستند، ذرات با جرم بالا اغلب "سنگین" نامیده می شوند. رابطه انیشتین E =mc^ 2 نشان می دهد که جرم یک ذره به انرژی آن و بنابراین به سرعت آن بستگی دارد. یک ذره متحرک سنگین تر از یک ذره ساکن است. وقتی از جرم یک ذره صحبت می کنند، منظورشان همین است توده استراحت،زیرا این جرم به حالت حرکت بستگی ندارد. ذره ای با جرم سکون صفر با سرعت نور حرکت می کند. بارزترین مثال ذره ای با جرم سکون صفر فوتون است. اعتقاد بر این است که الکترون سبک ترین ذره با جرم سکون غیر صفر است. پروتون و نوترون تقریبا 2000 برابر سنگین تر هستند، در حالی که سنگین ترین ذره ایجاد شده در آزمایشگاه (ذره Z) حدود 200000 برابر جرم الکترون است.

بار الکتریکی ذرات در محدوده نسبتاً باریکی متفاوت است، اما، همانطور که اشاره کردیم، همیشه مضربی از واحد اصلی بار است. برخی از ذرات، مانند فوتون ها و نوترینوها، بار الکتریکی ندارند. اگر بار یک پروتون با بار مثبت 1+ در نظر گرفته شود، بار الکترون -1 است.

در فصل 2 ویژگی دیگری از ذرات را معرفی کردیم - اسپین. همچنین همیشه مقادیری را می گیرد که مضربی از یک واحد اساسی هستند که به دلایل تاریخی 1 انتخاب می شود /2. بنابراین، یک پروتون، نوترون و الکترون دارای اسپین هستند 1/2, و اسپین فوتون 1 است. ذرات با اسپین 0، 3/2 و 2 نیز شناخته شده اند. ذرات بنیادیبا اسپین بزرگتر از 2 پیدا نشده است و نظریه پردازان معتقدند که ذرات با چنین اسپین هایی وجود ندارند.

اسپین ذرات - مشخصه مهمو بسته به اندازه آن همه ذرات به دو دسته تقسیم می شوند. ذرات با اسپین های 0، 1 و 2 "بوزون" نامیده می شوند - به نام فیزیکدان هندی Chatyendranath Bose، و ذرات با اسپین نیمه صحیح (یعنی با اسپین 1/2 یا 3/2). - "فرمیون ها" به افتخار انریکو فرمی. تعلق به یکی از این دو کلاس احتمالاً مهمترین در فهرست ویژگی های یک ذره است.

یکی دیگر از ویژگی های مهم یک ذره طول عمر آن است. تا همین اواخر، اعتقاد بر این بود که الکترون ها، پروتون ها، فوتون ها و نوترینوها کاملاً پایدار هستند، یعنی. عمری بی نهایت طولانی دارند نوترون در حالی که در هسته "قفل شده" است پایدار می ماند، اما یک نوترون آزاد در حدود 15 دقیقه تجزیه می شود. تمام ذرات شناخته شده دیگر بسیار ناپایدار هستند، طول عمر آنها از چند میکروثانیه تا 10-23 ثانیه است. چنین فواصل زمانی غیرقابل درک به نظر می رسد، اما نباید فراموش کنیم که ذره ای که با سرعتی نزدیک به سرعت نور پرواز می کند (و بیشتر ذرات متولد شده در شتاب دهنده ها دقیقاً با چنین سرعتی حرکت می کنند) موفق می شود مسافت 300 متر را در یک میکروثانیه پرواز کند.

ذرات ناپایدار دچار فروپاشی می شوند که یک فرآیند کوانتومی است و بنابراین همیشه عنصر غیرقابل پیش بینی در فروپاشی وجود دارد. طول عمر یک ذره خاص را نمی توان از قبل پیش بینی کرد. بر اساس ملاحظات آماری، تنها میانگین طول عمر را می توان پیش بینی کرد. معمولاً آنها در مورد نیمه عمر یک ذره صحبت می کنند - زمانی که در طی آن جمعیت ذرات یکسان به نصف کاهش می یابد. آزمایش نشان می دهد که کاهش اندازه جمعیت به صورت تصاعدی رخ می دهد (شکل 6 را ببینید) و نیمه عمر 0.693 از میانگین زمان عمر است.

برای فیزیکدانان کافی نیست که بدانند این یا آن ذره وجود دارد - آنها تلاش می کنند تا بفهمند نقش آن چیست. پاسخ به این سوال به خواص ذرات ذکر شده در بالا و همچنین به ماهیت نیروهای وارد بر ذره از خارج و داخل آن بستگی دارد. اول از همه، خواص یک ذره با توانایی (یا ناتوانی) آن برای شرکت در برهمکنش های قوی تعیین می شود. ذرات شرکت کننده در فعل و انفعالات قوی کلاس خاصی را تشکیل می دهند و نامیده می شوند آندرون هاذراتی که در برهمکنش های ضعیف شرکت می کنند و در برهمکنش های قوی شرکت نمی کنند نامیده می شوند لپتون ها،که به معنی "ریه" است. بیایید نگاهی کوتاه به هر یک از این خانواده ها بیندازیم.

لپتون ها

شناخته شده ترین لپتون، الکترون است. مانند همه لپتون ها، به نظر می رسد که یک جسم ابتدایی و نقطه مانند باشد. تا آنجا که مشخص است، الکترون هیچ ساختار داخلی ندارد، یعنی. از هیچ ذره دیگری تشکیل نشده است. اگرچه لپتون ها ممکن است بار الکتریکی داشته باشند یا نداشته باشند، اما همه آنها اسپین یکسانی دارند 1/2, بنابراین، آنها به عنوان فرمیون طبقه بندی می شوند.

یکی دیگر از لپتون های شناخته شده، اما بدون بار، نوترینو است. همانطور که قبلاً در فصل ذکر شد. 2، نوترینوها مانند ارواح گریزان هستند. از آنجایی که نوترینوها در برهمکنش های قوی یا الکترومغناطیسی شرکت نمی کنند، تقریباً به طور کامل ماده را نادیده می گیرند و طوری از آن نفوذ می کنند که گویی اصلاً وجود ندارد. توانایی نفوذ بالای نوترینوها برای مدت طولانی تأیید تجربی وجود آنها را بسیار دشوار می کرد. تنها سه دهه پس از پیش‌بینی نوترینوها بود که سرانجام در آزمایشگاه کشف شدند. فیزیکدانان باید منتظر ایجاد رآکتورهای هسته ای بودند که طی آن تعداد زیادی نوترینو منتشر می شود و تنها پس از آن توانستند برخورد رو به رو یک ذره با هسته را ثبت کنند و از این طریق ثابت کنند که واقعاً وجود دارد. امروزه می توان آزمایش های بسیار بیشتری را با پرتوهای نوترینو انجام داد، که از فروپاشی ذرات در یک شتاب دهنده به وجود می آیند و ویژگی های لازم را دارند. اکثریت قریب به اتفاق نوترینوها هدف را "نادیده می گیرند"، اما هر از گاهی نوترینوها همچنان با هدف تعامل دارند، که این امر امکان به دست آوردن آن را فراهم می کند. اطلاعات مفیددر مورد ساختار ذرات دیگر و ماهیت برهمکنش ضعیف. البته انجام آزمایش با نوترینوها، برخلاف آزمایش با سایر ذرات زیراتمی، نیازی به استفاده از حفاظت خاصی ندارد. قدرت نفوذ نوترینوها به قدری زیاد است که کاملا بی ضرر هستند و بدون اینکه کوچکترین آسیبی به بدن انسان وارد کنند از بدن انسان عبور می کنند.

علیرغم ناملموس بودن، نوترینوها جایگاه ویژه ای در میان سایر ذرات شناخته شده دارند، زیرا فراوان ترین ذرات در سراسر کیهان هستند و تعداد الکترون ها و پروتون ها از یک میلیارد به یک بیشتر است. جهان اساساً دریایی از نوترینوها است که گاهی اوقات به شکل اتم در آن گنجانده شده است. حتی ممکن است که مجموع جرم نوترینوها از مجموع جرم ستارگان بیشتر شود و بنابراین این نوترینوها هستند که سهم اصلی را در گرانش کیهانی دارند. به گفته گروهی از محققان شوروی، نوترینوها دارای جرم سکون کوچک، اما نه صفر (کمتر از یک ده هزارم جرم الکترون) هستند. اگر این درست باشد، نوترینوهای گرانشی بر کیهان تسلط دارند که در آینده ممکن است باعث فروپاشی آن شود. بنابراین، نوترینوها، در نگاه اول "بی ضررترین" و غیر بدنی ترین ذرات، می توانند باعث فروپاشی کل جهان شوند.

در میان سایر لپتون ها، باید به میون اشاره کرد که در سال 1936 در محصولات برهمکنش پرتوهای کیهانی کشف شد. معلوم شد که یکی از اولین ذرات زیراتمی ناپایدار شناخته شده است. از همه جهات به جز پایداری، میون شبیه یک الکترون است: بار و اسپین یکسانی دارد، در برهمکنش‌های یکسانی شرکت می‌کند، اما جرم بزرگ‌تری دارد. در حدود دو میلیونیم ثانیه، میون به یک الکترون و دو نوترینو تجزیه می شود. میون ها در طبیعت گسترده هستند و بخش قابل توجهی از تشعشعات کیهانی پس زمینه را تشکیل می دهند که توسط شمارنده گایگر روی سطح زمین شناسایی می شود.

برای سال‌های متمادی، الکترون و میون تنها لپتون‌های باردار شناخته شده باقی ماندند. سپس در اواخر دهه 1970، سومین لپتون باردار به نام تاو لپتون کشف شد. با جرمی در حدود 3500 جرم الکترون، لپتون تاو آشکارا «سنگین وزن» سه لپتون باردار است، اما از همه جنبه‌های دیگر مانند یک الکترون و یک میون رفتار می‌کند.

این لیست از لپتون های شناخته شده به هیچ وجه تمام نشده است. در دهه 60 کشف شد که چندین نوع نوترینو وجود دارد. نوترینوهای یک نوع همراه با یک الکترون در هنگام واپاشی یک نوترون و نوترینوهای نوع دیگر در هنگام تولد یک میون متولد می شوند. هر نوع نوترینو به صورت جفت با لپتون باردار خود وجود دارد. بنابراین، یک "نوترینوی الکترونی" و یک "نوترینوی میون" وجود دارد. به احتمال زیاد، نوع سومی از نوترینو نیز باید وجود داشته باشد - همراه با تولد تاو لپتون. در این مورد تعداد کلسه نوع نوترینو وجود دارد و تعداد کل لپتون ها شش عدد است (جدول 1). البته هر لپتون ضد ذره مخصوص به خود را دارد. بنابراین تعداد کل لپتون های مختلف دوازده است.

میز 1

شش لپتون مربوط به تغییرات باردار و خنثی است (ضد ذرات در جدول گنجانده نشده اند). جرم و بار به ترتیب بر حسب واحد جرم و بار الکترون بیان می شوند. شواهدی وجود دارد که نوترینوها ممکن است جرم کمی داشته باشند

هادرون ها

بر خلاف تعداد انگشت شماری از لپتون های شناخته شده، به معنای واقعی کلمه صدها هادرون وجود دارد. این به تنهایی نشان می دهد که هادرون ها ذرات بنیادی نیستند، بلکه از اجزای کوچکتر ساخته شده اند. همه هادرون ها در برهمکنش های قوی، ضعیف و گرانشی شرکت می کنند، اما در دو نوع یافت می شوند - بار الکتریکی و خنثی. در میان هادرون ها، معروف ترین و پراکنده ترین آنها نوترون و پروتون هستند. هادرون‌های باقی‌مانده کوتاه‌مدت هستند و یا در کمتر از یک میلیونیم ثانیه به دلیل برهم‌کنش ضعیف، یا بسیار سریع‌تر (در زمان حدود 10 تا 23 ثانیه) - به دلیل برهم‌کنش قوی، تجزیه می‌شوند.

در دهه 1950، فیزیکدانان به شدت در مورد تعداد و تنوع هادرون ها متحیر بودند. اما کم کم ذرات بر اساس سه ویژگی مهم دسته بندی شدند: جرم، بار و اسپین. به تدریج نشانه هایی از نظم ظاهر شد و تصویر روشنی نمایان شد. نکاتی وجود دارد که در پشت آشفتگی ظاهری داده ها، تقارن پنهان شده است. در سال 1963، زمانی که موری گل مان و جورج زوایگ از موسسه فناوری کالیفرنیا نظریه کوارک ها را مطرح کردند، گامی تعیین کننده در کشف راز هادرون ها برداشته شد.

شکل 10 هادرون ها از کوارک ها ساخته می شوند. یک پروتون (بالا) از دو کوارک بالا و یک کوارک d تشکیل شده است. پیون سبکتر (پایین) یک مزون است که از یک کوارک u و یک آنتی کوارک d تشکیل شده است. هادرون های دیگر همه نوع ترکیبی از کوارک ها هستند.

ایده اصلی این نظریه بسیار ساده است. همه هادرون ها از تعداد بیشتری ساخته شده اند ذرات ریز، کوارک نامیده می شود. کوارک ها می توانند به یکی از دو روش ممکن به یکدیگر متصل شوند: یا به صورت سه قلو یا به صورت جفت کوارک-آنتی کوارک. ذرات نسبتا سنگین از سه کوارک تشکیل شده اند - باریون ها،که به معنی "ذرات سنگین" است. شناخته شده ترین باریون ها نوترون و پروتون هستند. جفت کوارک-آنتی کوارک سبکتر ذراتی را تشکیل می دهند که به آنها می گویند مزون ها -"ذرات واسط". انتخاب این نام با این واقعیت توضیح داده می شود که اولین مزون های کشف شده یک موقعیت متوسط در جرم بین الکترون ها و پروتون ها را اشغال کردند. برای در نظر گرفتن همه هادرون های شناخته شده در آن زمان، ژل مان و تسوایگ سه نوع مختلف ("طعم") کوارک را معرفی کردند که نام های نسبتاً فانتزی دریافت کردند: و(از جانب بالا -بالا)، د(از جانب پایین -پایین تر) و s (از عجیب- عجیب). با اجازه دادن به امکان ترکیب های مختلف طعم ها، وجود تعداد زیادی هادرون را می توان توضیح داد. به عنوان مثال، یک پروتون از دو تشکیل شده است و-و یک کوارک d (شکل 10) و نوترون از دو کوارک d و یک کوارک یو تشکیل شده است.

برای اینکه نظریه ارائه شده توسط گل-مان و تسوایگ مؤثر باشد، لازم است فرض کنیم که کوارک ها بار الکتریکی کسری را حمل می کنند. به عبارت دیگر، آنها باری دارند که مقدار آن 1/3 یا 2/3 واحد اساسی است - بار الکترون. ترکیبی از دو و سه کوارک می تواند بار کلی صفر یا یک داشته باشد. همه کوارک ها دارای اسپین 1/2 هستند. بنابراین آنها به عنوان فرمیون طبقه بندی می شوند. جرم کوارک ها به اندازه جرم ذرات دیگر دقیقاً تعیین نمی شود، زیرا انرژی پیوند آنها در هادرون با جرم خود کوارک ها قابل مقایسه است. با این حال، مشخص است که اس کوارک سنگین تر است و-و کوارک های d.

در داخل هادرون ها، کوارک ها می توانند در حالت های برانگیخته باشند، بسیار شبیه حالت های برانگیخته یک اتم، اما با انرژی های بسیار بالاتر. انرژی اضافی موجود در هادرون برانگیخته جرم آن را چنان افزایش می دهد که قبل از ایجاد نظریه کوارک، فیزیکدانان به اشتباه هادرون های برانگیخته را برای ذرات کاملاً متفاوت در نظر گرفتند. اکنون ثابت شده است که بسیاری از هادرون های به ظاهر متفاوت در واقع فقط حالت های برانگیخته یک مجموعه بنیادی از کوارک ها هستند.

همانطور که قبلاً در فصل ذکر شد. 5، کوارک ها با تعامل قوی کنار هم نگه داشته می شوند. اما در تعاملات ضعیف نیز شرکت می کنند. اندرکنش ضعیف می تواند طعم کوارک را تغییر دهد. به این ترتیب فروپاشی نوترون رخ می دهد. یکی از کوارک‌های d در نوترون به یک کوارک u تبدیل می‌شود و بار اضافی، الکترونی را که در همان زمان متولد می‌شود با خود می‌برد. به طور مشابه، با تغییر طعم، برهمکنش ضعیف منجر به پوسیدگی سایر هادرون ها می شود.

وجود s-کوارک ها برای ساخت ذرات به اصطلاح "عجیب" - هادرون های سنگین، کشف شده در اوایل دهه 50 ضروری است. رفتار غیرمعمول این ذرات، که نام آنها را نشان می‌داد، این بود که به دلیل فعل و انفعالات قوی نمی‌توانستند تجزیه شوند، اگرچه هم خودشان و هم محصولات فروپاشی آنها هادرون بودند. فیزیکدانان در مورد اینکه چرا اگر ذرات مادر و دختر هر دو متعلق به خانواده هادرون هستند، نیروی قوی باعث تجزیه آنها نمی شود، متحیر شده اند. بنا به دلایلی، این هادرون ها برهمکنش ضعیف بسیار کمتر را ترجیح می دهند. چرا؟ نظریه کوارک به طور طبیعی این معما را حل کرد. برهم کنش قوی نمی تواند طعم کوارک ها را تغییر دهد - فقط اندرکنش ضعیف می تواند این کار را انجام دهد. و بدون تغییر در طعم، همراه با تبدیل s-quark به و-یا دی کوارک، واپاشی غیرممکن است.

روی میز شکل 2 ترکیب های ممکن مختلف کوارک های سه طعم و نام آنها (معمولا فقط یک حرف یونانی) را نشان می دهد. بسیاری از حالت های برانگیخته نشان داده نمی شوند. این واقعیت که همه هادرون های شناخته شده را می توان از ترکیب های مختلف سه ذره بنیادی به دست آورد، نماد پیروزی اصلی نظریه کوارک بود. اما با وجود این موفقیت، تنها چند سال بعد می‌توان به شواهد فیزیکی مستقیم از وجود کوارک‌ها دست یافت.

این شواهد در سال 1969 در یک سری آزمایش های تاریخی که در شتاب دهنده خطی بزرگ در استانفورد (کالیفرنیا، ایالات متحده آمریکا) - SLAC انجام شد، به دست آمد. آزمایشگران استنفورد به سادگی استدلال کردند. اگر واقعاً کوارک هایی در پروتون وجود داشته باشد، برخورد با این ذرات در داخل پروتون قابل مشاهده است. تنها چیزی که نیاز است یک "پرتابه" زیرهسته ای است که بتواند مستقیماً به اعماق پروتون هدایت شود. استفاده از هادرون دیگر برای این منظور بی فایده است، زیرا ابعاد آن به اندازه یک پروتون است. یک پرتابه ایده آل یک لپتون است، مانند یک الکترون. از آنجایی که الکترون در برهمکنش قوی شرکت نمی کند، در محیط تشکیل شده توسط کوارک ها "گیر نمی کند". در عین حال، یک الکترون می تواند وجود کوارک ها را به دلیل وجود آن حس کند شارژ الکتریکی.

جدول 2

سه طعم کوارک ها، u، d و s، با بارهای +2/3، -1/3 و -1/3 مطابقت دارند. آنها به صورت سه تایی ترکیب می شوند تا هشت باریون نشان داده شده در جدول را تشکیل دهند. جفت کوارک-آنتی کوارک مزون ها را تشکیل می دهند. (برخی ترکیب ها مانند sss حذف شده اند.)

در آزمایش استنفورد، شتاب دهنده سه کیلومتری اساساً به عنوان یک "میکروسکوپ" الکترونی غول پیکر عمل می کرد که تصاویری از داخل یک پروتون تولید می کرد. یک میکروسکوپ الکترونی معمولی می تواند جزئیات کوچکتر از یک میلیونیم سانتی متر را تشخیص دهد. از طرف دیگر، یک پروتون چندین ده میلیون بار کوچکتر است و فقط می‌تواند توسط الکترون‌هایی که به انرژی 2.1010 eV شتاب می‌شوند، «کاوش» شود. در زمان آزمایش های استنفورد، تعداد کمی از فیزیکدانان به نظریه ساده شده کوارک ها پایبند بودند. اکثر دانشمندان انتظار داشتند که الکترون ها توسط بارهای الکتریکی پروتون ها منحرف شوند، اما فرض بر این بود که بار به طور مساوی در داخل پروتون توزیع شده است. اگر واقعاً چنین بود، در آن صورت پراکندگی الکترون های ضعیف عمدتاً رخ می داد، یعنی. هنگام عبور از پروتون ها، الکترون ها دچار انحرافات شدید نمی شوند. آزمایش نشان داد که الگوی پراکندگی به شدت با الگوی مورد انتظار متفاوت است. همه چیز به گونه ای اتفاق افتاد که گویی برخی از الکترون ها به داخل اجزای جامد کوچک پرواز کردند و در باورنکردنی ترین زوایای آنها از آنها منعکس شدند. اکنون می دانیم که چنین ادخال های جامدی درون پروتون ها کوارک هستند.

در سال 1974، نسخه ساده شده نظریه کوارک ها، که در آن زمان در بین نظریه پردازان به رسمیت شناخته شده بود، ضربه حساسی خورد. در عرض چند روز از یکدیگر، دو گروه از فیزیکدانان آمریکایی - یکی در استنفورد به رهبری بارتون ریشتر، دیگری در آزمایشگاه ملی بروکهاون به رهبری ساموئل تینگ - به طور مستقل کشف یک هادرون جدید را اعلام کردند که ذره psi نام داشت. به خودی خود، کشف یک هادرون جدید به سختی قابل توجه خواهد بود، اگر نه برای یک مورد: واقعیت این است که در طرح پیشنهادی توسط نظریه کوارک ها جایی برای یک ذره جدید وجود نداشت. تمام ترکیب‌های ممکن کوارک‌های up، d و s و آنتی‌کوارک‌های آنها قبلاً «استفاده شده‌اند». یک ذره psi از چه چیزی تشکیل شده است؟

مشکل با روی آوردن به ایده ای که مدتی در هوا وجود داشت حل شد: باید رایحه چهارمی وجود داشته باشد که هیچ کس قبلاً آن را مشاهده نکرده بود. عطر جدید قبلاً نام خود را داشت - جذابیت (جذابیت) یا s. پیشنهاد شده است که یک ذره psi مزونی متشکل از یک کوارک c و یک آنتی کوارک c (c) است، یعنی. سی سی از آنجایی که آنتی کوارک ها حامل ضد طعم هستند، جذابیت ذره psi خنثی می شود و بنابراین تأیید تجربی وجود طعم جدید (جذابیت) باید منتظر بود تا مزون ها کشف شوند که در آن کوارک های جذاب با ضد کوارامپ ها جفت می شدند. از طعم های دیگر اکنون یک رشته کامل از ذرات مسحور شناخته شده است. همه آنها بسیار سنگین هستند، بنابراین معلوم می شود که کوارک جذاب از کوارک عجیب سنگین تر است.

وضعیتی که در بالا توضیح داده شد در سال 1977 تکرار شد، زمانی که به اصطلاح مزون آپسیلون (UPSILON) در صحنه ظاهر شد. این بار بدون تردید طعم پنجمی به نام b-quark (از پایین - پایین و اغلب زیبایی - زیبایی یا جذابیت) معرفی شد. مزون آپسیلون یک جفت کوارک-آنتی کوارک است که از کوارک های b تشکیل شده است و بنابراین زیبایی پنهانی دارد. اما، مانند مورد قبلی، ترکیب متفاوتی از کوارک ها امکان کشف "زیبایی" را در نهایت فراهم کرد.

جرم نسبی کوارک ها را می توان حداقل با این واقعیت قضاوت کرد که سبک ترین مزون، پیون، از جفت تشکیل شده است. و-و دی کوارک با آنتی کوارک. مزون psi حدود 27 برابر و مزون آپسیلون حداقل 75 برابر سنگین تر از پیون است.

گسترش تدریجی فهرست طعم های شناخته شده به موازات افزایش تعداد لپتون ها اتفاق افتاد. بنابراین سوال واضح این بود که آیا هرگز پایانی وجود خواهد داشت؟ کوارک ها برای ساده کردن توصیف کل انواع هادرون ها معرفی شدند، اما حتی اکنون این احساس وجود دارد که لیست ذرات دوباره خیلی سریع در حال رشد است.

از زمان دموکریتوس، ایده اساسی اتمیسم این بوده است که در مقیاسی کوچک، ذرات واقعاً بنیادی وجود داشته باشند که ترکیبات آنها ماده اطراف ما را تشکیل می دهند. اتمیسم جذاب است زیرا ذرات بنیادی غیرقابل تقسیم (طبق تعریف) باید در تعداد بسیار محدودی وجود داشته باشند. تنوع طبیعت به دلیل تعداد زیاد اجزای تشکیل دهنده آن نیست، بلکه به دلیل ترکیب آنهاست. وقتی کشف شد که هسته‌های اتمی بسیار متفاوتی وجود دارد، این امید ناپدید شد که آنچه ما امروز اتم می‌نامیم با ایده یونانیان باستان درباره ذرات اولیه ماده مطابقت دارد. و اگرچه طبق سنت ما همچنان در مورد "عناصر" شیمیایی مختلف صحبت می کنیم ، مشخص است که اتم ها به هیچ وجه ابتدایی نیستند ، بلکه از پروتون ها ، نوترون ها و الکترون ها تشکیل شده اند. و از آنجایی که تعداد کوارک ها بسیار زیاد است، وسوسه انگیز است که فرض کنیم آنها نیز سیستم های پیچیده ای هستند که از ذرات کوچکتر تشکیل شده اند.

اگرچه به همین دلیل نارضایتی هایی از طرح کوارک وجود دارد، اکثر فیزیکدانان کوارک ها را ذرات واقعاً ابتدایی می دانند - نقطه مانند، غیرقابل تقسیم و بدون ساختار داخلی. از این نظر آنها به پپتون ها شباهت دارند و از مدت ها پیش فرض بر این بود که باید یک رابطه عمیق بین این دو خانواده متمایز اما از نظر ساختاری مشابه وجود داشته باشد. مبنای این دیدگاه از مقایسه خواص لپتون ها و کوارک ها ناشی می شود (جدول 3). لپتون ها را می توان با مرتبط کردن هر لپتون باردار با یک نوترینوی مربوطه به صورت جفت گروه بندی کرد. کوارک ها را نیز می توان به صورت جفت دسته بندی کرد. جدول 3 به گونه ای ساخته شده است که ساختار هر سلول همان چیزی که مستقیماً در مقابل آن قرار دارد را تکرار می کند. به عنوان مثال، در سلول دوم، میون به عنوان یک "الکترون سنگین" و جذابیت و کوارک های عجیب به عنوان انواع سنگین نمایش داده می شوند. و-و کوارک های d. از کادر بعدی می‌توانید ببینید که لپتون تاو یک «الکترون» حتی سنگین‌تر است، و کوارک b نسخه سنگین‌تری از کوارک d است. برای تشبیه کامل، به یک نوترینوی دیگر (تائو لپتونیم) و طعم ششم کوارک نیاز داریم که قبلاً نام true را دریافت کرده است. (حقیقت، تی).در زمان نگارش این کتاب، شواهد تجربی برای وجود کوارک های برتر هنوز به اندازه کافی قانع کننده نبودند و برخی از فیزیکدانان به وجود کوارک های برتر شک داشتند.

جدول 3

لپتون ها و کوارک ها به طور طبیعی جفت می شوند. همانطور که در جدول نشان داده شده است. دنیای اطراف ما از چهار ذره اول تشکیل شده است. اما گروه های زیر ظاهراً گروه بالایی را تکرار می کنند و در تاج نوترینوها از ذرات بسیار ناپایدار تشکیل شده اند.

آیا می تواند چهارم، پنجم و غیره باشد؟ بخارات حاوی ذرات حتی سنگین تر؟ اگر چنین باشد، نسل بعدی شتاب‌دهنده‌ها احتمالاً به فیزیکدانان این فرصت را می‌دهند تا چنین ذرات را شناسایی کنند. با این حال، توجه جالبی بیان می شود که از آن نتیجه می شود که جز سه جفت نامبرده، جفت دیگری وجود ندارد. این توجه بر اساس تعداد انواع نوترینو است. به زودی خواهیم فهمید که در لحظه انفجار بزرگ، که نشانه ظهور کیهان بود، یک نوترینو به شدت ایجاد شد. نوعی از دموکراسی تضمین می کند که هر نوع ذره همان سهم انرژی را با بقیه ذرات تضمین می کند. بنابراین، هرچه انواع مختلف نوترینوها بیشتر باشد، انرژی بیشتری در دریای نوترینوهایی که فضای بیرون را پر می کنند، وجود دارد. محاسبات نشان می دهد که اگر بیش از سه نوع نوترینو وجود داشته باشد، گرانش ایجاد شده توسط همه آنها تأثیر بسیار نگران کننده ای در فرآیندهای هسته ای، که در چند دقیقه اول زندگی کیهان رخ می دهد. در نتیجه، از این ملاحظات غیرمستقیم یک نتیجه بسیار قابل قبول حاصل می شود که سه جفت نشان داده شده در جدول. 3، تمام کوارک ها و لپتون هایی که در طبیعت وجود دارند خسته شده اند.

جالب است بدانید که تمام مواد معمولی در کیهان فقط از دو سبک‌ترین لپتون (الکترون و الکترون نوترینو) و دو سبک‌ترین کوارک تشکیل شده‌اند. وو د).اگر همه لپتون ها و کوارک های دیگر به طور ناگهانی وجود نداشته باشند، احتمالاً تغییرات بسیار کمی در جهان اطراف ما ایجاد می شود.

شاید کوارک ها و لپتون های سنگین تر نقش نوعی پشتیبان را برای سبک ترین کوارک ها و لپتون ها بازی کنند. همه آنها ناپایدار هستند و به سرعت به ذرات واقع در سلول بالایی تجزیه می شوند. برای مثال، لپتون تاو و میون به الکترون تجزیه می‌شوند، در حالی که ذرات عجیب، جذاب و زیبا به سرعت به نوترون یا پروتون (در مورد باریون‌ها) یا لپتون (در مورد مزون‌ها) تجزیه می‌شوند. این سوال پیش می آید: برای چیآیا همه این ذرات نسل دوم و سوم وجود دارد؟ چرا طبیعت به آنها نیاز داشت؟

ذرات حامل برهمکنش ها هستند

فهرست ذرات شناخته شده به هیچ وجه توسط شش جفت لپتون و کوارک که ماده ساختمانی ماده را تشکیل می دهند، تمام نمی شود. برخی از آنها، مانند فوتون، در مدار کوارک قرار نمی گیرند. ذرات «به جا مانده از دریا» «بلوک‌های سازنده کیهان» نیستند، بلکه نوعی «چسب» را تشکیل می‌دهند که اجازه نمی‌دهد جهان از هم بپاشد، یعنی. آنها با چهار تعامل اساسی مرتبط هستند.

به یاد دارم که در کودکی به من می گفتند که ماه باعث بالا و پایین رفتن اقیانوس ها در طول جزر و مد روزانه می شود. همیشه برای من یک راز بوده است که چگونه اقیانوس می داند ماه کجاست و حرکت آن را در آسمان دنبال می کند. وقتی در مدرسه در مورد جاذبه یاد گرفتم، گیجی ام بیشتر شد. چگونه ماه با غلبه بر ربع میلیون کیلومتر فضای خالی، موفق به "رسیدن" به اقیانوس می شود؟ پاسخ استاندارد - ماه یک میدان گرانشی در این فضای خالی ایجاد می کند که عمل آن به اقیانوس می رسد و آن را به حرکت در می آورد - البته تا حدی منطقی بود، اما هنوز کاملاً مرا راضی نکرد. به هر حال، ما نمی توانیم میدان گرانشی ماه را ببینیم. شاید این فقط همان چیزی است که آنها می گویند؟ آیا این واقعا چیزی را توضیح می دهد؟ همیشه به نظرم می رسید که ماه باید به نوعی به اقیانوس بگوید کجاست. باید نوعی تبادل سیگنال بین ماه و اقیانوس وجود داشته باشد تا آب بداند کجا حرکت کند.

با گذشت زمان، معلوم شد که ایده انتقال نیرو از طریق فضا به شکل سیگنال چندان دور از رویکرد مدرن به این مشکل نیست. برای درک چگونگی شکل گیری این ایده، باید ماهیت میدان نیرو را با جزئیات بیشتری در نظر بگیریم. به عنوان مثال، بیایید جزر و مد اقیانوس را انتخاب نکنیم، بلکه یک پدیده ساده تر را انتخاب کنیم: دو الکترون به یکدیگر نزدیک می شوند، و سپس، تحت تأثیر دافعه الکترواستاتیک، در جهات مختلف از هم دور می شوند. فیزیکدانان این فرآیند را مسئله پراکندگی می نامند. البته، الکترون ها به معنای واقعی کلمه یکدیگر را هل نمی دهند. آنها در فاصله ای از طریق میدان الکترومغناطیسی ایجاد شده توسط هر الکترون برهم کنش می کنند.

شکل 11. پراکندگی دو ذره باردار مسیر حرکت ذرات در حین نزدیک شدن به یکدیگر به دلیل عمل دافعه الکتریکی خم می شود.

تصور تصویری از پراکندگی الکترون روی الکترون دشوار نیست. در ابتدا، الکترون ها با فاصله زیادی از هم جدا می شوند و تأثیر کمی بر یکدیگر دارند. هر الکترون تقریباً به صورت مستقیم حرکت می کند (شکل 11). سپس، با وارد شدن نیروهای دافعه، مسیرهای الکترون شروع به خم شدن می کنند تا زمانی که ذرات تا حد ممکن نزدیک شوند. پس از این، مسیرها از هم جدا می‌شوند و الکترون‌ها از هم دور می‌شوند و دوباره شروع به حرکت در امتداد مسیرهای مستقیم، اما در حال حاضر واگرا می‌کنند. مدلی از این نوع را می توان به راحتی در آزمایشگاه با استفاده از توپ های باردار الکتریکی به جای الکترون ها نشان داد. و دوباره این سؤال مطرح می شود: چگونه یک ذره "می داند" ذره دیگر کجاست و بر این اساس حرکت خود را تغییر می دهد.

اگرچه تصویر مسیرهای منحنی الکترون کاملاً بصری است، اما از برخی جهات کاملاً نامناسب است. واقعیت این است که الکترون ها ذرات کوانتومی هستند و رفتار آنها از قوانین خاص فیزیک کوانتومی پیروی می کند. اول از همه، الکترون ها در فضا در طول مسیرهای کاملاً مشخص حرکت نمی کنند. ما هنوز هم می‌توانیم به هر طریقی نقاط شروع و پایان مسیر را - قبل و بعد از پراکندگی - تعیین کنیم، اما خود مسیر در فاصله بین شروع و پایان حرکت ناشناخته و نامشخص است. علاوه بر این، ایده شهودی مبادله مداوم انرژی و تکانه بین الکترون و میدان، گویی که الکترون را شتاب می دهد، با وجود فوتون ها در تضاد است. انرژی و تکانه قابل انتقال است رشتهفقط در بخش ها یا کوانتا. با این فرض که الکترون که فوتونی را از میدان جذب می کند، به نظر می رسد فشار ناگهانی را تجربه می کند، تصویر دقیق تری از اختلال ایجاد شده توسط میدان در حرکت الکترون به دست خواهیم آورد. بنابراین، در سطح کوانتومیعمل پراکندگی الکترون روی الکترون را می توان همانطور که در شکل نشان داده شده است نشان داد. 12. خط موجی که مسیرهای دو الکترون را به هم متصل می کند مربوط به فوتونی است که توسط یک الکترون ساطع شده و توسط دیگری جذب می شود. اکنون عمل پراکندگی به صورت تغییر ناگهانی در جهت حرکت هر الکترون ظاهر می شود

شکل 12. توصیف کوانتومی پراکندگی ذرات باردار برهمکنش ذرات به دلیل تبادل یک حامل برهمکنش یا فوتون مجازی (خط موجی) است.

نمودارهایی از این نوع برای اولین بار توسط ریچارد فاینمن برای نمایش بصری اصطلاحات مختلف یک معادله استفاده شد و در ابتدا معنایی کاملاً نمادین داشتند. اما سپس نمودارهای فاینمن برای نشان دادن نموداری برهمکنش های ذرات مورد استفاده قرار گرفتند. به نظر می رسد چنین تصاویری مکمل شهود فیزیکدان هستند، اما باید با احتیاط خاصی تفسیر شوند. به عنوان مثال، هرگز یک شکست شدید در مسیر الکترون وجود ندارد. از آنجایی که ما فقط موقعیت اولیه و نهایی الکترون ها را می دانیم، دقیقاً نمی دانیم که فوتون چه زمانی مبادله می شود و کدام ذره ساطع می کند و کدام فوتون را جذب می کند. همه این جزئیات توسط پرده ای از عدم قطعیت کوانتومی پنهان شده اند.

علیرغم این اخطار، نمودارهای فاینمن ثابت کرده اند که ابزاری موثر برای توصیف برهمکنش های کوانتومی هستند. فوتون مبادله شده بین الکترون ها را می توان نوعی پیام رسان از سوی یکی از الکترون ها در نظر گرفت که به دیگری می گوید: "من اینجا هستم، پس حرکت کن!" البته، همه فرآیندهای کوانتومی ماهیت احتمالی دارند، بنابراین چنین تبادلی تنها با یک احتمال خاص رخ می دهد. ممکن است اتفاق بیفتد که الکترون ها دو یا چند فوتون را مبادله کنند (شکل 13)، اگرچه احتمال کمتری وجود دارد.

درک این نکته مهم است که در واقعیت ما فوتون هایی را که از یک الکترون به الکترون دیگر می چرخند نمی بینیم. حامل های برهمکنش «ماده داخلی» دو الکترون هستند. آنها صرفاً برای اطلاع دادن به الکترون ها وجود دارند که چگونه حرکت کنند، و اگرچه حامل انرژی و تکانه هستند، قوانین بقای متناظر فیزیک کلاسیک در مورد آنها صدق نمی کند. فوتون ها را در این مورد می توان به توپی تشبیه کرد که بازیکنان تنیس در زمین رد و بدل می کنند. همانطور که توپ تنیس رفتار بازیکنان تنیس را در زمین بازی تعیین می کند، فوتون نیز بر رفتار الکترون ها تأثیر می گذارد.

توصیف موفقیت آمیز تعامل با استفاده از یک ذره حامل با بسط مفهوم فوتون همراه بود: معلوم می شود که فوتون نه تنها یک ذره نور قابل مشاهده برای ما است، بلکه یک ذره شبح مانند است که فقط با باردار "دیده می شود" ذرات در حال پراکندگی گاهی اوقات فوتون هایی که مشاهده می کنیم نامیده می شوند واقعی،و فوتون های حامل برهم کنش هستند مجازی،که ما را به یاد وجود زودگذر و تقریباً شبح مانند آنها می اندازد. تمایز بین فوتون های واقعی و مجازی تا حدودی دلخواه است، اما با این وجود این مفاهیم گسترده شده اند.

توصیف برهمکنش الکترومغناطیسی با استفاده از مفهوم فوتون های مجازی - حامل های آن - از نظر اهمیت فراتر از تصاویر صرفاً یک ماهیت کوانتومی است. در واقع، ما در مورد نظریه ای صحبت می کنیم که با کوچکترین جزئیات اندیشیده شده و مجهز به یک دستگاه ریاضی کامل است، معروف به الکترودینامیک کوانتومی،به اختصار QED نامیده می شود. زمانی که QED برای اولین بار فرموله شد (این اتفاق اندکی پس از جنگ جهانی دوم رخ داد)، فیزیکدانان نظریه ای را در اختیار داشتند که اصول اولیه هر دو را برآورده می کرد. نظریه کوانتومو نظریه نسبیت. این یک فرصت فوق العاده برای دیدن جلوه های ترکیبی دو جنبه مهم فیزیک جدید و. آنها را به صورت تجربی بررسی کنید.

از نظر تئوری، ایجاد QED یک دستاورد برجسته بود. مطالعات قبلی در مورد برهمکنش فوتون ها و الکترون ها به دلیل مشکلات ریاضی موفقیت بسیار محدودی داشتند. اما به محض اینکه نظریه پردازان یاد گرفتند که محاسبات را به درستی انجام دهند، همه چیز در جای خود قرار گرفت. QED روشی را برای به دست آوردن نتایج هر فرآیندی که شامل فوتون ها و الکترون ها باشد، پیشنهاد کرد.

شکل 13. پراکندگی الکترون در اثر تبادل دو فوتون مجازی ایجاد می شود. چنین فرآیندهایی اصلاحیه کوچکی برای فرآیند اصلی نشان داده شده در شکل 1 است. یازده

فیزیکدانان برای آزمایش میزان تطابق این نظریه با واقعیت، روی دو اثر که از اهمیت خاصی برخوردار بودند، تمرکز کردند. اولین مورد مربوط به سطوح انرژی اتم هیدروژن، ساده ترین اتم بود. QED پیش‌بینی کرد که اگر فوتون‌های مجازی وجود نداشته باشند، سطوح باید کمی از موقعیتی که اشغال می‌کنند تغییر کند. این تئوری بزرگی این جابجایی را بسیار دقیق پیش بینی کرد. آزمایش تشخیص و اندازه گیری جابجایی با دقت بسیار بالا توسط ویلیس لمب از دانشگاه ایالتی انجام شد. آریزونا برای خوشحالی همه، نتایج محاسبات کاملاً با داده های تجربی مطابقت داشت.

دومین آزمایش قاطع QED مربوط به اصلاح بسیار کوچک گشتاور مغناطیسی خود الکترون بود. و باز هم نتایج محاسبات نظری و آزمایش کاملاً منطبق شد. نظریه پردازان شروع به اصلاح محاسبات خود کردند و آزمایشگران شروع به بهبود ابزارهای خود کردند. اما، اگرچه دقت پیش بینی های نظری و نتایج تجربی به طور مداوم بهبود یافته است، توافق بین QED و آزمایش بی عیب و نقص باقی مانده است. امروزه، نتایج تئوری و تجربی هنوز در محدوده دقت به دست آمده، که به معنای توافق بیش از نه رقم اعشار است، همخوانی دارند. چنین مکاتبات قابل توجهی این حق را می دهد که QED را پیشرفته ترین تئوری های موجود علم طبیعی بدانیم.

نیازی به گفتن نیست که پس از چنین پیروزی، QED به عنوان مدلی برای توصیف کوانتومی سه برهمکنش اساسی دیگر به کار گرفته شد. البته، میدان های مرتبط با سایر فعل و انفعالات باید با ذرات حامل دیگر مطابقت داشته باشند. برای توصیف جاذبه معرفی شد گراویتون،همان نقش یک فوتون را بازی می کند. در طول برهمکنش گرانشی دو ذره، گراویتون ها بین آنها رد و بدل می شود. این تعامل را می توان با استفاده از نمودارهایی مشابه آنچه در شکل نشان داده شده است، مشاهده کرد. 12 و 13. گراویتون‌ها هستند که سیگنال‌هایی را از ماه به اقیانوس‌ها می‌برند و به دنبال آن در هنگام جزر و مد بالا می‌آیند و در هنگام جزر و مد سقوط می‌کنند. گراویتون هایی که بین زمین و خورشید می چرخند سیاره ما را در مدار نگه می دارند. گراویتون ها ما را محکم به زمین زنجیر می کنند.

گراویتون‌ها مانند فوتون‌ها با سرعت نور حرکت می‌کنند، از این رو گراویتون‌ها ذراتی با جرم سکون صفر هستند. اما اینجاست که شباهت های گراویتون ها و فوتون ها به پایان می رسد. در حالی که یک فوتون دارای اسپین 1 است، یک گراویتون دارای اسپین 2 است.

جدول 4

ذراتی که دارای چهار برهمکنش اساسی هستند. جرم بر حسب واحد جرم پروتون بیان می شود.

این یک تفاوت مهم است زیرا جهت نیرو را تعیین می کند: در برهمکنش الکترومغناطیسی، ذرات باردار مشابه، مانند الکترون ها، دفع می شوند، در حالی که در برهمکنش گرانشی، همه ذرات به یکدیگر جذب می شوند.

گراویتون ها می توانند واقعی یا مجازی باشند. یک گراویتون واقعی چیزی بیش از یک کوانتوم نیست موج گرانشیهمانطور که یک فوتون واقعی کوانتومی از یک موج الکترومغناطیسی است. در اصل، گراویتون های واقعی را می توان "مشاهده" کرد. اما از آنجایی که برهمکنش گرانشی فوق‌العاده ضعیف است، گراویتون‌ها را نمی‌توان مستقیماً تشخیص داد. برهمکنش گراویتون ها با دیگر ذرات کوانتومی آنقدر ضعیف است که احتمال پراکندگی یا جذب گراویتون، مثلاً توسط یک پروتون، بی نهایت کم است.

ایده اصلی مبادله ذرات حامل برای سایر فعل و انفعالات (جدول 4) - ضعیف و قوی نیز صدق می کند. با این حال، تفاوت های مهمی در جزئیات وجود دارد. به یاد بیاوریم که برهمکنش قوی ارتباط بین کوارک ها را فراهم می کند. چنین ارتباطی می تواند توسط یک میدان نیرویی شبیه به یک میدان الکترومغناطیسی، اما پیچیده تر ایجاد شود. نیروهای الکتریکی منجر به تشکیل یک حالت محدود از دو ذره با بارهایی با علائم مخالف می شود. در مورد کوارک ها، حالت های محدود سه ذره ایجاد می شود که نشان دهنده ماهیت پیچیده تر میدان نیرو است که سه نوع "بار" با آن مطابقت دارد. ذرات - حامل های تعامل بین کوارک ها، که آنها را به صورت جفت یا سه تایی به هم متصل می کنند، نامیده می شوند. گلوئون ها

در مورد تعامل ضعیف وضعیت تا حدودی متفاوت است. شعاع این تعامل بسیار کوچک است. بنابراین، ناقل برهمکنش ضعیف باید ذرات با جرم سکون بزرگ باشند. انرژی موجود در چنین جرمی باید مطابق با اصل عدم قطعیت هایزنبرگ «قرض» شود، که قبلاً در صفحه مورد بحث قرار گرفته است. 50. اما از آنجایی که جرم "قرض شده" (و بنابراین انرژی) بسیار زیاد است، اصل عدم قطعیت ایجاب می کند که دوره بازپرداخت چنین وامی بسیار کوتاه باشد - فقط حدود 10^-28 ثانیه. چنین ذرات کوتاه مدت زمان زیادی برای حرکت به دور ندارند و شعاع برهمکنش آنها بسیار کوچک است.

در واقع دو نوع ناقل نیروی ضعیف وجود دارد. یکی از آنها در همه چیز شبیه فوتون است به جز جرم سکون. این ذرات را ذرات Z می نامند. ذرات Z در اصل نوع جدیدی از نور هستند. نوع دیگری از حامل نیروی ضعیف، ذرات W، با حضور بار الکتریکی با ذرات Z متفاوت است. در فصل 7 ما با جزئیات بیشتری در مورد خواص ذرات Z و W که فقط در سال 1983 کشف شدند صحبت خواهیم کرد.

طبقه‌بندی ذرات به کوارک‌ها، لپتون‌ها و حامل‌های برهم‌کنش، فهرست ذرات زیراتمی شناخته‌شده را کامل می‌کند. هر یک از این ذرات نقش خاص خود، اما تعیین کننده را در شکل گیری جهان ایفا می کنند. اگر ذرات حامل وجود نداشت، هیچ فعل و انفعالی وجود نداشت و هر ذره در مورد شرکای خود در تاریکی باقی می ماند. سیستم های پیچیده نمی توانند بوجود بیایند، هر فعالیتی غیرممکن خواهد بود. بدون کوارک ها هیچ هسته اتمی یا نور خورشید وجود نخواهد داشت. بدون لپتون ها، اتم ها نمی توانستند وجود داشته باشند، ساختارهای شیمیایی و خود حیات به وجود نمی آمدند.

اهداف فیزیک ذرات چیست؟

روزنامه بانفوذ بریتانیایی گاردین یک بار سرمقاله ای منتشر کرد که در آن حکمت توسعه فیزیک ذرات را زیر سوال می برد، کاری گران قیمت که نه تنها سهم قابل توجهی از بودجه علمی ملی را مصرف می کند، بلکه سهم بزرگی را نیز مصرف می کند. بهترین ذهن ها. گاردین پرسید: "آیا فیزیکدان ها می دانند دارند چه کار می کنند؟"

چند ماه پس از این انتشار، من این فرصت را داشتم که در سخنرانی جورج کیورث، مشاور رئیس جمهور ایالات متحده در علم در بالتیمور شرکت کنم. کی‌ورث همچنین به فیزیک ذرات پرداخت، اما سخنرانی او لحنی کاملاً متفاوت داشت. فیزیکدانان آمریکایی تحت تأثیر گزارش اخیر سرن، آزمایشگاه فیزیک ذرات پیشرو اروپا، در مورد کشف ذرات بنیادی W و Z قرار گرفتند که در نهایت در برخورد دهنده پرتوی بزرگ پروتون-ضد پروتون به دست آمدند. آمریکایی ها به این واقعیت عادت کرده اند که تمام اکتشافات هیجان انگیز در آزمایشگاه های فیزیک پر انرژی آنها انجام می شود. آیا این که نخل را از دست دادند نشانه انحطاط علمی و حتی ملی نیست؟

کی ورث شک نداشت که برای شکوفایی ایالات متحده به طور کلی و اقتصاد آمریکا به طور خاص، این کشور باید در خط مقدم تحقیقات علمی قرار گیرد. پروژه های اصلی تحقیقات پایهکیورث گفت، در خط مقدم پیشرفت هستند. ایالات متحده باید برتری خود را در فیزیک ذرات بازیابد،

در همان هفته، کانال‌های خبری گزارش‌هایی درباره یک پروژه آمریکایی برای یک شتاب‌دهنده غول‌پیکر منتشر کردند که برای انجام نسل جدیدی از آزمایش‌ها در فیزیک ذرات طراحی شده بود. هزینه اصلی 2 میلیارد دلار تخمین زده شد که این شتاب دهنده را به گران ترین ماشین ساخته شده توسط بشر تبدیل کرد. این غول عمو سام که حتی شتاب‌دهنده LEP جدید سرن را نیز کوتوله می‌کند، آنقدر بزرگ است که کل ایالت لوکزامبورگ می‌تواند درون حلقه‌اش جای بگیرد! آهنرباهای ابررسانای غول‌پیکر برای ایجاد میدان‌های مغناطیسی شدید طراحی شده‌اند که پرتوی از ذرات را پیچانده و آن را در امتداد یک محفظه حلقه‌ای شکل هدایت می‌کند. این سازه آنقدر بزرگ است که قرار است شتاب دهنده جدید در بیابان واقع شود. می خواهم بدانم نظر سردبیر روزنامه گاردین در این مورد چیست؟

به عنوان برخورد دهنده ابر رسانا (SSC) شناخته می شود، اما اغلب به عنوان "de-zertron" (از انگلیسی. کویر -کویر. - ویرایش)،این ماشین هیولایی قادر خواهد بود پروتون ها را به انرژی هایی تقریباً 20 هزار برابر بیشتر از بقیه انرژی (جرم) شتاب دهد. این اعداد را می توان به روش های مختلفی تفسیر کرد. در حداکثر شتاب، ذرات با سرعتی تنها 1 کیلومتر در ساعت کمتر از سرعت نور - حداکثر سرعت در کیهان - حرکت خواهند کرد. اثرات نسبیتی آنقدر زیاد است که جرم هر ذره 20 هزار برابر بیشتر از حالت سکون است. در سیستم مرتبط با چنین ذره ای، زمان به حدی کشیده می شود که 1 ثانیه با 5.5 ساعت در چارچوب مرجع ما مطابقت دارد. به نظر می رسد که هر کیلومتر از محفظه ای که ذرات از آن عبور می کند، تنها به 5.0 سانتی متر فشرده می شود.

چه نوع نیاز شدیدی دولت ها را وادار می کند که چنین منابع عظیمی را صرف شکافت هرچه بیشتر مخرب اتم کنند؟ آیا چنین تحقیقاتی سود عملی دارد؟

هر علم بزرگی البته با روحیه مبارزه برای اولویت ملی بیگانه نیست. در اینجا، درست مانند هنر یا ورزش، کسب جوایز و شناخت جهانی خوب است. فیزیک ذرات به نوعی نماد قدرت دولتی تبدیل شده است. اگر با موفقیت توسعه یابد و نتایج ملموسی به همراه داشته باشد، این نشان می‌دهد که علم، فناوری و همچنین اقتصاد کشور در کل در سطح مناسبی قرار دارند. این امر از اعتماد به کیفیت بالای محصولات سایر شاخه های فناوری عمومی تر پشتیبانی می کند. برای ایجاد یک شتاب دهنده و تمام تجهیزات مربوطه، بسیار سطح بالاحرفه ای گری. تجربه ارزشمند به دست آمده از توسعه فناوری های جدید می تواند اثرات غیرمنتظره و سودمندی بر سایر حوزه های تحقیقات علمی داشته باشد. به عنوان مثال، تحقیق و توسعه بر روی آهنرباهای ابررسانا مورد نیاز برای "desertron" به مدت بیست سال در ایالات متحده انجام شده است. با این حال، آنها مزایای مستقیمی را ارائه نمی دهند و بنابراین ارزش گذاری آنها دشوار است. آیا نتایج ملموس تری وجود دارد؟

شخص گاهی استدلال دیگری در حمایت از تحقیقات بنیادی می شنود. فیزیک تقریباً پنجاه سال جلوتر از فناوری است. کاربرد عملی یکی یا دیگری کشف علمیاگرچه در ابتدا واضح نیست، اما تعداد کمی از دستاوردهای مهم فیزیک بنیادی در طول زمان کاربرد عملی پیدا نکرده اند. بیایید نظریه الکترومغناطیس ماکسول را به یاد بیاوریم: آیا خالق آن می توانست ایجاد و موفقیت مخابرات و الکترونیک مدرن را پیش بینی کند؟ و سخنان رادرفورد که بعید است انرژی هسته ای هرگز پیدا شود استفاده عملی? آیا می توان پیش بینی کرد که توسعه فیزیک ذرات بنیادی می تواند به چه چیزی منجر شود، چه نیروهای جدید و اصول جدیدی کشف خواهد شد که درک ما را از جهان اطرافمان گسترش می دهد و به ما قدرت را بر طیف وسیع تری از مردم می بخشد؟ پدیده های فیزیکی. و این می تواند منجر به توسعه فناوری هایی شود که ماهیت انقلابی آن کمتر از انرژی رادیویی یا هسته ای نیست.

بیشتر شاخه های علم سرانجام کاربرد نظامی پیدا کردند. از این نظر، فیزیک ذرات (در مقابل فیزیک هسته ای) تاکنون دست نخورده باقی مانده است. به طور تصادفی، سخنرانی کی ورث با هیاهوی تبلیغاتی پیرامون پروژه جنجالی پرزیدنت ریگان برای ایجاد یک سلاح ضد موشکی، به اصطلاح پرتو، همزمان شد (این پروژه بخشی از برنامه ای به نام ابتکار دفاع استراتژیک، SDI است). ماهیت این پروژه استفاده از پرتوهای ذرات پرانرژی در برابر موشک های دشمن است. این کاربرد فیزیک ذرات واقعاً شوم است.

نظر غالب این است که ایجاد چنین وسایلی امکان پذیر نیست. اکثر دانشمندانی که در زمینه فیزیک ذرات بنیادی کار می کنند این ایده ها را پوچ و غیرطبیعی می دانند و به شدت علیه پیشنهاد رئیس جمهور صحبت می کنند. کی ورث با محکوم کردن دانشمندان، از آنها خواست تا "نقشی را که ممکن است در پروژه سلاح پرتو ایفا کنند" در نظر بگیرند. درخواست کی‌ورث برای فیزیکدانان (البته کاملاً تصادفی) به دنبال سخنان او در مورد تأمین مالی فیزیک با انرژی بالا بود.

اعتقاد راسخ من این است که فیزیکدانان پرانرژی نیازی به توجیه نیاز به تحقیقات بنیادی با استناد به کاربردها (به ویژه موارد نظامی)، مشابه های تاریخی، یا وعده های مبهم از معجزات فنی احتمالی ندارند. فیزیکدانان این مطالعات را در درجه اول به نام میل غیرقابل نابودی خود برای یافتن چگونگی کارکرد جهان ما، میل به درک بیشتر طبیعت انجام می دهند. فیزیک ذرات در بین رشته های دیگر بی نظیر است فعالیت انسانی. برای دو هزار و نیم سال، بشریت به دنبال یافتن "بلوک های سازنده" اصلی جهان است، و اکنون ما به هدف نهایی. تاسیسات غول پیکر به ما کمک می کند تا به قلب ماده نفوذ کنیم و عمیق ترین اسرار آن را از طبیعت دور کنیم. بشریت می تواند انتظار کاربردهای غیرمنتظره اکتشافات جدید، فناوری های ناشناخته قبلی را داشته باشد، اما ممکن است معلوم شود که فیزیک با انرژی بالا چیزی برای تمرین نمی دهد. اما حتی یک کلیسای جامع یا سالن کنسرت با شکوه کاربرد عملی کمی دارد. در این زمینه، نمی توان سخنان فارادی را به یاد آورد که یک بار گفت: "نوزاد به دنیا آمده چه فایده ای دارد؟" انواع فعالیت های انسانی دور از عمل، که شامل فیزیک ذرات بنیادی می شود، به عنوان شاهدی بر تجلی روح انسان عمل می کند، که بدون آن ما در دنیای بیش از حد مادی و عمل گرایانه خود محکوم به فنا خواهیم بود.

تاسیساتی که در آن ذرات پرانرژی با هم برخورد می کنند - شتاب دهنده های ذرات - از نظر اندازه و هزینه قابل توجه هستند. عرض آنها به چندین کیلومتر می رسد و باعث می شود حتی آزمایشگاه هایی که برخورد ذرات را مطالعه می کنند در مقایسه کوچک به نظر برسند. در سایر زمینه های تحقیقات علمی، تجهیزات در آزمایشگاه قرار دارند؛ در فیزیک پرانرژی، آزمایشگاه ها به یک شتاب دهنده متصل می شوند. اخیراً مرکز تحقیقات هسته ای اروپا (سرن)، واقع در نزدیکی ژنو، چند صد میلیون دلار برای ساخت یک شتاب دهنده حلقه ای اختصاص داده است. محیط تونلی که برای این منظور ساخته می شود به 27 کیلومتر می رسد. این شتاب‌دهنده که LEP (حلقه الکترون-پوزیترون بزرگ) نام دارد، برای شتاب دادن به الکترون‌ها و پادذرات آن‌ها (پوزیترون‌ها) تا سرعت‌هایی طراحی شده است که فقط «به وسعت یک مو» با سرعت نور متفاوت است. برای دریافت ایده ای از مقیاس انرژی، تصور کنید که به جای الکترون ها، یک سکه پنی به چنین سرعت هایی شتاب می گیرد. در پایان چرخه شتاب، انرژی کافی برای تولید 1000 میلیون دلار برق خواهد داشت! تعجب آور نیست که چنین آزمایش هایی معمولاً به عنوان فیزیک "پر انرژی" طبقه بندی می شوند. با حرکت به سمت یکدیگر در داخل حلقه، پرتوهای الکترون‌ها و پوزیترون‌ها برخوردهای رودررو را تجربه می‌کنند که در آن الکترون‌ها و پوزیترون‌ها از بین می‌روند و انرژی کافی برای تولید ده‌ها ذره دیگر آزاد می‌کنند.

این ذرات چیست؟ برخی از آنها همان «بلوک‌های سازنده» هستند که ما از آنها ساخته شده‌ایم: پروتون‌ها و نوترون‌هایی که هسته‌های اتم را می‌سازند، و الکترون‌هایی که به دور هسته‌ها می‌چرخند. ذرات دیگر معمولاً در مواد اطراف ما یافت نمی شوند: طول عمر آنها بسیار کوتاه است و پس از انقضای آن به ذرات معمولی متلاشی می شوند. تعداد انواع چنین ذرات کوتاه مدت ناپایدار شگفت انگیز است: چند صد مورد از آنها قبلاً شناخته شده است. مانند ستارگان، ذرات ناپایدار آنقدر زیاد هستند که با نام قابل شناسایی نیستند. بسیاری از آنها فقط با حروف یونانی نشان داده می شوند و برخی به سادگی اعداد هستند.

حدود بیست سال پیش، فیزیکدانان از تعداد و تنوع ذرات زیراتمی جدید کاملاً گیج شده بودند، که به نظر می رسید پایانی نداشت. قابل درک نبود برای چیاینقدر ذرات شاید ذرات بنیادی مانند ساکنان یک باغ وحش باشند، با وابستگی ضمنی خانوادگی خود، اما بدون هیچ گونه طبقه بندی مشخص. یا شاید همانطور که برخی خوش بینان معتقد بودند، ذرات بنیادی کلید جهان را در دست دارند؟ ذرات مشاهده شده توسط فیزیکدانان کدامند: قطعات ناچیز و تصادفی ماده یا خطوط کلی نظم مبهم که در مقابل چشمان ما ظاهر می شود و نشان دهنده وجود ساختاری غنی و پیچیده از دنیای زیرهسته ای است؟ اکنون در وجود چنین ساختاری شکی نیست. نظم عمیق و عقلانی در جهان خرد وجود دارد و ما شروع به درک معنای همه این ذرات می کنیم.

در فصل 2 ویژگی دیگری از ذرات را معرفی کردیم - اسپین. همچنین همیشه مقادیری را می گیرد که مضربی از یک واحد اساسی هستند که به دلایل تاریخی 1 انتخاب می شود /2. بنابراین، یک پروتون، نوترون و الکترون دارای اسپین هستند 1/2, و اسپین فوتون 1 است. ذرات با اسپین 0، 3/2 و 2 نیز شناخته شده اند. ذرات بنیادی با اسپین بزرگتر از 2 کشف نشده اند و نظریه پردازان بر این باورند که ذراتی با چنین اسپین هایی وجود ندارند.

اسپین یک ذره یک مشخصه مهم است و بسته به مقدار آن، همه ذرات به دو دسته تقسیم می شوند. ذرات با اسپین های 0، 1 و 2 "بوزون" نامیده می شوند - به نام فیزیکدان هندی Chatyendranath Bose، و ذرات با اسپین نیمه صحیح (یعنی با اسپین 1/2 یا 3/2). - "فرمیون ها" به افتخار انریکو فرمی. تعلق به یکی از این دو کلاس احتمالاً مهمترین در فهرست ویژگی های یک ذره است.

یکی دیگر از ویژگی های مهم یک ذره طول عمر آن است. تا همین اواخر، اعتقاد بر این بود که الکترون ها، پروتون ها، فوتون ها و نوترینوها کاملاً پایدار هستند، یعنی. عمری بی نهایت طولانی دارند یک نوترون در حالی که در هسته "قفل شده" است پایدار می ماند، اما یک نوترون آزاد در حدود 15 دقیقه تجزیه می شود. تمام ذرات شناخته شده دیگر بسیار ناپایدار هستند و طول عمر آنها از چند میکروثانیه تا 10 تا 23 ثانیه است. چنین فواصل زمانی غیرقابل درک به نظر می رسد. کوچک است، اما نباید فراموش کنیم که ذره ای که با سرعتی نزدیک به سرعت نور پرواز می کند (و بیشتر ذرات متولد شده در شتاب دهنده ها دقیقاً با چنین سرعتی حرکت می کنند) می تواند در یک میکروثانیه مسافت 300 متر را طی کند.

برای فیزیکدانان کافی نیست که بدانند این یا آن ذره وجود دارد، آنها تلاش می کنند تا بفهمند نقش آن چیست. پاسخ به این سوال به خواص ذرات ذکر شده در بالا و همچنین به ماهیت نیروهای وارد بر ذره از خارج و داخل آن بستگی دارد. اول از همه، خواص یک ذره با توانایی (یا ناتوانی) آن برای شرکت در برهمکنش های قوی تعیین می شود. ذرات شرکت کننده در فعل و انفعالات قوی کلاس خاصی را تشکیل می دهند و نامیده می شوند آندرون هاذراتی که در برهمکنش های ضعیف شرکت می کنند و در برهمکنش های قوی شرکت نمی کنند نامیده می شوند لپتون ها،که به معنی "ریه" است. بیایید نگاهی کوتاه به هر یک از این خانواده ها بیندازیم.

شکافتن هسته اتم های عناصر مختلف در حال حاضر به طور گسترده مورد استفاده قرار می گیرد. همه نیروگاه های هسته ای بر اساس واکنش شکافت کار می کنند؛ اصل کار همه چیز بر اساس این واکنش است. سلاح های هسته ای. در مورد یک واکنش کنترل شده یا زنجیره ای، اتم که به قطعات تقسیم شده است، دیگر نمی تواند به عقب بپیوندد و به حالت اولیه خود بازگردد. اما با استفاده از اصول و قوانین مکانیک کوانتومی، دانشمندان موفق شدند اتم را به دو نیمه تقسیم کرده و دوباره به هم متصل کنند بدون اینکه یکپارچگی خود اتم نقض شود.

دانشمندان دانشگاه بن از اصل عدم قطعیت کوانتومی استفاده کردند که به اجسام اجازه می دهد در چندین حالت همزمان وجود داشته باشند. در این آزمایش، دانشمندان با کمک برخی از ترفندهای فیزیکی، یک اتم را مجبور کردند که در دو مکان به طور همزمان وجود داشته باشد، فاصله بین آنها کمی بیشتر از یک صدم میلی متر بود که در مقیاس اتمی به سادگی فاصله بسیار زیادی است. .

چنین اثرات کوانتومی فقط در دماهای بسیار پایین می توانند ظاهر شوند. یک اتم سزیم با استفاده از نور لیزر تا دمای یک دهم یک میلیونیم درجه بالاتر خنک شد. صفر مطلق. سپس اتم سرد شده توسط یک پرتو نور از یک لیزر دیگر به دام افتاد.

مشخص است که هسته یک اتم می تواند در یکی از دو جهت بچرخد؛ بسته به جهت چرخش، نور لیزر هسته را به سمت راست یا چپ فشار می دهد. اما یک اتم، در یک حالت کوانتومی معین، می‌تواند «شخصیت دوپاره» داشته باشد، نیمی از آن در یک جهت می‌چرخد، دیگری در جهت مخالف. اما، در عین حال، اتم هنوز یک جسم کامل است آندریاس استفن، فیزیکدان می گوید. بنابراین، هسته یک اتم که اجزای آن به داخل می چرخند جهت های مخالف، می تواند توسط پرتو لیزر به دو قسمت تقسیم شود و این قسمت های اتم را می توان در فاصله قابل توجهی از هم جدا کرد، چیزی که دانشمندان در طول آزمایش خود به آن دست یافتند.

دانشمندان ادعا می کنند که با استفاده از روشی مشابه، می توان به اصطلاح "پل های کوانتومی" ایجاد کرد که رسانای اطلاعات کوانتومی هستند. یک اتم یک ماده به دو نیم تقسیم می شود که تا زمانی که با اتم های مجاور تماس پیدا کند از هم جدا می شوند. چیزی شبیه سطح جاده شکل می گیرد، دهانه ای که دو ستون یک پل را به هم وصل می کند و در طول آن اطلاعات می تواند منتقل شود. این ممکن است به دلیل این واقعیت است که یک اتم به این ترتیب تقسیم شده است، به دلیل اینکه اجزای اتم در سطح کوانتومی در هم پیچیده هستند، همچنان یک کل واحد در سطح کوانتومی باقی می ماند.

دانشمندان دانشگاه بن قصد دارند از چنین فناوری برای شبیه سازی و ایجاد سیستم های کوانتومی پیچیده استفاده کنند. دکتر آندریا آلبرتی، رهبر تیم می‌گوید: «برای ما، اتم مانند یک دنده روغن‌کاری شده است. با استفاده از بسیاری از این چرخ‌دنده‌ها، می‌توانید یک دستگاه محاسباتی کوانتومی با ویژگی‌های بسیار فراتر از پیشرفته‌ترین رایانه‌ها ایجاد کنید.

در سال 1939آلبرت انیشتیناز رئیس جمهور روزولت درخواست کرد تا تمام تلاش خود را برای تسلط بر انرژی فروپاشی اتمی قبل از نازی ها انجام دهد. در آن زمان، او از ایتالیای فاشیستی مهاجرت کرده بودانریکو فرمیقبلاً در دانشگاه کلمبیا روی این مشکل کار می کرد.

(در اتاق شتاب دهنده آزمایشگاه فیزیک ذرات اروپا (سرن)، بزرگترین مرکز در نوع خود در اروپا. به طور متناقض، ساختارهای غول پیکر برای مطالعه کوچکترین ذرات مورد نیاز است.)

معرفی

در سال 1854 یک آلمانی هاینریش گیسلر. (79-1814) یک لوله شیشه ای خلاء با الکترودها به نام لوله هوسلر و یک پمپ جیوه اختراع کرد که به دست آوردن خلاء بالا امکان پذیر شد. با اتصال یک سیم پیچ القایی ولتاژ بالا به الکترودهای لوله، درخششی سبز رنگ روی شیشه مقابل الکترود منفی دریافت کرد. در سال 1876، یک فیزیکدان آلمانی اوگنی گلدشتاین(1850-1931) پیشنهاد کرد که این درخشش توسط پرتوهای ساطع شده از کاتد ایجاد می شود و این پرتوها را پرتوهای کاتدی نامیدند.

(فیزیکدان نیوزلندی ارنست رادرفورد (1871-1937) در آزمایشگاه کاوندیش در دانشگاه کمبریج، که در سال 1919 ریاست آن را بر عهده داشت.)

الکترون ها

دانشمند انگلیسی ویلیام کروکس(1832-1919) لوله هوسلر را بهبود بخشید و امکان انحراف پرتوهای کاتدی توسط میدان مغناطیسی را نشان داد. در سال 1897، یکی دیگر از محققین انگلیسی، جوزف تامسون، پیشنهاد کرد که پرتوها ذرات بار منفی هستند و جرم آنها را تعیین کرد، که معلوم شد حدود 2000 برابر کمتر از جرم یک اتم هیدروژن است. او این ذرات را الکترون نامید و نامی را که چندین سال پیش از آن توسط یک فیزیکدان ایرلندی پیشنهاد شده بود، انتخاب کرد جورج استونی(1826-1911)، که به طور نظری مقدار بار آنها را محاسبه کردند. اینگونه بود که تقسیم پذیری اتم آشکار شد. تامسون مدلی را پیشنهاد کرد که در آن الکترون ها در سراسر اتم پراکنده می شوند، مانند کشمش در یک کیک کوچک. و به زودی سایر ذرات موجود در اتم کشف شدند. در سال 1895 در آزمایشگاه کاوندیش شروع به کار کرد ارنست رادرفورد(1937-1871) که همراه با تامسون تحقیق در مورد رادیواکتیویته اورانیوم را آغاز کردند و دو نوع ذره ساطع شده از اتم های این عنصر را کشف کردند. او ذرات با بار و جرم یک الکترون را ذرات بتا و سایر ذرات دارای بار مثبت با جرمی برابر با جرم 4 اتم هیدروژن را ذرات آلفا نامید. علاوه بر این، اتم های اورانیوم منبع تابش الکترومغناطیسی با فرکانس بالا - پرتوهای گاما بودند.

(اتو هان و لیز مایتنر در سال 1945، گان بودتوسط متفقین در انگلستان بازداشت شد و تنها در آنجا متوجه شد که جایزه نوبل شیمی در سال 1944 را "به خاطر کشف شکافت هسته های سنگین" دریافت کرده است.)

پروتون ها

در سال 1886، گلدشتاین تشعشع دیگری را کشف کرد که در جهت مخالف پرتوهای کاتدی منتشر می شد و آن را پرتوهای کاتدی نامید. بعداً ثابت شد که آنها از یون های اتمی تشکیل شده اند. رادرفورد پیشنهاد کرد که یون هیدروژن مثبت را pro نامیده شودلحن (از یونانیپروتون- اول)، زیرا او هسته هیدروژن را بخشی جدایی ناپذیر از هسته اتمی همه عناصر دیگر می دانست. بنابراین، در آغاز قرن بیستم. وجود سه ذره زیر اتمی ثابت شد: الکترون، پروتون و ذره آلفا. که در1907 آقای رادرفورد استاد دانشگاه منچستر شد. او در اینجا، در تلاش برای کشف ساختار اتم، آزمایش های معروف خود را در مورد پراکندگی ذرات آلفا انجام داد. با مطالعه عبور این ذرات از یک ورقه فلزی نازک، او به این نتیجه رسید که در مرکز اتم یک هسته کوچک متراکم وجود دارد که قادر به بازتاب ذرات آلفا است. دستیار رادرفورد در آن زمان یک فیزیکدان جوان دانمارکی بود.نیلز بور(1885-1962), که در1913 g. مطابق با نظریه کوانتومی اخیراً ایجاد شده، مدلی از ساختار اتم ارائه کرد که به ناممدل رادرفورد-بور. در آن، الکترون ها مانند سیارات به دور خورشید به دور هسته می چرخیدند.

( انریکو فرمی (54-1901) جایزه نوبل را در سال 1938 برای کارش در مورد تابش نوترونی ماده دریافت کرد. در سال 1942، او برای اولین بار یک واکنش زنجیره ای خودپایدار از فروپاشی هسته های اتم را انجام داد.)

مدل های اتمی

در این مدل اول، هسته شامل پروتون های با بار مثبت و تعدادی الکترون بود که تا حدی بار خود را خنثی کردند. علاوه بر این، الکترون های اضافی در اطراف هسته حرکت کردند که بار کل آنها برابر با بار مثبت هسته بود.ذرات آلفامانند هسته اتم های هلیوم، باید از4 پروتون ها و2 الکترون هابیشتر از10 سالها قبل از بازنگری این مدل که در1930 آقای آلمانی والتر بوته(1891-1957) کشف نوع جدیدی از تشعشعات رادیواکتیو را اعلام کرد که هنگام تابش بریلیم با ذرات آلفا تولید می شود. انگلیسیجیمز چادویک(1891-1974) این آزمایش ها را تکرار کرد و به این نتیجه رسید که این تشعشع از ذرات برابر با جرم پروتون، اما بدون بار الکتریکی تشکیل شده است. آنها را نوترون می نامیدند. بعد آلمانیورنر هایزنبرگ(1901-76) مدلی از اتمی ارائه کرد که هسته آن فقط از پروتون و نوترون تشکیل شده است.گروهی از محققان با یکی از اولین شتاب دهنده های ذرات زیر اتمی -سیکلوترون(1932). این دستگاه برای شتاب دادن به ذرات و سپس بمباران اهداف ویژه با آنها طراحی شده است.

(گروهی از محققان با یکی از اولین شتاب دهنده های ذرات زیر اتمی - سیکلوترون (1932). این دستگاه برای شتاب بخشیدن به ذرات و سپس بمباران اهداف ویژه با آنها طراحی شده است.)

شکافتن اتم

فیزیکدانان در سراسر جهان بلافاصله در نوترون ها ابزاری ایده آل برای تأثیرگذاری بر اتم ها دیدند - این ذرات سنگین و بدون بار به راحتی به هسته اتم نفوذ کردند. که در1934-36 ایتالیا انریکو فرمی(1901-54) کمک آنها را دریافت کرد37 ایزوتوپ های رادیواکتیو عناصر مختلف با جذب یک نوترون، هسته اتم ناپایدار شد و انرژی را به شکل پرتوهای گاما ساطع کرد. فرمی به امید اورانیوم با نوترون تابش کردقبلآن را به عنصر جدیدی تبدیل کنید - "اورانیوم". در همان جهت کار در برلین، اتو هان آلمانی(1879-1 اسو یک اتریشیلیز مایتنر(1878 - 1968). که در1938 خانم مایتنر با فرار از دست نازی ها به استکهلم رفت و به همکاری خود ادامه دادفردریش استراسمن(1902-80). به زودی هان و مایتنر با ادامه آزمایش و مقایسه نتایج با مکاتبه، تشکیل باریم رادیواکتیو در اورانیوم تابش شده با نوترون را کشف کردند. مایتنر پیشنهاد کرد که من یک اتم اورانیوم (عدد اتمی) هستم92) نژادبه دو هسته تقسیم می شود: باریم (عدد اتمی عنصر با عدد43 بعدها نامگذاری شدتکنسیوم). بدین ترتیب امکان شکافتن هسته اتم کشف شد. همچنین مشخص شد که وقتی هسته اتم اورانیوم از بین می رود،2-3 نوترون ها که هرکدام به نوبه خود قادر به آغاز فروپاشی اتم های اورانیوم هستند و با آزاد شدن مقدار زیادی انرژی باعث واکنش زنجیره ای می شوند.

تاسیساتی که در آن ذرات پرانرژی با هم برخورد می کنند - شتاب دهنده های ذرات - از نظر اندازه و هزینه قابل توجه هستند. عرض آنها به چندین کیلومتر می رسد و باعث می شود حتی آزمایشگاه هایی که برخورد ذرات را مطالعه می کنند در مقایسه کوچک به نظر برسند. در سایر زمینه های تحقیقات علمی، تجهیزات در آزمایشگاه قرار دارند؛ در فیزیک پرانرژی، آزمایشگاه ها به یک شتاب دهنده متصل می شوند. اخیراً مرکز تحقیقات هسته ای اروپا (سرن)، واقع در نزدیکی ژنو، چند صد میلیون دلار برای ساخت یک شتاب دهنده حلقه ای اختصاص داده است. محیط تونلی که برای این منظور ساخته می شود به 27 کیلومتر می رسد. این شتاب‌دهنده که LEP (حلقه الکترون-پوزیترون بزرگ) نام دارد، برای شتاب دادن به الکترون‌ها و پادذرات آن‌ها (پوزیترون‌ها) تا سرعت‌هایی طراحی شده است که فقط «به وسعت یک مو» با سرعت نور متفاوت است. برای دریافت ایده ای از مقیاس انرژی، تصور کنید که به جای الکترون ها، یک سکه پنی به چنین سرعت هایی شتاب می گیرد. در پایان چرخه شتاب، انرژی کافی برای تولید 1000 میلیون دلار برق خواهد داشت! تعجب آور نیست که چنین آزمایش هایی معمولاً به عنوان فیزیک "پر انرژی" طبقه بندی می شوند. با حرکت به سمت یکدیگر در داخل حلقه، پرتوهای الکترون‌ها و پوزیترون‌ها برخوردهای رودررو را تجربه می‌کنند که در آن الکترون‌ها و پوزیترون‌ها از بین می‌روند و انرژی کافی برای تولید ده‌ها ذره دیگر آزاد می‌کنند.

این ذرات چیست؟ برخی از آنها همان «بلوک‌های سازنده» هستند که ما از آنها ساخته شده‌ایم: پروتون‌ها و نوترون‌هایی که هسته‌های اتم را می‌سازند، و الکترون‌هایی که به دور هسته‌ها می‌چرخند. ذرات دیگر معمولاً در مواد اطراف ما یافت نمی شوند: طول عمر آنها بسیار کوتاه است و پس از انقضای آن به ذرات معمولی متلاشی می شوند. تعداد انواع چنین ذرات کوتاه مدت ناپایدار شگفت انگیز است: چند صد مورد از آنها قبلاً شناخته شده است. مانند ستارگان، ذرات ناپایدار آنقدر زیاد هستند که با نام قابل شناسایی نیستند. بسیاری از آنها فقط با حروف یونانی نشان داده می شوند و برخی به سادگی اعداد هستند.

مهم است که در نظر داشته باشید که همه این ذرات ناپایدار متعدد و متنوع به معنای واقعی کلمه اجزای پروتون، نوترون یا الکترون نیستند. هنگام برخورد، الکترون‌ها و پوزیترون‌های پرانرژی در بسیاری از قطعات زیراتمی پراکنده نمی‌شوند. حتی در برخورد پروتون‌های پرانرژی، که آشکارا از اجسام دیگر (کوارک‌ها) تشکیل شده‌اند، آنها معمولاً به اجزای سازنده خود به معنای معمول تقسیم نمی‌شوند. آنچه در چنین برخوردهایی اتفاق می افتد بهتر است به عنوان ایجاد مستقیم ذرات جدید از انرژی برخورد تلقی شود.

حدود بیست سال پیش، فیزیکدانان از تعداد و تنوع ذرات زیراتمی جدید کاملاً گیج شده بودند، که به نظر می رسید پایانی نداشت. درک اینکه چرا این همه ذرات وجود دارد غیرممکن بود. شاید ذرات بنیادی مانند ساکنان یک باغ وحش باشند، با وابستگی ضمنی خانوادگی خود، اما بدون هیچ گونه طبقه بندی مشخص. یا شاید همانطور که برخی خوش بینان معتقد بودند، ذرات بنیادی کلید جهان را در دست دارند؟ ذرات مشاهده شده توسط فیزیکدانان کدامند: قطعات ناچیز و تصادفی ماده یا خطوط کلی نظم مبهم که در مقابل چشمان ما ظاهر می شود و نشان دهنده وجود ساختاری غنی و پیچیده از دنیای زیرهسته ای است؟ اکنون در وجود چنین ساختاری شکی نیست. نظم عمیق و عقلانی در جهان خرد وجود دارد و ما شروع به درک معنای همه این ذرات می کنیم.