Атомын бөмбөгийн элэнц өвөө. Ураны цөмийн задрал

6. Субатомын бөөмсийн ертөнц

Атомыг хуваах

Том шинжлэх ухаан, жижиг шинжлэх ухаан гэсэн хоёр төрлийн шинжлэх ухаан байдаг гэж ихэвчлэн ярьдаг. Атомыг хуваах нь маш том шинжлэх ухаан юм. Энэ нь асар том туршилтын байгууламжтай, асар их төсөвтэй бөгөөд Нобелийн шагналын арслангийн хувийг хүртдэг.

Яагаад физикчид атомыг хуваах шаардлагатай болсон бэ? Энгийн хариулт - атом хэрхэн ажилладагийг ойлгох нь үнэний зөвхөн нэг хэсгийг агуулдаг боловч илүү ерөнхий шалтгаан бий. Атом хуваагдах тухай шууд утгаар ярих нь тийм ч зөв биш юм. Бодит байдал дээр бид өндөр энергитэй бөөмсүүдийн мөргөлдөх тухай ярьж байна. Өндөр хурдтай хөдөлж буй субатомын бөөмс мөргөлдөх үед харилцан үйлчлэл, талбайн шинэ ертөнц үүсдэг. Асар их энерги агуулсан материйн хэлтэрхийнүүд мөргөлдөөний дараа тархаж, атомын гүнд оршуулсан "ертөнцийг бүтээх" байгалийн нууцыг нуун дарагдуулдаг.

Өндөр энергитэй тоосонцор мөргөлддөг суурилуулалтууд - бөөмийн хурдасгуурууд нь хэмжээ, өртөгөөрөө гайхалтай юм. Тэд хэдэн километрийн зайд хүрч, бөөмийн мөргөлдөөнийг судалдаг лабораториудтай харьцуулахад өчүүхэн мэт санагддаг. Бусад бүс нутагт Шинжлэх ухааны судалгаатоног төхөөрөмж нь лабораторид байрладаг бөгөөд өндөр энергийн физикийн хувьд лабораториуд хурдасгуурт холбогдсон байдаг. Саяхан Женевийн ойролцоо байрладаг Европын Цөмийн Судалгааны Төв (CERN) цагираган хурдасгуур барихад хэдэн зуун сая доллар хуваарилжээ. Энэ зорилгоор барьж буй хонгилын тойрог 27 км хүрдэг. LEP (Large Electron-Positron ring) гэж нэрлэгддэг хурдасгуур нь электронууд болон тэдгээрийн эсрэг бөөмсийг (позитрон) гэрлийн хурдаас хэдхэн үсний зайд хурдасгах зориулалттай. Эрчим хүчний цар хүрээний талаар ойлголттой болохын тулд электронуудын оронд пенни зоос ийм хурдтай хурдасч байна гэж төсөөлөөд үз дээ. Хурдатгалын мөчлөгийн төгсгөлд 1,000 сая долларын цахилгаан үйлдвэрлэх хангалттай эрчим хүч байх болно! Ийм туршилтыг ихэвчлэн "өндөр энерги" физик гэж ангилдаг нь гайхах зүйл биш юм. Бөгжний дотор бие бие рүүгээ хөдөлж, электрон ба позитроны цацрагууд хоорондоо мөргөлддөг бөгөөд электронууд болон позитронууд устаж, өөр хэдэн арван бөөмс үүсгэхэд хангалттай энерги ялгаруулдаг.

Эдгээр тоосонцор юу вэ? Тэдгээрийн зарим нь атомын цөмийг бүрдүүлдэг протон ба нейтрон, цөмийн эргэн тойронд эргэлддэг электронууд болох бидний бүтээсэн "барилгын материал" юм. Бусад тоосонцор бидний эргэн тойронд байгаа бодисоос ихэвчлэн олддоггүй: тэдний ашиглалтын хугацаа маш богино бөгөөд хугацаа нь дууссаны дараа тэд энгийн бөөмс болж задардаг. Ийм тогтворгүй богино хугацааны тоосонцоруудын сортуудын тоо гайхалтай юм: тэдгээрийн хэдэн зуун нь аль хэдийн мэдэгддэг. Оддын нэгэн адил тогтворгүй тоосонцор хэтэрхий олон байдаг тул нэрээр нь ялгах боломжгүй. Тэдний олонх нь зөвхөн Грек үсгээр, зарим нь зөвхөн тоогоор тэмдэглэгдсэн байдаг.

Эдгээр олон тооны, олон янзын тогтворгүй тоосонцор нь шууд утгаараа биш гэдгийг санах нь чухал юм. бүрэлдэхүүн хэсгүүдпротон, нейтрон эсвэл электрон. Мөргөлдөх үед өндөр энергитэй электронууд болон позитронууд олон субатомын хэлтэрхийд тараагддаггүй. Бусад объектуудаас (кваркуудаас) бүрдэх өндөр энергитэй протонуудын мөргөлдөөнд ч тэдгээр нь дүрмээр бол ердийн утгаараа бүрэлдэхүүн хэсгүүдэд хуваагддаггүй. Ийм мөргөлдөөнд юу тохиолдох нь мөргөлдөөний энергиээс шинэ бөөмсийг шууд бий болгох гэж үзэх нь дээр.

Хориод жилийн өмнө физикчдийг төгсгөлгүй мэт санагдах шинэ субатомын бөөмсийн тоо, төрөл зүйл бүрмөсөн гайхшруулж байв. Үүнийг ойлгох боломжгүй байсан Юуны төлөөмаш олон тоосонцор. байж магадгүй, энгийн бөөмсТэд гэр бүлийн далд харьяаллаар амьтны хүрээлэнгийн оршин суугчидтай төстэй боловч тодорхой ангилал зүйгүй байдаг. Эсвэл зарим өөдрөг үзэлтнүүдийн үзэж байгаагаар энгийн тоосонцор орчлон ертөнцийн түлхүүрийг атгадаг болов уу? Физикчдийн ажиглаж буй бөөмсүүд юу вэ: материйн өчүүхэн, санамсаргүй хэлтэрхийнүүд эсвэл бидний нүдний өмнө гарч ирж буй бүдэг бадаг дэг журмын тоймууд нь дэд цөмийн ертөнцийн баялаг, нарийн төвөгтэй бүтэцтэй болохыг харуулж байна уу? Одоо ийм бүтэц бий гэдэгт эргэлзэх зүйл алга. Бичил ертөнцөд гүн гүнзгий бөгөөд оновчтой дэг журам байдаг бөгөөд бид эдгээр бүх бөөмсийн утгыг ойлгож эхэлдэг.

18-р зууны нэгэн адил мэдэгдэж буй бүх бөөмсийг системчилсэний үр дүнд бичил ертөнцийг ойлгох анхны алхамыг хийсэн. биологичид ургамал, амьтны зүйлийн нарийвчилсан каталогийг эмхэтгэсэн. Субатомын бөөмсийн хамгийн чухал шинж чанарууд нь масс, цахилгаан цэнэг, спин юм.

Масс ба жин нь хоорондоо холбоотой байдаг тул өндөр масстай бөөмсийг ихэвчлэн "хүнд" гэж нэрлэдэг. Эйнштейний харилцаа E =mc^ 2 нь бөөмийн масс нь түүний энерги, тиймээс хурдаас хамаардаг болохыг харуулж байна. Хөдөлгөөнт бөөмс нь хөдөлгөөнгүйгээс илүү хүнд байдаг. Тэд бөөмийн массын тухай ярихдаа үүнийг хэлдэг амрах масс,Учир нь энэ масс нь хөдөлгөөний төлөв байдлаас хамаардаггүй. Амралтгүй масс нь тэгтэй бөөмс гэрлийн хурдаар хөдөлдөг. Амралтын масс тэгтэй бөөмийн хамгийн тод жишээ бол фотон юм. Электрон бол 0-ээс ялгаатай тайван масстай хамгийн хөнгөн бөөмс гэж үздэг. Протон ба нейтрон нь бараг 2000 дахин хүнд байдаг бол лабораторид бий болсон хамгийн хүнд (Z бөөмс) электроны массаас 200,000 дахин их байдаг.

Бөөмүүдийн цахилгаан цэнэг нь маш нарийн хязгаарт хэлбэлздэг боловч бидний тэмдэглэснээр энэ нь үргэлж цэнэгийн үндсэн нэгжийн үржвэр юм. Фотон, нейтрино зэрэг зарим бөөмс нь цахилгаан цэнэггүй байдаг. Хэрэв эерэг цэнэгтэй протоны цэнэгийг +1 гэж үзвэл электроны цэнэг -1 болно.

ch-д. 2 Бид бөөмсийн өөр нэг шинж чанарыг танилцуулсан - ээрэх. Мөн түүхэн шалтгаанаар 1 гэж сонгосон зарим үндсэн нэгжийн үржвэрийн утгыг үргэлж авдаг. /2. Тиймээс протон, нейтрон, электронууд нь спинтэй байдаг 1/2, ба фотоны эргэлт нь 1. Спин 0, 3/2, 2-той бөөмсийг бас мэддэг. Үндсэн хэсгүүд 2-оос их ээрэх нь олдоогүй бөгөөд онолчид ийм спинтэй бөөмс байхгүй гэж үздэг.

Бөөмийн эргэлт - чухал шинж чанар, мөн түүний хэмжээнээс хамааран бүх бөөмсийг хоёр ангилалд хуваадаг. Спин 0, 1, 2-той бөөмсийг Энэтхэгийн физикч Чатиендранат Босегийн нэрээр "бозонууд" гэж нэрлэдэг ба хагас бүхэл тоотой хэсгүүдийг (жишээ нь 1/2 эсвэл 3/2 спинтэй) - Энрико Фермигийн хүндэтгэлд зориулсан "фермионууд". Эдгээр хоёр ангийн аль нэгэнд хамаарах нь бөөмийн шинж чанарын жагсаалтад хамгийн чухал нь байж магадгүй юм.

Бөөмийн өөр нэг чухал шинж чанар бол түүний амьдрах хугацаа юм. Саяхныг хүртэл электрон, протон, фотон, нейтрино нь туйлын тогтвортой байдаг гэж үздэг байсан. хязгааргүй урт наслах. Нейтрон нь цөмд "түгжигдсэн" үед тогтвортой хэвээр байх боловч чөлөөт нейтрон 15 минутын дотор задардаг. Бусад бүх мэдэгдэж буй бөөмс нь маш тогтворгүй бөгөөд тэдний амьдрах хугацаа хэдхэн микросекундээс 10-23 секундын хооронд хэлбэлздэг. Ийм цаг хугацааны интервал нь ойлгомжгүй жижиг мэт боловч гэрлийн хурдтай ойролцоо хурдтай нисч буй бөөмс (ба хурдасгуурт төрсөн ихэнх бөөмс яг ийм хурдтайгаар хөдөлдөг) микросекундэд 300 м зайд нисч чаддаг гэдгийг мартаж болохгүй.

Тогтворгүй тоосонцор нь задралд ордог бөгөөд энэ нь квант процесс бөгөөд иймээс задралд урьдчилан таамаглах боломжгүй элемент үргэлж байдаг. Тодорхой бөөмийн ашиглалтын хугацааг урьдчилан таамаглах боломжгүй. Статистикийн үндэслэлд үндэслэн зөвхөн дундаж наслалтыг урьдчилан таамаглах боломжтой. Ихэвчлэн тэд бөөмийн хагас задралын тухай ярьдаг - ижил хэсгүүдийн популяци хоёр дахин багасдаг цаг. Туршилтаас харахад популяцийн хэмжээ буурах нь экспоненциал байдлаар (6-р зургийг үз) бөгөөд хагас задралын хугацаа нь амьдралын дундаж хугацааны 0.693 байна.

Физикчид энэ эсвэл тэр бөөмс байдаг гэдгийг мэдэх нь хангалтгүй - тэд түүний үүрэг юу болохыг ойлгохыг хичээдэг. Энэ асуултын хариулт нь дээр дурдсан бөөмсийн шинж чанар, түүнчлэн бөөмс дээр гаднаас болон дотроос үйлчлэх хүчний шинж чанараас хамаарна. Юуны өмнө бөөмийн шинж чанар нь түүний хүчтэй харилцан үйлчлэлд оролцох чадвараар (эсвэл чадваргүй) тодорхойлогддог. Хүчтэй харилцан үйлчлэлд оролцдог бөөмсийг тусгай анги бүрдүүлдэг бөгөөд тэдгээрийг дууддаг андронс.Сул харилцан үйлчлэлд оролцдог ба хүчтэй харилцан үйлчлэлд оролцдоггүй бөөмсийг нэрлэдэг лептонууд,Энэ нь "уушиг" гэсэн утгатай. Эдгээр гэр бүл тус бүрийг товчхон авч үзье.

Лептонууд

Лептонуудаас хамгийн алдартай нь электрон юм. Бүх лептонуудын нэгэн адил энэ нь энгийн, цэгтэй төстэй объект юм. Мэдэгдэж байгаагаар электрон нь дотоод бүтэцгүй, өөрөөр хэлбэл. бусад хэсгүүдээс бүрддэггүй. Хэдийгээр лептонууд цахилгаан цэнэгтэй ч байж болох ч үгүй ч бүгд ижил эргэлттэй байдаг 1/2, тиймээс тэдгээрийг фермион гэж ангилдаг.

Өөр нэг алдартай, гэхдээ цэнэггүй лептон бол нейтрино юм. Бүлэгт аль хэдийн дурдсанчлан. 2, нейтрино нь сүнс шиг баригдашгүй юм. Нейтрино нь хүчтэй эсвэл цахилгаан соронзон харилцан үйлчлэлд оролцдоггүй тул бодисыг бараг бүрмөсөн үл тоомсорлож, тэнд огт байхгүй юм шиг нэвтэрдэг. Удаан хугацааны туршид нейтриногийн өндөр нэвтрэх чадвар нь тэдний оршин тогтнохыг туршилтаар батлахад маш хэцүү байсан. Нейтрино нь лабораторид эцэст нь нээгдсэн гэж таамаглаж байснаас хойш бараг гучин жилийн дараа л болсон. Физикчид цөмийн реакторуудыг бий болгохыг хүлээх хэрэгтэй болсон бөгөөд энэ үеэр асар олон тооны нейтрино ялгардаг бөгөөд зөвхөн дараа нь тэд нэг бөөмийн цөмтэй шууд мөргөлдсөнийг бүртгэж, улмаар энэ нь үнэхээр байдаг гэдгийг баталж чадсан юм. Өнөөдөр хурдасгуур дахь бөөмсийн задралаас үүссэн, шаардлагатай шинж чанартай нейтрино цацрагтай илүү олон туршилт хийх боломжтой. Нейтриногийн дийлэнх нь зорилтот байг үл тоомсорлодог боловч үе үе нейтрино нь байтай харьцдаг хэвээр байгаа нь үүнийг олж авах боломжтой болгодог. хэрэгтэй мэдээлэлбусад бөөмсийн бүтэц, сул харилцан үйлчлэлийн мөн чанарын тухай. Мэдээжийн хэрэг, нейтринотой туршилт хийх нь бусад субатомын тоосонцортой хийсэн туршилтаас ялгаатай нь тусгай хамгаалалт ашиглах шаардлагагүй юм. Нейтриногийн нэвтрэн орох хүч нь маш их бөгөөд тэдгээр нь бүрэн гэм хоргүй бөгөөд хүний биед өчүүхэн ч хор хөнөөл учруулахгүйгээр дамжин өнгөрдөг.

Хэдийгээр биет бус ч гэсэн нейтрино нь бусад мэдэгдэж буй бөөмсүүдийн дунд онцгой байр суурь эзэлдэг, учир нь тэдгээр нь электрон болон протонуудаас тэрбум нэгээр илүү байдаг тул орчлон ертөнцийн хамгийн элбэг бөөмс юм. Орчлон ертөнц нь үндсэндээ нейтриногийн далай бөгөөд заримдаа атом хэлбэрээр оршдог. Нейтриногийн нийт масс нь оддын нийт массаас давсан байх магадлалтай тул сансрын таталцалд гол хувь нэмэр оруулдаг нейтрино юм. ЗХУ-ын хэсэг судлаачдын үзэж байгаагаар нейтрино нь өчүүхэн, гэхдээ тэг биш, тайван масстай (электроны массын арван мянганы нэгээс бага); Хэрэв энэ үнэн бол таталцлын нейтрино нь орчлон ертөнцөд ноёрхдог бөгөөд энэ нь ирээдүйд түүний сүйрэлд хүргэж болзошгүй юм. Тиймээс, эхлээд харахад хамгийн "хор хөнөөлгүй", биет бус бөөмс болох нейтрино нь бүх ертөнцийг сүйрүүлэх чадвартай.

Бусад лептонуудын дунд 1936 онд сансрын цацрагийн харилцан үйлчлэлийн бүтээгдэхүүнээс олдсон мюоныг дурдах хэрэгтэй; Энэ нь тогтворгүй субатомын анхны тоосонцоруудын нэг болж хувирсан. Тогтвортой байдлаас бусад бүх талаараа мюон нь электронтой төстэй: ижил цэнэг, эргэлттэй, ижил харилцан үйлчлэлд оролцдог боловч илүү том масстай. Секундын хоёр саяны нэг орчимд мюон нь электрон болон хоёр нейтрино болж задардаг. Мюон нь байгальд өргөн тархсан бөгөөд дэлхийн гадаргуу дээр Гейгерийн тоолуураар илрүүлдэг сансрын арын цацрагийн ихээхэн хэсгийг бүрдүүлдэг.

Олон жилийн турш электрон ба мюон нь зөвхөн мэдэгдэж байсан цэнэгтэй лептонууд хэвээр байв. Дараа нь 1970-аад оны сүүлээр гурав дахь цэнэглэгдсэн лептоныг нээсэн бөгөөд үүнийг тау лептон гэж нэрлэдэг. 3500 орчим электрон масстай, тау лептон нь цэнэгтэй лептонуудын гурвалын "хүнд жин" нь ойлгомжтой боловч бусад бүх талаараа электрон ба мюон шиг ажилладаг.

Мэдэгдэж буй лептонуудын энэ жагсаалт дуусаагүй байна. 60-аад онд хэд хэдэн төрлийн нейтрино байдгийг олж мэдсэн. Нэг төрлийн нейтрино нь нейтроны задралын үед электронтой хамт, мюон үүсэх үед өөр төрлийн нейтрино үүсдэг. Нейтриногийн төрөл бүр өөрийн цэнэглэгдсэн лептонтой хос хосоороо оршдог; тиймээс "электрон нейтрино" ба "мюон нейтрино" байдаг. Тау лептоныг төрөх үед гурав дахь төрлийн нейтрино байх магадлалтай. Энэ тохиолдолд нийт тооГурван төрлийн нейтрино байдаг бөгөөд нийт лептоны тоо зургаан байна (Хүснэгт 1). Мэдээжийн хэрэг, лептон бүр өөрийн эсрэг бөөмстэй байдаг; Тиймээс янз бүрийн лептонуудын нийт тоо арван хоёр байна.

Хүснэгт 1

Зургаан лептон нь цэнэглэгдсэн ба төвийг сахисан өөрчлөлттэй тохирч байна (эсрэг бөөмсийг хүснэгтэд оруулаагүй болно). Масс ба цэнэгийг электрон масс ба цэнэгийн нэгжээр тус тус илэрхийлнэ. Нейтрино нь бага масстай байж магадгүй гэсэн нотолгоо байдаг

Адронууд

Мэдэгдэж байгаа цөөн тооны лептонуудаас ялгаатай нь хэдэн зуун адрон байдаг. Зөвхөн энэ нь адронууд нь энгийн бөөмс биш, харин жижиг бүрэлдэхүүн хэсгүүдээс бүтээгдсэн болохыг харуулж байна. Бүх адронууд хүчтэй, сул ба таталцлын харилцан үйлчлэлд оролцдог боловч цахилгаан цэнэгтэй, төвийг сахисан гэсэн хоёр төрөлд байдаг. Адронуудын дотроос хамгийн алдартай бөгөөд өргөн тархсан нь нейтрон ба протон юм. Үлдсэн адронууд нь богино настай бөгөөд харилцан үйлчлэлийн сул байдлаас болж секундын саяны нэг хүрэхгүй хугацаанд, эсвэл хүчтэй харилцан үйлчлэлийн улмаас илүү хурдан (10-23 секундын дараа) ялзардаг.

1950-иад онд физикчид адронуудын тоо, олон янз байдлын талаар маш их гайхдаг байв. Гэвч бөөмсийг бага багаар масс, цэнэг, ээрэх гэсэн гурван чухал шинж чанараар ангилсан. Аажмаар эмх цэгцтэй байдлын шинж тэмдэг илэрч, тодорхой дүр зураг гарч эхлэв. Мэдээллийн илэрхий эмх замбараагүй байдлын цаана тэгш хэм нуугдаж байгаа гэсэн санаанууд байдаг. 1963 онд Калифорнийн Технологийн Хүрээлэнгийн Мюррей Гелл-Манн, Жорж Цвейг нар кваркуудын онолыг санал болгосноор адронуудын нууцыг тайлах шийдвэрлэх алхам болжээ.

Зураг 10 Адронуудыг кваркуудаас бүтээдэг. Протон (дээд хэсэг) нь хоёр кварк ба нэг д кваркаас бүрдэнэ. Хөнгөн пион (доод) нь нэг u-кварк ба нэг д-антикваркаас бүрдэх мезон юм. Бусад адронууд нь бүх төрлийн кваркуудын нэгдэл юм.

Энэ онолын гол санаа нь маш энгийн. Бүх адронууд илүү олон зүйлээс бүтээгдсэн нарийн ширхэгтэй тоосонцор, кварк гэж нэрлэдэг. Кваркууд бие биетэйгээ гурвалсан эсвэл кварк-антикварк хос гэсэн хоёр аргын аль нэгээр холбогдож болно. Харьцангуй хүнд хэсгүүд нь гурван кваркаас тогтдог. барионууд,Энэ нь "хүнд хэсгүүд" гэсэн утгатай. Хамгийн сайн мэддэг барионууд нь нейтрон ба протон юм. Хөнгөн кварк-антикварк хосууд нь бөөмсийг үүсгэдэг мезон -"завсрын хэсгүүд". Энэ нэрийг сонгосон нь анхны нээсэн мезонууд электрон ба протоны хоорондох массын завсрын байрлалыг эзэлдэгтэй холбон тайлбарлаж байна. Тухайн үед мэдэгдэж байсан бүх адронуудыг харгалзан үзэхийн тулд Гелл-Манн, Цвейг нар гурван өөр төрлийн кваркуудыг (амтыг) нэвтрүүлсэн бөгөөд тэдгээр нь нэлээд гоёмсог нэртэй болсон: Тэгээд(аас дээш-дээд), г(аас доош -доод) болон s (-аас хачин- хачин). Төрөл бүрийн амтыг хослуулах боломжийг олгосноор олон тооны адрон байдаг гэдгийг тайлбарлаж болно. Жишээлбэл, протон нь хоёроос бүрдэнэ Тэгээд-ба нэг d-кварк (Зураг 10), нейтрон нь хоёр д-кварк ба нэг у-кваркаас тогтдог.

Гелл-Манн, Цвейг нарын дэвшүүлсэн онол үр дүнтэй байхын тулд кваркууд нь бутархай цахилгаан цэнэгтэй гэж үзэх шаардлагатай. Өөрөөр хэлбэл, тэдгээр нь үндсэн нэгж болох электроны цэнэгийн 1/3 эсвэл 2/3 нь цэнэгтэй байдаг. Хоёр ба гурван кваркийн хослол нь тэг эсвэл нэг цэнэгтэй байж болно. Бүх кваркууд 1/2 спинтэй байдаг. тиймээс тэдгээрийг фермион гэж ангилдаг. Адрон дахь тэдгээрийн холболтын энерги нь кваркуудын масстай харьцуулах боломжтой тул кваркуудын массыг бусад бөөмсийн масстай адил нарийн тодорхойлдоггүй. Гэсэн хэдий ч s-кварк илүү хүнд байдаг нь мэдэгдэж байна Тэгээд-ба d-кваркууд.

Адрон дотор кваркууд нь атомын өдөөгдсөн төлөвтэй адил өдөөгдсөн төлөвт байж болох ч илүү өндөр энергитэй байдаг. Өдөөгдсөн адронд агуулагдах илүүдэл энерги нь түүний массыг маш ихээр нэмэгдүүлдэг тул кваркийн онолыг бий болгохоос өмнө физикчид өдөөгдсөн адроныг огт өөр бөөмс гэж андуурч байжээ. Өөр өөр мэт санагдах адронуудын ихэнх нь яг үнэндээ ижил үндсэн кваркуудын өдөөгдсөн төлөвүүд болох нь одоо тогтоогдсон.

Бүлэгт аль хэдийн дурдсанчлан. 5, кваркууд нь хүчтэй харилцан үйлчлэлийн үр дүнд хамтдаа байдаг. Гэхдээ тэд бас сул харилцаанд оролцдог. Сул харилцан үйлчлэл нь кваркийн амтыг өөрчилж болно. Ингэж нейтроны задрал үүсдэг. Нейтрон дахь d-кваркуудын нэг нь u-кварк болж хувирах ба илүүдэл цэнэг нь нэгэн зэрэг төрсөн электроныг зөөдөг. Үүний нэгэн адил амтыг өөрчилснөөр сул харилцан үйлчлэл нь бусад адронуудын задралд хүргэдэг.

С-кваркууд байх нь 50-иад оны эхээр нээгдсэн "хачирхалтай" тоосонцор буюу хүнд адронуудыг бүтээхэд зайлшгүй шаардлагатай юм. Тэдний нэрийг санал болгосон эдгээр бөөмсийн ер бусын зан чанар нь тэд өөрсдөө болон тэдгээрийн задралын бүтээгдэхүүн хоёулаа адрон байсан ч хүчтэй харилцан үйлчлэлийн улмаас ялзарч чадахгүй байсан явдал байв. Физикчид эх, охин хоёр хоёулаа адроны гэр бүлд харьяалагддаг бол хүчтэй хүч нь тэднийг муудуулдаггүйн учрыг эргэлзэж байна. Зарим шалтгааны улмаас эдгээр адронууд нь хамаагүй бага эрчимтэй сул харилцан үйлчлэлийг "илүү илүүд үздэг" байв. Яагаад? Кваркийн онол уг нууцыг тайлсан. Хүчтэй харилцан үйлчлэл нь кваркуудын амтыг өөрчилж чадахгүй - зөвхөн сул харилцан үйлчлэл нь үүнийг хийж чадна. Мөн амт нь өөрчлөгдөөгүй, s-кварк болж хувирах дагалддаг Тэгээд-эсвэл d-кварк, задрал нь боломжгүй юм.

Хүснэгтэнд Зураг 2-т гурван амттай кваркуудын янз бүрийн боломжит хослолууд ба тэдгээрийн нэрсийг (ихэвчлэн Грек үсэг) үзүүлэв. Олон тооны сэтгэл хөдөлсөн төлөвийг харуулаагүй байна. Мэдэгдэж буй бүх адроныг гурван үндсэн бөөмийн янз бүрийн хослолоос гаргаж авах боломжтой байсан нь кваркийн онолын гол ялалтыг бэлэгддэг. Гэсэн хэдий ч ийм амжилтанд хүрсэн ч хэдхэн жилийн дараа кваркууд байгаагийн шууд биет нотолгоог олж авах боломжтой болсон.

Энэхүү нотлох баримтыг 1969 онд Стэнфорд (Калифорни, АНУ) - SLAC дахь том шугаман хурдасгуур дээр хийсэн хэд хэдэн түүхэн туршилтаар олж авсан. Стэнфордын туршилтчид энгийнээр тайлбарлав. Хэрэв протонд үнэхээр кваркууд байгаа бол протон доторх эдгээр хэсгүүдтэй мөргөлдөхийг ажиглаж болно. Шаардлагатай бүх зүйл бол протоны гүн рүү шууд чиглүүлж болох дэд цөмийн "пугас" юм. Энэ зорилгоор өөр адрон ашиглах нь ашиггүй, учир нь энэ нь протонтой ижил хэмжээтэй байдаг. Тохиромжтой сум нь электрон гэх мэт лептон байх болно. Электрон нь хүчтэй харилцан үйлчлэлд оролцдоггүй тул кваркуудын үүсгэсэн орчинд "гацахгүй" болно. Үүний зэрэгцээ электрон нь кварк байгаа эсэхийг мэдэрч чадна цахилгаан цэнэг.

хүснэгт 2

Кваркуудын u, d, s гэсэн гурван амт нь +2/3, -1/3 ба -1/3 цэнэгтэй тохирч байна; тэдгээр нь гурваар нийлж, хүснэгтэд үзүүлсэн найман барионыг үүсгэдэг. Кварк-антикварк хосууд мезон үүсгэдэг. (sss гэх мэт зарим хослолыг орхигдуулсан.)

Стэнфордын туршилтанд гурван километрийн хурдасгуур нь үндсэндээ протоны дотор талын зургийг гаргадаг аварга электрон "микроскоп"-ын үүрэг гүйцэтгэсэн. Ердийн электрон микроскоп нь см-ийн саяны нэгээс бага хэмжээтэй нарийн ширийн зүйлийг ялгаж чаддаг. Харин протон нь хэдэн арван сая дахин жижиг бөгөөд зөвхөн 2.1010 эВ-ын энерги хүртэл хурдасгасан электронуудаар л "шинжлэх" боломжтой. Стэнфордын туршилтын үед цөөн тооны физикчид кваркуудын хялбаршуулсан онолыг баримталдаг байв. Ихэнх эрдэмтэд электронууд протонуудын цахилгаан цэнэгийн нөлөөгөөр хазайна гэж таамаглаж байсан ч цэнэг нь протон дотор жигд тархсан гэж үздэг. Хэрэв энэ нь үнэхээр тийм байсан бол гол төлөв сул электрон сарнилт үүсэх байсан, жишээлбэл. Протоноор дамжин өнгөрөхөд электронууд хүчтэй хазайлтанд өртөхгүй. Туршилт нь тархалтын загвар нь хүлээгдэж байснаас эрс ялгаатай болохыг харуулсан. Бүх зүйл зарим электронууд жижиг цул орцууд руу нисч, тэдгээрээс хамгийн гайхалтай өнцгөөр унасан мэт болсон. Протон доторх ийм хатуу орцууд нь кварк гэдгийг одоо бид мэднэ.

1974 онд онолчдын дунд хүлээн зөвшөөрөгдсөн кваркийн онолын хялбаршуулсан хувилбарт хүчтэй цохилт өгсөн. Хэдхэн хоногийн дотор Америкийн хоёр бүлэг физикчид, нэг нь Бартон Рихтерээр удирдуулсан Стэнфордын, нөгөө нь Сэмюэл Тинг тэргүүтэй Брукхавен үндэсний лабораторид бие даан шинэ адрон нээсэн тухай зарласан бөгөөд үүнийг psi бөөмс гэж нэрлэдэг. Шинэ адроныг нээсэн нь нэг нөхцөл байдал биш бол онцгой анхаарал татахуйц зүйл биш юм: баримт нь кваркуудын онолын санал болгож буй схемд нэг шинэ бөөмсийн орон зай байхгүй байсан явдал юм. up, d, s кваркууд болон тэдгээрийн антикваркуудын бүх боломжит хослолууд аль хэдийн "хэрэглэгдсэн". psi бөөмс юунаас бүрддэг вэ?

Хэсэг хугацааны турш агаарт байсан санаа руу шилжих замаар асуудлыг шийдсэн: өмнө нь хэн ч ажиглаж байгаагүй дөрөв дэх үнэр байх ёстой. Шинэ үнэртэн нь аль хэдийн өөрийн нэртэй байсан - сэтгэл татам (увдис) эсвэл с. Пси бөөм нь с-кварк ба с-антикварк (c) -ээс бүрдсэн мезон юм гэж санал болгосон, i.e. cc. Антиккваркууд нь амтыг эсэргүүцэгч бодис байдаг тул psi бөөмийн сэтгэл татам байдлыг саармагжуулдаг тул шинэ амт (увидас) байгааг туршилтаар батлах нь увидастай кваркуудыг антикваркампуудтай хослуулсан мезоныг илрүүлэх хүртэл хүлээх шаардлагатай болсон. бусад амттан. Ид шидтэй бөөмсийн бүхэл бүтэн хэлхээ одоо мэдэгдэж байна. Тэд бүгд маш хүнд тул дур булаам кварк нь хачин кваркаас илүү хүнд болж хувирдаг.

Дээр дурдсан нөхцөл байдал 1977 онд дахин давтагдаж, upsilon meson (UPSILON) гэж нэрлэгддэг бодис үзэгдэл дээр гарч ирэв. Энэ удаад нэг их эргэлзэлгүйгээр b-кварк гэж нэрлэгддэг тав дахь амтыг танилцуулав (доороос - доороос, ихэвчлэн гоо сайхан - гоо үзэсгэлэн, эсвэл сэтгэл татам). Упсилон мезон нь б кваркуудаас тогтсон кварк-антикварк хос бөгөөд тиймээс далд гоо үзэсгэлэнг агуулсан; гэхдээ өмнөх тохиолдлын нэгэн адил кваркуудын өөр хослол нь эцсийн эцэст "гоо үзэсгэлэнг" олж мэдэх боломжийг олгосон.

Кваркуудын харьцангуй массыг ядаж хамгийн хөнгөн мезон болох пион нь хосуудаас бүрддэг гэдгээр нь дүгнэж болно. Тэгээд-ба антикваркуудтай д-кваркууд. Пси мезон нь ойролцоогоор 27 дахин, апсилон мезон нь пионоос дор хаяж 75 дахин хүнд байдаг.

Мэдэгдэж буй амтуудын жагсаалтыг аажмаар өргөжүүлэх нь лептоны тоо нэмэгдэхтэй зэрэгцэн гарсан; тиймээс хэзээ нэгэн цагт төгсгөл байх эсэх нь тодорхой асуулт байв. Бүх төрлийн адронуудын тайлбарыг хялбарчлахын тулд кваркуудыг нэвтрүүлсэн боловч одоо ч гэсэн бөөмсийн жагсаалт дахин хэт хурдан өсч байна гэсэн мэдрэмж төрж байна.

Демокритын үеэс эхлэн атомизмын үндсэн санаа нь бидний эргэн тойрон дахь бодисыг бүрдүүлдэг жинхэнэ энгийн бөөмсүүд байх ёстой гэдгийг хүлээн зөвшөөрөх явдал байв. Атомизм нь сонирхол татахуйц байдаг, учир нь хуваагдашгүй (тодорхойлолтоор) үндсэн бөөмс нь маш хязгаарлагдмал тоогоор байх ёстой. Байгалийн олон янз байдал нь түүний бүрэлдэхүүн хэсгүүдийн олон тооны бус, харин тэдгээрийн хослолуудаас үүдэлтэй юм. Олон янзын атомын цөм байдгийг олж илрүүлэхэд бидний өнөөгийн атом гэж нэрлэдэг зүйл нь эртний Грекчүүдийн материйн энгийн бөөмсийн талаархи санаатай тохирч байна гэсэн итгэл найдвар алга болжээ. Хэдийгээр уламжлал ёсоор бид янз бүрийн химийн "элементүүд" -ийн талаар ярьсаар байгаа ч атомууд нь огтхон ч энгийн зүйл биш, харин протон, нейтрон, электронуудаас бүрддэг гэдгийг мэддэг. Мөн кваркуудын тоо хэт их болж байгаа тул тэдгээрийг бас жижиг хэсгүүдээс бүрдсэн нарийн төвөгтэй систем гэж үзэх нь сонирхол татаж байна.

Энэ шалтгааны улмаас кваркийн схемд сэтгэл дундуур байгаа ч ихэнх физикчид кваркуудыг цэг хэлбэртэй, хуваагдашгүй, дотоод бүтэцгүй жинхэнэ энгийн бөөмс гэж үздэг. Энэ утгаараа тэдгээр нь пептонтой төстэй бөгөөд эдгээр хоёр ялгаатай боловч бүтцийн хувьд ижил төстэй гэр бүлийн хооронд гүн гүнзгий холбоо байх ёстой гэж эртнээс таамаглаж ирсэн. Энэ үзэл бодлын үндэс нь лептон ба кваркуудын шинж чанарын харьцуулалтаас үүдэлтэй (Хүснэгт 3). Цэнэглэгдсэн лептон бүрийг харгалзах нейтринотой холбосноор лептонуудыг хосоор нь бүлэглэж болно. Мөн кваркуудыг хосоор нь бүлэглэж болно. Хүснэгт 3 нь нүд бүрийн бүтэц нь түүний урд байрлах нэгийг давтах байдлаар хийгдсэн. Жишээлбэл, хоёр дахь нүдэнд мюоныг "хүнд электрон" хэлбэрээр, дур булаам, хачирхалтай кваркуудыг хүнд хувилбараар дүрсэлсэн байдаг. Тэгээд-ба d-кваркууд. Дараагийн хайрцгаас тау лептон нь бүр илүү хүнд "электрон" бөгөөд b кварк нь d кваркийн илүү хүнд хувилбар болохыг харж болно. Бүрэн зүйрлэхийн тулд бидэнд өөр нэг (тау-лептони) нейтрино болон кваркуудын зургаа дахь амт хэрэгтэй бөгөөд энэ нь аль хэдийн жинхэнэ нэрийг авсан. (үнэн, т).Энэ номыг бичиж байх үед дээд кваркууд байдаг гэсэн туршилтын нотолгоо хараахан хангалттай үнэмшилгүй байсан бөгөөд зарим физикчид дээд кваркууд огт байдаг гэдэгт эргэлзэж байв.

Хүснэгт 3

Лептон ба кваркууд байгалиасаа хослодог. хүснэгтэд үзүүлснээр. Бидний эргэн тойрон дахь ертөнц эхний дөрвөн бөөмсөөс бүрддэг. Гэхдээ дараах бүлгүүд дээд хэсгийг давтаж, нейтриногийн титэм дотор маш тогтворгүй хэсгүүдээс бүрддэг бололтой.

Дөрөв, тав гэх мэт байж болох уу. илүү хүнд тоосонцор агуулсан уур уу? Хэрэв тийм бол дараагийн үеийн хурдасгуурууд физикчдэд ийм бөөмсийг илрүүлэх боломжийг олгох бололтой. Гэсэн хэдий ч нэгэн сонирхолтой санааг илэрхийлсэн бөгөөд үүнээс үзэхэд нэрлэгдсэн гурваас өөр хос байхгүй байна. Энэ бодол нь нейтрино төрлийн тоон дээр суурилдаг. Орчлон ертөнц үүссэнийг тэмдэглэсэн Их тэсрэлтийн үед нейтрино эрчимтэй үүссэнийг бид удахгүй мэдэх болно. Нэг төрлийн ардчилал нь бөөмс тус бүрд бусадтай ижил хэмжээний эрчим хүчийг баталгаажуулдаг; Иймээс олон төрлийн нейтрино нь сансар огторгуйг дүүргэж буй нейтрино далайд илүү их энерги агуулагддаг. Тооцооллоос харахад нейтрино гурваас дээш сорт байсан бол тэдгээрийн үүсгэсэн таталцал нь гамшгийн байдалд хүчтэй нөлөө үзүүлэх болно. цөмийн үйл явц, Орчлон ертөнцийн амьдралын эхний хэдэн минутад тохиолддог. Иймээс эдгээр шууд бус дүгнэлтээс харахад гурван хосыг хүснэгтэд үзүүлэв гэсэн маш үндэслэлтэй дүгнэлт гарч байна. 3, байгальд байгаа бүх кварк, лептонууд шавхагдсан.

Орчлон ертөнцийн бүх энгийн бодисууд нь хамгийн хөнгөн хоёр лептон (электрон ба электрон нейтрино) ба хамгийн хөнгөн хоёр кваркаас бүрддэг нь сонирхолтой юм. ТэгээдТэгээд d).Хэрэв бусад бүх лептон, кваркууд гэнэт оршин тогтнохоо больсон бол бидний эргэн тойрон дахь ертөнцөд маш бага зүйл өөрчлөгдөх байх.

Магадгүй илүү хүнд кваркууд болон лептонууд нь хамгийн хөнгөн кварк, лептонуудын хувьд нэг төрлийн нөөцийн үүрэг гүйцэтгэдэг. Тэд бүгд тогтворгүй бөгөөд дээд эсэд байрлах хэсгүүдэд хурдан задардаг. Жишээлбэл, тау лептон ба мюон электрон болж задардаг бол хачирхалтай, дур булаам, үзэсгэлэнтэй тоосонцор нь нейтрон эсвэл протон (барионуудын хувьд) эсвэл лептон (мезонуудын хувьд) болж маш хурдан задардаг. гэсэн асуулт гарч ирнэ. Юуны төлөөЭнэ бүх хоёр, гурав дахь үеийн тоосонцор байдаг уу? Тэд байгальд яагаад хэрэгтэй байсан бэ?

Бөөм нь харилцан үйлчлэлийн тээвэрлэгч юм

Мэдэгдэж буй бөөмсүүдийн жагсаалт нь материйн барилгын материалыг бүрдүүлдэг зургаан хос лептон ба кваркаар барагдаагүй байна. Фотон гэх мэт тэдгээрийн зарим нь кваркийн хэлхээнд ороогүй болно. "Хамгийн дээгүүр үлдсэн" бөөмс нь "орчлон ертөнцийн барилгын материал" биш, харин дэлхийг задрахыг зөвшөөрдөггүй нэг төрлийн "цавуу" үүсгэдэг. Эдгээр нь дөрвөн үндсэн харилцан үйлчлэлтэй холбоотой байдаг.

Хүүхэд байхаасаа л сар өдөр бүр далайн түрлэгийн үеэр далай тэнгисийг дээшлүүлж, доошлуулдаг гэж хэлж байсныг санаж байна. Далай хэрхэн сар хаана байгааг мэдэж, тэнгэрт түүний хөдөлгөөнийг дагадаг нь надад үргэлж нууц байсаар ирсэн. Сургуульд байхдаа таталцлын талаар сурахад миний гайхшрал улам бүр нэмэгдэв. Сар дөрөвний нэг сая километр хоосон орон зайг даван туулж, далайд хэрхэн "хүрч" чадаж байна вэ? Стандарт хариулт - Сар энэ хоосон орон зайд таталцлын талбарыг бий болгож, түүний үйлдэл нь далайд хүрч, түүнийг хөдөлгөөнд оруулдаг - мэдээжийн хэрэг ямар нэгэн утга учиртай байсан ч миний сэтгэлд бүрэн нийцсэнгүй. Эцсийн эцэст бид сарны таталцлын талбайг харж чадахгүй. Магадгүй энэ нь тэдний хэлж байгаа зүйл юм болов уу? Энэ үнэхээр ямар нэг зүйлийг тайлбарлаж байна уу? Сар ямар нэгэн байдлаар далайд хаана байгааг хэлэх ёстой юм шиг надад үргэлж санагддаг байсан. Сар, далай хоёрын хооронд ямар нэгэн дохионы солилцоо байх ёстой бөгөөд ингэснээр ус хаашаа шилжихээ мэддэг.

Цаг хугацаа өнгөрөхөд дохио хэлбэрээр сансар огторгуйгаар дамждаг хүчний санаа нь энэ асуудалд орчин үеийн хандлагаас тийм ч хол биш болох нь тодорхой болов. Энэ санаа хэрхэн үүсдэгийг ойлгохын тулд бид хүчний талбайн мөн чанарыг илүү нарийвчлан авч үзэх ёстой. Жишээлбэл, далайн түрлэг биш, харин илүү энгийн үзэгдлийг сонгоё: хоёр электрон бие биедээ ойртож, дараа нь цахилгаан статик түлхэлтийн нөлөөн дор өөр өөр чиглэлд нисдэг. Физикчид энэ процессыг тараалтын асуудал гэж нэрлэдэг. Мэдээжийн хэрэг, электронууд бие биенээ шууд шахдаггүй. Тэд электрон бүрээс үүссэн цахилгаан соронзон орны тусламжтайгаар алсаас харилцан үйлчилдэг.

11-р зураг. Хоёр цэнэгтэй бөөмийн тархалт. Цахилгаан түлхэлтийн нөлөөгөөр бөөмсийн траекторууд бие биедээ ойртоход нугалж байдаг.

Электрон-он-электрон тархалтын зургийг төсөөлөхөд хэцүү биш юм. Эхлээд электронууд нь маш их зайд тусгаарлагдсан бөгөөд бие биендээ бага нөлөө үзүүлдэг. Электрон бүр бараг шулуун шугамаар хөдөлдөг (Зураг 11). Дараа нь түлхэх хүчнүүд гарч ирэхэд электрон траекторууд бөөмсийг аль болох ойртуулах хүртэл нугалж эхэлдэг; Үүний дараа траекторууд салж, электронууд хоорондоо нисч, дахин шулуун, гэхдээ аль хэдийн зөрөх зам дагуу хөдөлж эхэлдэг. Ийм загварыг лабораторид электронуудын оронд цахилгаанаар цэнэглэгдсэн бөмбөг ашиглан хялбархан харуулж болно. Дахиад асуулт гарч ирнэ: бөөмс өөр бөөмс хаана байгааг хэрхэн "мэдэж", үүний дагуу хөдөлгөөнөө өөрчилдөг вэ?

Хэдийгээр муруй электрон траекторын зураг нь нэлээд харагдахуйц боловч хэд хэдэн талаараа энэ нь огт тохиромжгүй юм. Баримт нь электронууд бол квант бөөмс бөгөөд тэдний зан байдал нь квант физикийн тусгай хуулиудад захирагддаг. Юуны өмнө электронууд орон зайд тодорхой траекторийн дагуу хөдөлдөггүй. Бид ямар нэгэн байдлаар замын эхлэл ба төгсгөлийн цэгүүдийг - тархахаас өмнө болон дараа нь тодорхойлж чадна, гэхдээ хөдөлгөөний эхлэл ба төгсгөлийн хоорондох зай өөрөө тодорхойгүй, тодорхойгүй хэвээр байна. Нэмж дурдахад электрон ба талбайн хооронд эрчим хүч, импульсийн тасралтгүй солилцоо, электроныг хурдасгах мэт зөн совингийн санаа нь фотонуудын оршин тогтнохтой зөрчилддөг. Эрчим хүч, импульсийг шилжүүлэх боломжтой талбарзөвхөн хэсэгчлэн эсвэл квантаар. Талбайгаас фотоныг шингээж авсан электрон гэнэтийн түлхэлтийг мэдэрч байна гэж үзвэл бид электроны хөдөлгөөнд талбараас үүссэн эвдрэлийн дүр зургийг илүү нарийвчлалтай олж авах болно. Тиймээс, дээр квант түвшинЭлектрон-электрон дээр тархах үйлдлийг Зураг дээр үзүүлсэн шиг дүрсэлж болно. 12. Хоёр электроны траекторийг холбосон долгионы шугам нь нэг электрон ялгаруулж нөгөө электрон шингээсэн фотонд тохирно. Одоо тараах үйлдэл нь электрон бүрийн хөдөлгөөний чиглэлийн гэнэтийн өөрчлөлт шиг харагдаж байна

12-р зураг. Цэнэглэгдсэн бөөмсийн сарнилын квант тодорхойлолт. Бөөмүүдийн харилцан үйлчлэл нь харилцан үйлчлэлийн тээвэрлэгч буюу виртуал фотон (долгион шугам) солилцсонтой холбоотой юм.

Энэ төрлийн диаграммуудыг анх Ричард Фейнман тэгшитгэлийн янз бүрийн нэр томьёог нүдээр илэрхийлэхийн тулд ашигласан бөгөөд эхэндээ тэдгээр нь зөвхөн бэлгэдлийн утгатай байв. Гэвч дараа нь Фейнманы диаграммыг бөөмийн харилцан үйлчлэлийг диаграмм хэлбэрээр дүрслэн харуулахад ашиглаж эхэлсэн. Ийм зургууд физикчийн зөн совинг нөхөж байгаа мэт боловч тодорхой хэмжээгээр болгоомжтой тайлбарлах хэрэгтэй. Жишээлбэл, электроны замд хэзээ ч огцом тасрахгүй. Бид зөвхөн электронуудын эхний болон эцсийн байрлалыг мэддэг тул фотоныг яг хэзээ сольж, аль бөөмс ялгаруулж, аль нь фотоныг шингээж байгааг мэдэхгүй. Эдгээр бүх нарийн ширийн зүйлс нь квант тодорхойгүй байдлын хөшигөөр далдлагдсан байдаг.

Энэ анхааруулгыг үл харгалзан Фейнманы диаграм нь квантын харилцан үйлчлэлийг дүрслэх үр дүнтэй хэрэгсэл болох нь батлагдсан. Электронуудын хооронд солигдсон фотоныг электронуудын нэг нь нөгөөдөө "Би энд байна, хөдөл" гэж хэлдэг нэгэн төрлийн элч гэж үзэж болно. Мэдээжийн хэрэг бүх квант процессууд магадлалын шинж чанартай байдаг тул ийм солилцоо нь зөвхөн тодорхой магадлалаар явагддаг. Электронууд хоёр ба түүнээс дээш фотон солилцдог (Зураг 13), гэхдээ энэ нь бага магадлалтай.

Бодит байдал дээр бид нэг электроноос нөгөө электрон руу гүйж буй фотонуудыг хардаггүй гэдгийг ойлгох нь чухал юм. Харилцааны тээвэрлэгч нь хоёр электроны "дотоод бодис" юм. Эдгээр нь зөвхөн электронуудад хэрхэн шилжихийг хэлэхийн тулд байдаг бөгөөд тэдгээр нь энерги, импульс тээдэг боловч сонгодог физикийн хадгалалтын хуулиуд тэдгээрт хамаарахгүй. Энэ тохиолдолд фотонуудыг теннисчид талбай дээр солилцдог бөмбөгтэй адилтгаж болно. Теннисний бөмбөг тоглоомын талбай дээрх теннисчдийн зан төлөвийг тодорхойлдог шиг фотон нь электронуудын зан төлөвт нөлөөлдөг.

Тээвэрлэгч бөөмсийг ашиглан харилцан үйлчлэлийн амжилттай дүрслэл нь фотон гэсэн ойлголтыг өргөжүүлэх замаар дагалддаг: фотон нь зөвхөн бидэнд харагдах гэрлийн бөөмс төдийгүй зөвхөн цэнэглэгдсэн үед "харагдах" сүнслэг бөөмс болж хувирдаг. тархалтанд орж буй тоосонцор. Заримдаа бидний ажиглаж буй фотонуудыг нэрлэдэг жинхэнэ,харилцан үйлчлэлийг зөөвөрлөх фотонууд байна виртуал,Энэ нь тэдний хоромхон зуурын, бараг сүнс шиг оршихуйг бидэнд сануулдаг. Бодит болон виртуал фотонуудын хоорондох ялгаа нь зарим талаараа дур зоргоороо байдаг боловч эдгээр ойлголтууд өргөн тархсан байна.

Виртуал фотонуудын тухай ойлголтыг ашиглан цахилгаан соронзон харилцан үйлчлэлийн тодорхойлолт нь түүний ач холбогдлын хувьд зөвхөн квант шинж чанартай дүрслэлээс давж гардаг. Бодит байдал дээр бид хамгийн жижиг нарийн ширийн зүйлийг хүртэл бодож боловсруулсан, төгс математикийн төхөөрөмжөөр тоноглогдсон онолын тухай ярьж байна. квант электродинамик, QED гэж товчилсон. QED-ийг анх боловсруулахад (энэ нь Дэлхийн 2-р дайны дараахан болсон) физикчид хоёулангийнх нь үндсэн зарчмуудыг хангасан онолтой байсан. квант онол, мөн харьцангуйн онол. Энэ бол шинэ физикийн хоёр чухал зүйлийн хосолсон илрэлийг харах сайхан боломж юм. тэдгээрийг туршилтаар шалгах.

Онолын хувьд QED-ийг бий болгосон нь гайхалтай амжилт байсан. Фотон ба электронуудын харилцан үйлчлэлийн талаархи өмнөх судалгаанууд математикийн бэрхшээлээс болж маш хязгаарлагдмал амжилтанд хүрсэн. Гэвч онолчид тооцоогоо зөв хийж сурмагц бусад бүх зүйл байрандаа оров. QED нь фотон, электронтой холбоотой ямар ч төвөгтэй үйл явцын үр дүнг олж авах журмыг санал болгосон.

13-р зураг. Хоёр виртуал фотон солилцоход электрон сарнилт үүсдэг. Ийм үйл явц нь Зураг дээр үзүүлсэн үндсэн үйл явцын жижиг өөрчлөлтийг бүрдүүлдэг. арван нэгэн

Онол бодит байдалтай хэр нийцэж байгааг шалгахын тулд физикчид онцгой анхаарал татсан хоёр нөлөөнд анхаарлаа хандуулав. Эхнийх нь хамгийн энгийн атом болох устөрөгчийн атомын энергийн түвшинтэй холбоотой байв. QED нь виртуал фотон байхгүй тохиолдолд эзлэх байр сууриа бага зэрэг өөрчлөх ёстой гэж таамаглаж байсан. Онол нь энэ шилжилтийн цар хүрээг маш зөв урьдчилан таамагласан. Шилжилтийг маш нарийвчлалтайгаар илрүүлэх, хэмжих туршилтыг Улсын Их Сургуулийн Уиллис Ламб хийсэн байна. Аризона. Тооцооллын үр дүн нь туршилтын өгөгдөлтэй төгс давхцаж байсан нь хүн бүрт таалагдсан.

QED-ийн хоёр дахь шийдвэрлэх туршилт нь электроны өөрийн соронзон моментийн маш бага засвартай холбоотой байв. Дахин хэлэхэд онолын тооцоо, туршилтын үр дүн бүрэн давхцсан. Онолчид тооцоогоо боловсронгуй болгож, туршилт хийгчид багажаа сайжруулж эхлэв. Гэсэн хэдий ч онолын таамаглал болон туршилтын үр дүнгийн нарийвчлал тасралтгүй сайжирч байгаа ч QED болон туршилтын хоорондын тохиролцоо нь төгс төгөлдөр хэвээр байна. Өнөө үед онолын болон туршилтын үр дүн нь хүрсэн нарийвчлалын хязгаарт нийцсэн хэвээр байгаа бөгөөд энэ нь аравтын есөн оронтой давхцаж байна гэсэн үг юм. Ийм гайхалтай захидал харилцаа нь QED-ийг одоо байгаа байгалийн шинжлэх ухааны онолуудаас хамгийн дэвшилтэт гэж үзэх эрхийг өгдөг.

Ийм ялалтын дараа QED-ийг бусад гурван үндсэн харилцан үйлчлэлийн квант тайлбарын загвар болгон баталсан гэдгийг хэлэх нь илүүц биз. Мэдээжийн хэрэг, бусад харилцан үйлчлэлтэй холбоотой талбарууд нь бусад тээвэрлэгч хэсгүүдтэй тохирч байх ёстой. Таталцлыг тайлбарлахын тулд үүнийг танилцуулсан хүндийн хүч,фотонтой ижил үүрэг гүйцэтгэдэг. Хоёр бөөмийн таталцлын харилцан үйлчлэлийн үед тэдгээрийн хооронд гравитонууд солигддог. Энэ харилцан үйлчлэлийг Зураг дээр үзүүлсэнтэй төстэй диаграмм ашиглан дүрсэлж болно. 12 ба 13. Сарнаас далай руу дохио дамжуулдаг гравитонууд бөгөөд дараа нь их далайн түрлэгийн үед дээшилж, бага далайн түрлэгийн үед унадаг. Дэлхий болон нарны хооронд эргэлдэж буй гравитонууд манай гаригийг тойрог замд нь байлгадаг. Гравитонууд биднийг дэлхийтэй нягт холбодог.

Фотонуудын нэгэн адил гравитонууд гэрлийн хурдаар хөдөлдөг тул гравитонууд нь "тэг тайван масстай" бөөмс юм. Гэхдээ энд гравитон ба фотонуудын ижил төстэй байдал дуусдаг. Фотон 1 спинтэй байхад гравитон 2 спинтэй байна.

Хүснэгт 4

Дөрвөн үндсэн харилцан үйлчлэлийг явуулдаг бөөмс. Массыг протоны массын нэгжээр илэрхийлнэ.

Энэ нь хүчний чиглэлийг тодорхойлдог тул энэ нь чухал ялгаа юм: цахилгаан соронзон харилцан үйлчлэлд электрон гэх мэт ижил цэнэгтэй бөөмсүүд түлхэц өгдөг бол таталцлын харилцан үйлчлэлийн үед бүх бөөмс бие биедээ татагддаг.

Гравитонууд нь бодит эсвэл виртуал байж болно. Жинхэнэ гравитон бол квантаас өөр зүйл биш юм таталцлын долгион, яг л бодит фотон нь цахилгаан соронзон долгионы квант юм. Зарчмын хувьд жинхэнэ гравитоныг "ажиглах" боломжтой. Гэхдээ таталцлын харилцан үйлчлэл нь гайхалтай сул учраас гравитоныг шууд илрүүлэх боломжгүй юм. Гравитонуудын бусад квант бөөмстэй харилцан үйлчлэл нь маш сул тул гравитон, жишээлбэл, протоноор тархах эсвэл шингээх магадлал хязгааргүй бага байдаг.

Тээвэрлэгч хэсгүүдийн солилцооны үндсэн санаа нь бусад харилцан үйлчлэлд хамаарна (Хүснэгт 4) - сул ба хүчтэй. Гэсэн хэдий ч нарийн ширийн зүйлд чухал ялгаа байдаг. Хүчтэй харилцан үйлчлэл нь кваркуудын хоорондын холбоог хангадаг гэдгийг санацгаая. Ийм холболтыг цахилгаан соронзонтой төстэй, гэхдээ илүү төвөгтэй хүчний талбараар үүсгэж болно. Цахилгаан хүч нь эсрэг тэмдгээр цэнэглэгдсэн хоёр бөөмийн холбогдсон төлөв үүсэхэд хүргэдэг. Кваркуудын хувьд гурван бөөмийн холбоотой төлөвүүд үүсдэг бөгөөд энэ нь гурван төрлийн "цэнэг" тохирох хүчний талбайн илүү төвөгтэй шинж чанарыг илтгэнэ. Бөөмс - кваркуудын хоорондын харилцан үйлчлэлийн тээвэрлэгч, тэдгээрийг хос эсвэл гурвалсан холбогч гэж нэрлэдэг. глюонууд.

Сул харилцан үйлчлэлийн хувьд нөхцөл байдал арай өөр байна. Энэ харилцан үйлчлэлийн радиус нь маш бага юм. Тиймээс сул харилцан үйлчлэлийн тээвэрлэгчид нь их хэмжээний амрах масстай бөөмс байх ёстой. Ийм массад агуулагдах энергийг Хейзенбергийн тодорхойгүй байдлын зарчмын дагуу "зээлдэх" ёстой бөгөөд үүнийг аль хэдийн 1-р хуудсанд хэлэлцсэн. 50. Гэхдээ "зээлдсэн" масс (тиймээс эрчим хүч) нь маш том тул тодорхойгүй байдлын зарчим нь ийм зээлийн эргэн төлөлтийн хугацаа маш богино байх ёстой - ердөө 10^-28 секунд орчим байх ёстой. Ийм богино наслалттай тоосонцор нь тийм ч хол хөдөлж амждаггүй бөгөөд тэдгээрийн тээвэрлэх харилцан үйлчлэлийн радиус нь маш бага байдаг.

Үнэндээ хоёр төрлийн сул хүчний тээвэрлэгч байдаг. Тэдний нэг нь амрах массаас бусад бүх зүйлд фотонтой төстэй. Эдгээр бөөмсийг Z бөөмс гэж нэрлэдэг. Z бөөмс нь үндсэндээ шинэ төрлийн гэрэл юм. Өөр нэг сул хүч зөөгч W бөөмс нь Z бөөмсөөс цахилгаан цэнэг байдгаараа ялгаатай. ch-д. 7-д бид зөвхөн 1983 онд нээгдсэн Z ба W бөөмсийн шинж чанарыг илүү нарийвчлан авч үзэх болно.

Бөөмүүдийг кварк, лептон, харилцан үйлчлэлийн тээвэрлэгч болгон ангилах нь мэдэгдэж буй субатомын тоосонцоруудын жагсаалтыг гүйцээнэ. Эдгээр бөөмс тус бүр өөрийн гэсэн боловч Орчлон ертөнц үүсэхэд шийдвэрлэх үүрэг гүйцэтгэдэг. Хэрэв зөөвөрлөгч бөөмс байхгүй байсан бол харилцан үйлчлэл байхгүй бөгөөд бөөм бүр өөрийн түншүүдийн талаар харанхуйд үлдэх болно. Нарийн төвөгтэй систем үүсэх боломжгүй, аливаа үйл ажиллагаа боломжгүй болно. Кваркгүй бол атомын цөм, нарны гэрэл байхгүй болно. Лептонгүйгээр атомууд оршин тогтнох боломжгүй, химийн бүтэц, амьдрал өөрөө үүсэхгүй.

Бөөмийн физикийн зорилго юу вэ?

Их Британийн нөлөө бүхий The Guardian сонинд нэг удаа редакцийн нийтлэл нийтэлж, бөөмийн физикийг хөгжүүлэх нь үндэсний шинжлэх ухааны төсвийн багагүй хувийг төдийгүй арслангийн хувийг зарцуулдаг өндөр өртөгтэй ажил юм. хамгийн сайн оюун ухаан. "Физикчид юу хийж байгаагаа мэдэж байна уу?" гэж "Гардиан" асуухад "Тэд ингэсэн ч энэ нь ямар хэрэгтэй юм бэ? Физикчдээс өөр хэнд энэ бүх бөөмс хэрэгтэй вэ?"

Энэ нийтлэлээс хойш хэдхэн сарын дараа би Балтиморт АНУ-ын Ерөнхийлөгчийн шинжлэх ухааны зөвлөх Жорж Кейвортийн лекцэнд оролцох завшаан олдсон юм. Кейворт мөн бөөмийн физикийн талаар ярьсан боловч түүний лекц огт өөр өнгө аястай байв. Америкийн физикчдэд Европ дахь бөөмийн физикийн лаборатори CERN-ээс W, Z гэсэн үндсэн бөөмсийг нээсэн тухай саяхан гаргасан тайлан нь том протон-антипротоны мөргөлдөх цацрагийн мөргөлдөөнөөс олж авсанд ихээхэн сэтгэгдэл төрүүлэв. Америкчууд шуугиан тарьсан бүх нээлтийг өндөр энергийн физикийн лабораторидоо хийдэгт дассан. Алга алга болсон нь шинжлэх ухаанч байтугай улс орны хэмжээнд доройтож байгаагийн шинж биш гэж үү?

АНУ, тэр дундаа Америкийн эдийн засаг цэцэглэн хөгжихийн тулд тус улс шинжлэх ухааны судалгааны тэргүүн эгнээнд байх шаардлагатай гэдэгт Кейворт эргэлздэггүй байв. Үндсэн төслүүд суурь судалгаа, Keyworth хэлэхдээ, ахиц дэвшлийн тэргүүн эгнээнд байна. АНУ бөөмийн физикт ноёрхлоо эргүүлэн олж авах ёстой.

Мөн тэр долоо хоногт мэдээллийн сувгууд бөөмийн физикийн шинэ үеийн туршилт хийх зориулалттай аварга хурдасгуурын Америкийн төслийн тухай мэдээллүүд тараав. Үндсэн өртөг нь 2 тэрбум доллараар үнэлэгдсэн бөгөөд энэ хурдасгуур нь хүний бүтээсэн хамгийн үнэтэй машин болжээ. Сэм авга ах CERN-ийн шинэ LEP хурдасгуурыг хүртэл одой болохуйц аварга том бөгөөд Люксембург муж бүхэлдээ түүний цагирагт багтах болно! Аварга хэт дамжуулагч соронз нь бөөмсийн цацрагийг эргүүлж, цагираг хэлбэртэй тасалгааны дагуу чиглүүлдэг хүчтэй соронзон орон үүсгэх зориулалттай; Шинэ хурдасгуурыг элсэн цөлд байрлуулах ёстой гэж үздэг маш том бүтэц юм. Guardian сонины эрхлэгч энэ талаар ямар бодолтой байгааг мэдмээр байна.

Superconducting Super Collider (SSC) гэж нэрлэгддэг боловч ихэвчлэн "de-zertron" (англи хэлнээс. цөл -цөл. - Ред.),Энэхүү аймшигт машин нь протоныг бусад энергиэс (масс) ойролцоогоор 20 мянга дахин их энерги болгон хурдасгах чадвартай болно. Эдгээр тоонуудыг янз бүрээр тайлбарлаж болно. Хамгийн их хурдатгалтай үед бөөмс гэрлийн хурдаас ердөө 1 км/цаг-аар бага хурдтай хөдөлнө - Орчлон ертөнцийн хамгийн дээд хурд. Харьцангуй нөлөөлөл нь маш их бөгөөд бөөмс бүрийн масс тайван байх үеийнхээс 20 мянга дахин их байдаг. Ийм бөөмстэй холбоотой системд цаг хугацаа маш их сунадаг тул 1 сек нь 5.5 цагтай тэнцэж байна. Бөөмийн шүүрдэх тасалгааны километр бүр ердөө 5.0 см хүртэл шахагдсан мэт "харагдах" болно.

Атомыг улам бүр сүйрүүлэх задралд ийм асар их нөөцийг зарцуулахад ямар туйлын хэрэгцээ төрж байна вэ? Ийм судалгаа хийхэд практик ашиг тус бий юу?

Мэдээжийн хэрэг аливаа агуу шинжлэх ухаан нь үндэсний тэргүүлэх чиглэлийн төлөөх тэмцлийн сүнсэнд харь байдаггүй. Энд урлаг, спортын нэгэн адил шагнал хүртэж, дэлхийд хүлээн зөвшөөрөгдөх сайхан байдаг. Бөөмийн физик нь төрийн эрх мэдлийн нэгэн төрлийн бэлэг тэмдэг болсон. Хэрэв энэ нь амжилттай хөгжиж, бодит үр дүн гарвал шинжлэх ухаан, технологи, цаашлаад улсын эдийн засаг үндсэндээ зохих түвшинд байгааг илтгэнэ. Энэ нь бусад ерөнхий технологийн салбаруудын бүтээгдэхүүний өндөр чанарт итгэх итгэлийг дэмждэг. хурдасгуур болон холбогдох бүх тоног төхөөрөмж бий болгох, маш өндөр түвшинмэргэжлийн ур чадвар. Шинэ технологийг хөгжүүлэх явцад олж авсан үнэ цэнэтэй туршлага нь шинжлэх ухааны судалгааны бусад салбарт гэнэтийн, ашигтай нөлөө үзүүлдэг. Жишээлбэл, АНУ-д "цөлд" шаардлагатай хэт дамжуулагч соронзны судалгаа, хөгжүүлэлтийг хорин жилийн турш хийж байна. Гэсэн хэдий ч тэдгээр нь шууд ашиг тусаа өгдөггүй тул үнэлэхэд хэцүү байдаг. Өөр бодит үр дүн байна уу?

Суурь судалгааг дэмжих өөр нэг аргумент заримдаа сонсогддог. Физик нь технологиос тавин жилийн өмнө байх хандлагатай байдаг. Нэг эсвэл өөр практик хэрэглээ шинжлэх ухааны нээлтЭхэндээ тодорхойгүй байсан ч суурь физикийн цөөн хэдэн чухал ололт нь цаг хугацааны явцад практик хэрэглээг олж чадаагүй байна. Максвеллийн цахилгаан соронзон онолыг санацгаая: түүнийг бүтээгч орчин үеийн харилцаа холбоо, электроникийн бүтээн байгуулалт, амжилтыг урьдчилан харж чадсан уу? Цөмийн энерги хэзээ ч олдохгүй гэсэн Рутерфордын үг практик хэрэглээ? Эгэл бөөмсийн физикийн хөгжил юунд хүргэж болохыг, бидний эргэн тойрон дахь ертөнцийн талаарх бидний ойлголтыг өргөжүүлж, илүү өргөн хүрээний хүмүүст эрх мэдлийг өгөх ямар шинэ хүч, шинэ зарчмуудыг олж мэдэхийг урьдчилан таамаглах боломжтой юу? физик үзэгдлүүд. Энэ нь радио эсвэл цөмийн эрчим хүчнээс дутахгүй хувьсгалт шинж чанартай технологийг хөгжүүлэхэд хүргэж болзошгүй юм.

Шинжлэх ухааны ихэнх салбарууд эцэст нь цэргийн хэрэглээг олж авсан. Энэ талаараа бөөмийн физик (цөмийн физикээс ялгаатай) өнөөг хүртэл хөндөгдөөгүй хэвээр байна. Кейвортийн лекц нь Ерөнхийлөгч Рейганы пуужингаас эсэргүүцэн хамгаалах туяа, зэвсэг гэгдэх (энэ төсөл нь Стратегийн батлан хамгаалах санаачилга, SDI гэх хөтөлбөрийн нэг хэсэг) бүтээх тухай маргаантай төслийг тойрсон сурталчилгаатай давхцсан юм. Энэхүү төслийн мөн чанар нь дайсны пуужингийн эсрэг өндөр энерги бүхий бөөмсийн цацрагийг ашиглах явдал юм. Бөөмийн физикийн энэхүү хэрэглээ нь үнэхээр хор хөнөөлтэй юм.

Ийм төхөөрөмжийг бий болгох боломжгүй гэсэн үзэл бодол давамгайлж байна. Энгийн бөөмийн физикийн чиглэлээр ажилладаг ихэнх эрдэмтэд эдгээр санааг утгагүй, байгалийн бус гэж үзэж, ерөнхийлөгчийн саналыг эрс эсэргүүцэж байна. Эрдэмтдийг буруушааж, Кейворт тэднийг цацрагийн зэвсгийн төсөлд "ямар үүрэг гүйцэтгэж болох талаар бодохыг" уриалав. Кейворт физикчдэд хандсан нь (мэдээжийн хэрэг санамсаргүй байдлаар) өндөр энергийн физикийн санхүүжилтийн талаархи түүний хэлсэн үгийг дагаж мөрдсөн юм.

Өндөр энергийн физикчид хэрэглээний (ялангуяа цэргийнхний), түүхэн аналоги, техникийн гайхамшгуудын талаар тодорхой бус амлалтуудыг иш татах замаар суурь судалгааны хэрэгцээг зөвтгөх шаардлагагүй гэдэгт миний хатуу итгэлтэй байна. Физикчид эдгээр судалгааг юуны түрүүнд манай ертөнц хэрхэн ажилладагийг олж мэдэх, байгалийг илүү нарийвчлан ойлгох хүсэл эрмэлзэлийнхээ үүднээс хийдэг. Бөөмийн физик нь бусад салбаруудаас хосгүй юм хүний үйл ажиллагаа. Хоёр, хагас мянган жилийн турш хүн төрөлхтөн орчлон ертөнцийн анхны "барилгын чулууг" олохыг эрэлхийлсээр ирсэн бөгөөд одоо бид эцсийн зорилго. Аварга суурилуулалт нь материйн зүрх сэтгэлд нэвтэрч, байгалиас түүний гүн нууцыг арилгахад тусална. Хүн төрөлхтөн шинэ нээлтүүд, урьд өмнө мэдэгдээгүй технологиуд гэнэтийн хэрэглээг хүлээж байгаа боловч өндөр энергийн физик нь практикт юу ч өгөхгүй байх магадлалтай. Гэхдээ сүрлэг сүм хийд эсвэл концертын танхим ч гэсэн практик хэрэглээ багатай байдаг. Үүнтэй холбогдуулан нэг удаа Фарадейгийн хэлсэн үгийг санахгүй байхын аргагүй юм: "Шинэ төрсөн хүүхэд ямар хэрэгтэй вэ?" Практикаас хол, энгийн бөөмсийн физикийг багтаасан хүний үйл ажиллагааны төрлүүд нь хүний оюун санааны илрэлийн нотолгоо болдог бөгөөд үүнгүйгээр бид хэт материаллаг, прагматик ертөнцөд мөхөх болно.

Өндөр энергитэй тоосонцор мөргөлддөг суурилуулалтууд - бөөмийн хурдасгуурууд нь хэмжээ, өртөгөөрөө гайхалтай юм. Тэд хэдэн километрийн зайд хүрч, бөөмийн мөргөлдөөнийг судалдаг лабораториудтай харьцуулахад өчүүхэн мэт санагддаг. Шинжлэх ухааны судалгааны бусад чиглэлээр тоног төхөөрөмжийг лабораторид, өндөр энергийн физикийн хувьд лабораторийг хурдасгуурт холбодог. Саяхан Женевийн ойролцоо байрладаг Европын Цөмийн Судалгааны Төв (CERN) цагираган хурдасгуур барихад хэдэн зуун сая доллар хуваарилжээ. Энэ зорилгоор барьж буй хонгилын тойрог 27 км хүрдэг. LEP (Том электрон-позитрон цагираг) гэж нэрлэгддэг хурдасгуур нь электронууд болон тэдгээрийн эсрэг хэсгүүдийг (позитронууд) гэрлийн хурдаас зөвхөн "үсний өргөн" хурдтай хурдасгах зориулалттай. Эрчим хүчний цар хүрээний талаар ойлголттой болохын тулд электронуудын оронд пенни зоос ийм хурдтай хурдасч байна гэж төсөөлөөд үз дээ. Хурдатгалын мөчлөгийн төгсгөлд 1,000 сая долларын цахилгаан үйлдвэрлэх хангалттай эрчим хүч байх болно! Ийм туршилтыг ихэвчлэн "өндөр энерги" физик гэж ангилдаг нь гайхах зүйл биш юм. Бөгжний дотор бие бие рүүгээ хөдөлж, электрон ба позитроны цацрагууд хоорондоо мөргөлддөг бөгөөд электронууд болон позитронууд устаж, өөр хэдэн арван бөөмс үүсгэхэд хангалттай энерги ялгаруулдаг.

Эдгээр тоосонцор юу вэ? Тэдгээрийн зарим нь атомын цөмийг бүрдүүлдэг протон ба нейтрон, цөмийн эргэн тойронд эргэлддэг электронууд болох бидний бүтээсэн "барилгын материал" юм. Бусад тоосонцор бидний эргэн тойронд байгаа бодисоос ихэвчлэн олддоггүй: тэдний ашиглалтын хугацаа маш богино бөгөөд хугацаа нь дууссаны дараа тэд энгийн бөөмс болж задардаг. Ийм тогтворгүй богино хугацааны тоосонцоруудын сортуудын тоо гайхалтай юм: тэдгээрийн хэдэн зуун нь аль хэдийн мэдэгддэг. Оддын нэгэн адил тогтворгүй тоосонцор хэтэрхий олон байдаг тул нэрээр нь ялгах боломжгүй. Тэдгээрийн олонх нь зөвхөн Грек үсгээр, зарим нь зүгээр л тоогоор тэмдэглэгдсэн байдаг.

Хориод жилийн өмнө физикчдийг төгсгөлгүй мэт санагдах шинэ субатомын бөөмсийн тоо, төрөл зүйл бүрмөсөн гайхшруулж байв. Үүнийг ойлгох боломжгүй байсан Юуны төлөөмаш олон тоосонцор. Магадгүй энгийн тоосонцор нь амьтны хүрээлэнгийн оршин суугчидтай адил бөгөөд гэр бүлийн далд харьяалалтай боловч тодорхой ангилал зүйгүй байдаг. Эсвэл зарим өөдрөг үзэлтнүүдийн үзэж байгаагаар энгийн тоосонцор орчлон ертөнцийн түлхүүрийг атгадаг болов уу? Физикчдийн ажиглаж буй бөөмсүүд юу вэ: материйн өчүүхэн, санамсаргүй хэлтэрхийнүүд эсвэл бидний нүдний өмнө гарч ирж буй бүдэг бадаг дэг журмын тоймууд нь дэд цөмийн ертөнцийн баялаг, нарийн төвөгтэй бүтэцтэй болохыг харуулж байна уу? Одоо ийм бүтэц бий гэдэгт эргэлзэх зүйл алга. Бичил ертөнцөд гүн гүнзгий бөгөөд оновчтой дэг журам байдаг бөгөөд бид эдгээр бүх бөөмсийн утгыг ойлгож эхэлдэг.

ch-д. 2 Бид бөөмсийн өөр нэг шинж чанарыг танилцуулсан - ээрэх. Мөн түүхэн шалтгаанаар 1 гэж сонгосон зарим үндсэн нэгжийн үржвэрийн утгыг үргэлж авдаг. /2. Тиймээс протон, нейтрон, электронууд нь спинтэй байдаг 1/2, мөн фотоны спин нь 1. Спин 0, 3/2, 2-той бөөмсийг бас мэддэг.2-оос их спинтэй суурь бөөмсийг олж илрүүлээгүй бөгөөд онолчид ийм спинтэй бөөмс байхгүй гэж үздэг.

Бөөмийн эргэлт нь чухал шинж чанар бөгөөд түүний үнэ цэнээс хамааран бүх бөөмсийг хоёр ангилалд хуваадаг. Спин 0, 1, 2-той бөөмсийг Энэтхэгийн физикч Чатиендранат Босегийн нэрээр "бозонууд" гэж нэрлэдэг ба хагас бүхэл спинтэй хэсгүүдийг (жишээ нь 1/2 эсвэл 3/2 спинтэй) - Энрико Фермигийн хүндэтгэлд зориулсан "фермионууд". Эдгээр хоёр ангийн аль нэгэнд хамаарах нь бөөмийн шинж чанарын жагсаалтад хамгийн чухал нь байж магадгүй юм.

Бөөмийн өөр нэг чухал шинж чанар бол түүний амьдрах хугацаа юм. Саяхныг хүртэл электрон, протон, фотон, нейтрино нь туйлын тогтвортой байдаг гэж үздэг байсан. хязгааргүй урт наслах. Нейтрон цөмд "түгжигдсэн" үед тогтвортой хэвээр байх боловч чөлөөт нейтрон нь ойролцоогоор 15 минутын дотор задалдаг. Бусад бүх мэдэгдэж буй бөөмс нь маш тогтворгүй бөгөөд амьдрах хугацаа нь хэдхэн микросекундээс 10-23 секундын хооронд хэлбэлздэг. Ийм хугацааны интервал нь ойлгомжгүй мэт санагддаг. жижиг боловч гэрлийн хурдтай ойролцоо хурдтай нисдэг бөөмс (ба хурдасгуур дээр төрсөн ихэнх бөөмс яг ийм хурдтай хөдөлдөг) микросекундэд 300 м зайд нисч чаддаг гэдгийг мартаж болохгүй.

Физикчид энэ эсвэл өөр бөөмс байдаг гэдгийг мэдэх нь хангалтгүй бөгөөд тэд түүний үүрэг юу болохыг ойлгохыг хичээдэг. Энэ асуултын хариулт нь дээр дурдсан бөөмсийн шинж чанар, түүнчлэн бөөмс дээр гаднаас болон дотроос үйлчлэх хүчний шинж чанараас хамаарна. Юуны өмнө бөөмийн шинж чанар нь түүний хүчтэй харилцан үйлчлэлд оролцох чадвараар (эсвэл чадваргүй) тодорхойлогддог. Хүчтэй харилцан үйлчлэлд оролцдог бөөмсийг тусгай анги бүрдүүлдэг бөгөөд тэдгээрийг дууддаг андронс.Сул харилцан үйлчлэлд оролцдог ба хүчтэй харилцан үйлчлэлд оролцдоггүй бөөмсийг нэрлэдэг лептонууд,Энэ нь "уушиг" гэсэн утгатай. Эдгээр гэр бүл тус бүрийг товчхон авч үзье.

Төрөл бүрийн элементийн атомын цөмийг хуваах нь одоогоор нэлээд өргөн хэрэглэгддэг. Бүх атомын цахилгаан станцууд задрах урвал дээр ажилладаг бөгөөд бүх зүйлийн ажиллах зарчим нь энэ урвал дээр суурилдаг. цөмийн зэвсэг. Хяналттай эсвэл гинжин урвалын үед атом хэсэг хэсгээрээ хуваагдсан тул дахин нэгдэж, анхны төлөвтөө буцаж чадахгүй. Гэвч эрдэмтэд квант механикийн зарчим, хуулиудыг ашиглан атомыг хоёр хэсэгт хувааж, атомын бүрэн бүтэн байдлыг зөрчихгүйгээр дахин холбож чадсан.

Боннын их сургуулийн эрдэмтэд квантын тодорхойгүй байдлын зарчмыг ашигласан бөгөөд энэ нь объектуудыг нэгэн зэрэг хэд хэдэн мужид оршин тогтнох боломжийг олгодог. Туршилтаар зарим физик заль мэхийн тусламжтайгаар эрдэмтэд нэг атомыг нэг дор хоёр газарт байлгахыг албадав, тэдгээрийн хоорондох зай нь миллиметрийн зуугаас арай илүү байсан бөгөөд энэ нь атомын масштабаар ердөө л асар том зай юм. .

Ийм квант нөлөөлөл нь маш бага температурт л илэрч болно. Цезийн атомыг лазерын гэрлийн тусламжтайгаар аравны нэг саяны нэг градусын температурт хөргөв. үнэмлэхүй тэг. Дараа нь хөргөсөн атом өөр лазерын гэрлийн цацрагт оптик байдлаар баригдсан.

Атомын цөм нь хоёр чиглэлийн аль нэгээр эргэлдэж чаддаг нь мэдэгдэж байгаа бөгөөд эргэлтийн чиглэлээс хамааран лазер туяа нь цөмийг баруун эсвэл зүүн тийш түлхэж өгдөг. "Гэхдээ атом нь тодорхой квант төлөвт "хуваасан шинж чанартай" байж болно, нэг тал нь нэг чиглэлд, нөгөө нь эсрэг чиглэлд эргэлддэг. Гэсэн хэдий ч атом нь бүхэл бүтэн объект хэвээр байна. "гэж физикч Андреас Стеффен хэлэв. Тиймээс хэсгүүд нь эргэлддэг атомын цөм юм эсрэг чиглэлүүд, лазер туяагаар хоёр хэсэгт хуваагдаж, атомын эдгээр хэсгүүдийг нэлээд хол зайд салгах боломжтой бөгөөд эрдэмтэд туршилтынхаа явцад үүнийг хийж чадсан юм.

Эрдэмтэд ижил төстэй аргыг ашиглан квант мэдээллийн дамжуулагч болох "квант гүүр" гэж нэрлэгдэх боломжтой гэж мэдэгджээ. Бодисын атом нь хоёр хэсэгт хуваагддаг бөгөөд тэдгээр нь зэргэлдээх атомуудтай холбогдох хүртэл хуваагддаг. Гүүрний хоёр баганыг холбосон, түүгээр мэдээлэл дамжуулах боломжтой замын гадаргуу гэх мэт зүйл үүсдэг. Энэ нь атомын хэсгүүд квант түвшинд орооцолдсоноос болж ийм байдлаар хуваагдсан атом квант түвшинд нэг бүхэл хэвээр үлддэгтэй холбоотой юм.

Боннын их сургуулийн эрдэмтэд ийм технологийг ашиглан нарийн төвөгтэй квант системийг дуурайж, бүтээх бодолтой байна. Багийн ахлагч доктор Андреа Альберти "Бидний хувьд атом бол сайн тосолсон араатай адил юм." "Эдгээр олон араа ашигласнаар та хамгийн дэвшилтэт компьютеруудаас хамаагүй давсан шинж чанартай квант тооцоолох төхөөрөмжийг бүтээж чадна. Та эдгээр араагаа зөв байрлуулж, холбох чадвартай байх хэрэгтэй."

1939 ондАльберт ЭйнштейнНацистуудын өмнө атомын задралын энергийг эзэмшихийн тулд бүх хүчин чармайлтаа гаргахыг санал болгосноор Ерөнхийлөгч Рузвельтэд хандав. Тэр үед тэрээр фашист Италиас цагаачилсан байвЭнрико ФермиКолумбын их сургуульд энэ асуудал дээр аль хэдийн ажиллаж байсан.

(Европын бөөмийн физикийн лабораторийн хурдасгуурын танхимд (ЦЕРН), Европ дахь энэ төрлийн хамгийн том төв. Хачирхалтай нь, хамгийн жижиг хэсгүүдийг судлахын тулд аварга том бүтэц хэрэгтэй.)

Оршил

1854 онд Герман хүн Генрих Гейслер. (1814-79) Heusler хоолой гэж нэрлэгддэг электродтой вакуум шилэн хоолой, мөнгөн усны насосыг зохион бүтээсэн нь өндөр вакуум авах боломжтой болсон. Өндөр хүчдэлийн индукцийн ороомогыг хоолойн электродуудтай холбосноор тэрээр сөрөг электродын эсрэг талын шилэн дээр ногоон гэрэлтэв. 1876 онд Германы физикч Евгений Голдштейн(1850-1931) энэ туяа нь катодоос ялгарах туяанаас үүдэлтэй гэж таамаглаж, эдгээр туяаг катодын туяа гэж нэрлэсэн.

(Шинэ Зеландын физикч Эрнест Рутерфорд (1871-1937) 1919 онд удирдаж байсан Кембрижийн их сургуулийн Кавендишийн лабораторид.)

Электронууд

Английн эрдэмтэн Уильям Крукс(1832-1919) Heusler хоолойг сайжруулж, катодын цацрагийг соронзон орны нөлөөгөөр хазайлгах боломжийг харуулсан. 1897 онд Английн өөр нэг судлаач Жозеф Томсон туяаг сөрөг цэнэгтэй бөөмс гэж үзэж, массыг нь тодорхойлсон нь устөрөгчийн атомын массаас 2000 дахин бага болсон байна. Тэрээр эдгээр бөөмсийг электрон гэж нэрлээд хэдэн жилийн өмнө Ирландын физикчийн санал болгосон нэрээр нэрлэжээ Жорж Стоуни(1826-1911) нь тэдний цэнэгийн хэмжээг онолын хувьд тооцоолсон. Ингэж атомын хуваагдах чадвар тодорхой болсон. Томсон аяганы бялуунд хийсэн үзэм шиг электронууд атомын дундуур тархсан загварыг санал болгосон. Мөн удалгүй атомын бүрэлдэхүүнд багтсан бусад бөөмсийг олж илрүүлэв. 1895 онд тэрээр Кавендишийн лабораторид ажиллаж эхэлсэн Эрнест Рутерфорд(1871-1937), Томсонтой хамт ураны цацраг идэвхт чанарыг судалж эхэлсэн бөгөөд энэ элементийн атомуудаас ялгарах хоёр төрлийн бөөмсийг нээсэн. Тэрээр электрон бета бөөмийн цэнэг ба масстай бөөмсийг, харин 4 устөрөгчийн атомын масстай тэнцүү эерэг цэнэгтэй бусад бөөмсийг альфа бөөмс гэж нэрлэсэн. Үүнээс гадна ураны атомууд нь өндөр давтамжийн цахилгаан соронзон цацраг - гамма цацрагийн эх үүсвэр байв.

(Отто Хан, Лиз Майтнер нар. 1945 онд ГанАнглид холбоотнуудад хоригдож байсан бөгөөд зөвхөн тэнд л тэрээр 1944 онд "хүнд цөмийн задралыг нээсэн" химийн салбарт Нобелийн шагнал хүртсэн гэдгээ мэдсэн.)

Протонууд

1886 онд Голдштейн катодын цацрагийн эсрэг чиглэлд тархдаг өөр нэг цацрагийг олж илрүүлсэн бөгөөд түүнийг катодын цацраг гэж нэрлэжээ. Хожим нь тэдгээр нь атомын ионуудаас бүрддэг нь батлагдсан. Рутерфорд эерэг устөрөгчийн ионыг pro гэж нэрлэхийг санал болговая (Грек хэлнээспротон- Эхнийх нь), учир нь тэрээр устөрөгчийн цөмийг бусад бүх элементийн атомын цөмийн салшгүй хэсэг гэж үзсэн. Тиймээс 20-р зууны эхэн үед. Электрон, протон, альфа бөөмс гэсэн гурван субатомын бөөмс оршин тогтнож байсан нь тогтоогдсон. IN1907 Ноён Рутерфорд Манчестерийн их сургуулийн профессор болжээ. Энд тэрээр атомын бүтцийг олж мэдэхийг хичээж, альфа бөөмийн тархалтын талаархи алдартай туршилтуудаа хийжээ. Нимгэн металл тугалган цаасаар эдгээр хэсгүүдийн дамжлагыг судалснаар тэрээр атомын төвд альфа бөөмсийг тусгах чадвартай жижиг нягт цөм байдаг гэсэн дүгнэлтэд хүрчээ. Тэр үед Рутерфордын туслах нь Данийн залуу физикч байжээ.Нилс Бор(1885-1962), аль нь1913 ж., саяхан бий болгосон квант онолын дагуу атомын бүтцийн загварыг санал болгосон.Рутерфорд-Борын загвар. Үүнд электронууд нарны эргэн тойронд гаригууд шиг цөмийг тойрон эргэдэг.

( Энрико Ферми (1901-54) 1938 онд нейтроны бодисыг туяагаар цацруулсан бүтээлээрээ Нобелийн шагнал хүртжээ. 1942 онд тэрээр анх удаа атомын цөмийн задралын бие даасан гинжин урвалыг хийсэн.)

Атомын загварууд

Энэхүү анхны загварт цөм нь эерэг цэнэгтэй протонууд болон тэдгээрийн цэнэгийг хэсэгчлэн саармагжуулсан хэд хэдэн электронуудаас бүрддэг; Үүнээс гадна нэмэлт электронууд цөмийг тойрон хөдөлж, нийт цэнэг нь цөмийн эерэг цэнэгтэй тэнцүү байв.Альфа тоосонцор, гелийн атомын цөм шиг бүрдэх ёстой4 протон ба2 электронууд.Дуусчихлаа10 Энэ загварыг засварлахаас хэдэн жилийн өмнө. IN1930 Ноён Герман Вальтер Боте(1891-1957) бериллийг альфа тоосонцороор цацрагаар цацах үед үүсдэг шинэ төрлийн цацраг идэвхт цацрагийг нээсэн тухай зарлав. Англи хүнЖеймс Чадвик(1891-1974) Эдгээр туршилтуудыг давтаж, энэ цацраг нь протонтой тэнцүү масстай, гэхдээ цахилгаан цэнэггүй хэсгүүдээс бүрддэг гэсэн дүгнэлтэд хүрсэн. Тэднийг нейтрон гэж нэрлэдэг байв. Дараа нь ГерманВернер Хайзенберг(1901-76) цөм нь зөвхөн протон ба нейтроноос бүрдэх атомын загварыг санал болгосон.Анхны субатомын бөөмсийн хурдасгууруудын нэгтэй хэсэг судлаачид -циклотрон(1932). Энэ төхөөрөмж нь бөөмсийг хурдасгаж, дараа нь тусгай байг бөмбөгддөг.

(Анхны субатомын бөөмийн хурдасгууруудын нэг болох циклотронтой хэсэг судлаачид (1932). Энэ төхөөрөмж нь бөөмсийг хурдасгаж, дараа нь тусгай байг бөмбөгдөх зориулалттай.)

Атомыг хуваах

Дэлхийн физикчид атомуудад нөлөөлөх хамгийн тохиромжтой хэрэгсэл болох эдгээр хүнд цэнэггүй бөөмс нь атомын цөмд амархан нэвтэрдэг нейтроныг тэр даруй олж мэдэв. IN1934-36 Итали Энрико Ферми(1901-54) тэдний тусламжийг авсан37 янз бүрийн элементийн цацраг идэвхт изотопууд. Нейтроныг шингээж авснаар атомын цөм тогтворгүй болж, гамма туяа хэлбэрээр энерги ялгаруулжээ. Ферми ураныг нейтроноор цацруулж, найдаж байнаөмнөхтүүнийг шинэ элемент болох “уран” болгон хувиргана.Берлин дэх ажлын ижил чиглэлд Германы Отто Хан(1879-1 Смөн Австри хүнЛиз Майтнер(1878 - 1968). IN1938 Хатагтай Майтнер нацистуудаас зугтан Стокгольм руу явж, хамтран ажилласаар байв.Фридрих Страсманн(1902-80). Удалгүй Хан, Майтнер нар туршилтаа үргэлжлүүлж, үр дүнг нь захидал харилцааны аргаар харьцуулж, нейтроноор цацраг туяагаар цацруулсан уранд цацраг идэвхт бари үүссэнийг илрүүлжээ. Майтнер намайг ураны атом (атомын дугаар92) уралдаанхоёр цөмд хуваагддаг: бари (тоотой элементийн атомын дугаар43 хожим нэрлэсэнтехнециум). Ийнхүү атомын цөмийг хуваах боломж нээгдэв. Мөн ураны атомын цөм устах үед2-3 нейтронууд, тэдгээр нь тус бүр нь ураны атомын задралыг эхлүүлэх чадвартай бөгөөд асар их хэмжээний энерги ялгаруулж гинжин урвал үүсгэдэг ...

Өндөр энергитэй тоосонцор мөргөлддөг суурилуулалтууд - бөөмийн хурдасгуурууд нь хэмжээ, өртөгөөрөө гайхалтай юм. Тэд хэдэн километрийн зайд хүрч, бөөмийн мөргөлдөөнийг судалдаг лабораториудтай харьцуулахад өчүүхэн мэт санагддаг. Шинжлэх ухааны судалгааны бусад чиглэлээр тоног төхөөрөмжийг лабораторид, өндөр энергийн физикийн хувьд лабораторийг хурдасгуурт холбодог. Саяхан Женевийн ойролцоо байрладаг Европын Цөмийн Судалгааны Төв (CERN) цагираган хурдасгуур барихад хэдэн зуун сая доллар хуваарилжээ. Энэ зорилгоор барьж буй хонгилын тойрог 27 км хүрдэг. LEP (Том электрон-позитрон цагираг) гэж нэрлэгддэг хурдасгуур нь электронууд болон тэдгээрийн эсрэг хэсгүүдийг (позитронууд) гэрлийн хурдаас зөвхөн "үсний өргөн" хурдтай хурдасгах зориулалттай. Эрчим хүчний цар хүрээний талаар ойлголттой болохын тулд электронуудын оронд пенни зоос ийм хурдтай хурдасч байна гэж төсөөлөөд үз дээ. Хурдатгалын мөчлөгийн төгсгөлд 1,000 сая долларын цахилгаан үйлдвэрлэх хангалттай эрчим хүч байх болно! Ийм туршилтыг ихэвчлэн "өндөр энерги" физик гэж ангилдаг нь гайхах зүйл биш юм. Бөгжний дотор бие бие рүүгээ хөдөлж, электрон ба позитроны цацрагууд хоорондоо мөргөлддөг бөгөөд электронууд болон позитронууд устаж, өөр хэдэн арван бөөмс үүсгэхэд хангалттай энерги ялгаруулдаг.

Эдгээр тоосонцор юу вэ? Тэдгээрийн зарим нь атомын цөмийг бүрдүүлдэг протон ба нейтрон, цөмийн эргэн тойронд эргэлддэг электронууд болох бидний бүтээсэн "барилгын материал" юм. Бусад тоосонцор бидний эргэн тойронд байгаа бодисоос ихэвчлэн олддоггүй: тэдний ашиглалтын хугацаа маш богино бөгөөд хугацаа нь дууссаны дараа тэд энгийн бөөмс болж задардаг. Ийм тогтворгүй богино хугацааны тоосонцоруудын сортуудын тоо гайхалтай юм: тэдгээрийн хэдэн зуун нь аль хэдийн мэдэгддэг. Оддын нэгэн адил тогтворгүй тоосонцор хэтэрхий олон байдаг тул нэрээр нь ялгах боломжгүй. Тэдгээрийн олонх нь зөвхөн Грек үсгээр, зарим нь зүгээр л тоогоор тэмдэглэгдсэн байдаг.

Эдгээр олон тооны, олон янзын тогтворгүй хэсгүүд нь шууд утгаараа протон, нейтрон эсвэл электронуудын бүрэлдэхүүн хэсэг биш гэдгийг санах нь чухал юм. Мөргөлдөх үед өндөр энергитэй электронууд болон позитронууд олон субатомын хэлтэрхийд тараагддаггүй. Бусад объектуудаас (кваркуудаас) бүрдэх өндөр энергитэй протонуудын мөргөлдөөнд ч тэдгээр нь дүрмээр бол ердийн утгаараа бүрэлдэхүүн хэсгүүдэд хуваагддаггүй. Ийм мөргөлдөөнд юу тохиолдох нь мөргөлдөөний энергиээс шинэ бөөмсийг шууд бий болгох гэж үзэх нь дээр.

Хориод жилийн өмнө физикчдийг төгсгөлгүй мэт санагдах шинэ субатомын бөөмсийн тоо, төрөл зүйл бүрмөсөн гайхшруулж байв. Яагаад ийм олон тоосонцор байдгийг ойлгох боломжгүй байв. Магадгүй энгийн тоосонцор нь амьтны хүрээлэнгийн оршин суугчидтай адил бөгөөд гэр бүлийн далд харьяалалтай боловч тодорхой ангилал зүйгүй байдаг. Эсвэл зарим өөдрөг үзэлтнүүдийн үзэж байгаагаар энгийн тоосонцор орчлон ертөнцийн түлхүүрийг атгадаг болов уу? Физикчдийн ажиглаж буй бөөмсүүд юу вэ: материйн өчүүхэн, санамсаргүй хэлтэрхийнүүд эсвэл бидний нүдний өмнө гарч ирж буй бүдэг бадаг дэг журмын тоймууд нь дэд цөмийн ертөнцийн баялаг, нарийн төвөгтэй бүтэцтэй болохыг харуулж байна уу? Одоо ийм бүтэц бий гэдэгт эргэлзэх зүйл алга. Бичил ертөнцөд гүн гүнзгий бөгөөд оновчтой дэг журам байдаг бөгөөд бид эдгээр бүх бөөмсийн утгыг ойлгож эхэлдэг.