Существуют ли в природе неизменные частицы. Презентация на тему "элементарные частицы"

Когда греческий философ Демок­рит назвал простейшие нерасчлени­мые далее частицы атомами (слово атом, напомним, означает “недели­мый”), то ему, вероятно, все пред­ставлялось в принципе не очень сложным. Различные предметы, рас­тения, животные построены из неде­лимых, неизменных частиц. Превра­щения, наблюдаемые в мире, - это простая перестановка атомов. Все в мире течет, все изменяется, кроме самих атомов, которые остаются не­изменными.

Но в конце XIX века было откры­то сложное строение атомов и был выделен электрон как составная часть атома. Затем, уже в XX веке, были открыты протон и нейтрон - частицы, входящие в состав атом­ного ядра. Поначалу на все эти частицы смотрели точь-в-точь, как Демокрит смотрел на атомы: их считали неделимыми и неизменными первоначальными сущностями, ос­новными кирпичиками мироздания.

Ситуация привле­кательной ясности длилась недолго. Все оказалось намного сложнее:

как выяснилось, неизменных частиц нет совсем. В самом слове элемен­тарная заключается двоякий смысл.

С одной стороны, элементарный - это само собой разумеющийся, прос­тейший. С другой стороны, под эле­ментарным понимается нечто фун­даментальное, лежащее в основе вещей (именно в этом смысле сей­час и называют субатомные частицы элементарными).

Считать известные сейчас эле­ментарные частицы подобными не­изменным атомам Демокрита ме­шает следующий простой факт. Ни одна из частиц не бессмертна. Боль­шинство частиц, называемых сей­час элементарными, не могут про­жить более двух миллионных до­лей секунды, даже в отсутствие какого-либо воздействия извне. Сво­бодный нейтрон (нейтрон, находя­щийся вне атомного ядра) живет в среднем 15 мин.

Лишь фотон, электрон, протон и нейтрино сохраняли бы свою неиз­менность, если бы каждая из них была одна в целом мире (нейтрино лишено электрического заряда и его масса покоя, по-видимому, рав­на нулю).

Но у электронов и протонов име­ются опаснейшие собратья - позит­роны и антипротоны, при столкно­вении с которыми происходит взаим­ное уничтожение этих частиц и об­разование новых.

Фотон, испущенный настольной лампой, живет не более 10~ 8 с. Это то время, которое ему нужно, чтобы достичь страницы книги и погло­титься бумагой. Лишь нейтрино почти бессмертны из-за того, что они чрезвычайно слабо взаимодействуют с другими частицами. Однако и нейтрино гиб­нут при столкновении с другими частицами, хотя такие столкновения случаются крайне редко.

Все элементарные частицы пре­вращаются друг в друга, и эти взаимные превращения - главный факт их существования.

Превращения элементарных час­тиц ученые наблюдали при столкно­вениях частиц высоких энергий.

Представления о неизменности элементарных частиц оказались не­состоятельными. Но идея об их неразложимости сохранилась.

Элементарные частицы уже да­лее неделимы, но они неисчерпаемы по своим свойствам.

Вот что заставляет так думать. Пусть у нас возникло естествен­ное желание исследовать, состоит ли, например, электрон из каких-либо других субэлементарных частиц. Что нужно сделать для того, чтобы попытаться расчленить электрон? Можно придумать только один спо­соб. Это тот же способ, к которому прибегает ребенок, если он хочет узнать, что находится внутри пласт­массовой игрушки, - сильный удар.

По современным представ­лениям элементарные частицы - это первичные, неразложимые далее частицы, из которых построена вся материя. Однако неделимость эле­ментарных частиц не означает, что у них отсутствует внутренняя струк­тура.

В 60-е гг. возникли сомнения в том, что все частицы, называемые сейчас эле­ментарными, полностью оправды­вают это название. Основание для сомнений простое: этих частиц очень много.

Открытие новой элементарной частицы всегда составляло и сей­час составляет выдающийся триумф науки. Но уже довольно давно к каждому очередному триумфу нача­ла примешиваться доля беспокой­ства. Триумфы стали следовать буквально друг за другом.

Была открыта группа так назы­ваемых “странных” частиц: К-ме- зонов и гиперонов с массами, пре­вышающими массу нуклонов. В 70-е гг. к ним прибавилась большая группа частиц с еще большими массами, названных “очарованны­ми”. Кроме того, были открыты короткоживущие частицы с време­нем жизни порядка 10~ 22 -10~ 23 с. Эти частицы были названы резонансами, и их число перевалило за двести.

Вот тогда-то (в 1964 г.) М. Гелл-Манноном и Дж. Цвейгом была предложена модель, согласно кото­рой все частицы, участвующие в сильных (ядерных) взаимодей­ствиях-адроны, построены из бо­лее фундаментальных (или пер­вичных) частиц - кварков.

Кварки имеют дробный электрический заряд. Протоны и нейтроны состоят из трех кварков.

В настоящее время в реально­сти кварков никто не сомневается, хотя в свободном состоянии они не обнаружены и, вероятно, не будут обнаружены никогда. Сущест­вование кварков доказывают опыты по рассеянию электронов очень высокой энергии на протонах и нейтронах. Число различных квар­ков равно шести. Кварки, насколько сейчас известно, лишены внутрен­ней структуры и в этом смысле могут считаться истинно элемен­тарными.

Легкие частицы, не участвующие в сильных взаимодействиях, называются лептонами. Их тоже шесть, как и кварков (электрон, три сор­та нейтрино и еще две частицы - мюон и тау-лептон с массами, зна­чительно большими массы элект­рона).

Существование двойника элек­трона - позитрона - было предска­зано теоретически английским фи­зиком П. Дираком в 1931 г. Одно­временно Дирак предсказал, что при встрече позитрона с электроном обе частицы должны исчезнуть, породив фотоны большой энергии. Может протекать и обратный про­цесс - рождение электронно-позитронной пары, например, при столк­новении фотона достаточно большой энергии (его масса должна быть больше суммы масс покоя рож­дающихся частиц) с ядром.

Спустя два года позитрон был обнаружен с помощью камеры Виль­сона, помещенной в магнитное поле. Направление искривления трека час­тицы указывало знак ее заряда. По радиусу кривизны и энергии частицы было определено отношение ее заряда к массе. Оно, оказалось, по модулю таким же, как и у электрона. На рисунке 190 вы ви­дите первую фотографию, доказав­шую существование позитрона. Час­тица двигалась снизу-вверх и, прой­дя свинцовую пластинку, потеряла часть своей энергии. Из-за этого кривизна траектории увеличилась.

Процесс рождения пары элек­трон - позитрон у-квантом в свин­цовой пластинке виден на фото­графии, приведенной на рисунке 191. В камере Вильсона, находящейся в магнитном поле, пара оставляет ха­рактерный след в виде двурогой вилки.

Исчезновение (аннигиляция) од­них частиц и появление других при реакциях между элементарными час

Энергия покоя - самый гран­диозный и концентрированный ре­зервуар энергии во Вселенной. И только при аннигиляции она пол­ностью высвобождается, превра­щаясь в другие виды энергии. По­этому антивещество - самый совер­шенный источник энергии, самое калорийное “горючее”. В состоянии ли будет человечество когда-либо это “горючее” использовать, трудно сейчас сказать.

любой частицы с соответствующей античастицей происходит их анни­гиляция. Обе частицы исчезают, превращаясь в кванты излучения или другие частицы.

Обнаружены сравнительно не­давно антипротон и - антинейтрон. Электрический заряд антипротона отрицателен. Сейчас хорошо извест­но, что рождение пар частица - античастица и их аннигиляция не составляют монополии электронов и позитронов.

Атомы, ядра которых состоят из антинуклонов, а оболочка - из по­зитронов, образуют антивещество. В 1969 г. в нашей стране был впер­вые получен антигелий.

Тема урока: «Этапы развития физики элементарных частиц». На уроке мы рассмотрим следующие вопросы:

История развития представлений о том, что мир состоит из элементарных частиц Что такое элементарные частицы? Каким способом можно получить обособленную элементарную частицу и возможно ли это? Типология частиц.

Наш урок будет проходить в основном в форме лекции и если по ходу лекции у вас ребята возникнут вопросы или дополнения, я буду рада выслушать их.

Представление о том, что мир состоит из фундаментальных частиц, имеет долгую историю. На сегодняшний день выделяют три этапа развития физики элементарных частиц.

Откроем учебник на стр. , пр. . Ознакомимся с названиями этапов и временными рамками.

Этап 1.

Элементарный, т. е. простейший, неделимый далее, так представлял себе атом известный древнегреческий ученый Демокрит. Напомню, что слово «атом» в переводе означает «неделимый». Впервые мысль о существовании мельчайших, невидимых частиц, из которых состоят все окружающие предметы, была высказана Демокритом за 400 лет до нашей эры. Наука начала использовать представление об атомах только в начале XIX века, когда на этой основе удалось объяснить целый ряд химических явлений. И в конце этого века было открыто сложное строение атома. В 1911 году было открыто атомное ядро (Э. Резерфорд) и окончательно было доказано, что атомы имеют сложное строение.

Вспомним ребята: какие частицы входят в состав атома и коротко охарактеризуем их?

Ребята, а может быть, кто-то помнит из вас: кем и в какие годы были открыты электрон, протон и нейтрон?

После открытия протона и нейтрона стало ясно, что ядра атомов, как и сами атомы, имеют сложное строение. Возникла протон-нейтронная теория строения ядер (Д. Д. Иваненко и В. Гейзенберг).

В 30-е годы XIX века в теории электролиза, развитой М. Фарадеем, появилось понятие - иона и было выполнено измерение элементарного заряда. Конец XIX века – помимо открытия электрона, ознаменовался открытием явления радиоактивности (А. Беккерель, 1896 г.). В 1905 году в физике возникло представление о квантах электромагнитного поля – фотонах (А. Эйнштейн).

Вспомним: что называется фотоном?

Открытые частицы считали неделимыми и неизменными первоначальными сущностями, основными кирпичиками мироздания.

Этап 2.

Однако такое мнение просуществовало не долго.

В 30 –е годы были обнаружены и исследованы взаимные превращения протонов и нейтронов, и стало ясно, что эти частицы также не являются неизменными элементарными «кирпичиками» природы.

В настоящее время известно около 400 субъядерных частиц (частицы из которых состоят атомы, которые принято называть элементарными. Подавляющее большинство этих частиц являются нестабильными, (элементарные частицы превращаются друг в друга).

Исключение составляют лишь фотон, электрон, протон и нейтрино.

Фотон, электрон, протон и нейтрино являются стабильными частицами (частицы, которые могут существовать в свободном состоянии неограниченное время), но каждая из них при взаимодействии с другими частицами может превращаться в другие частицы.

Все остальные частицы через определенные промежутки времени испытывают самопроизвольные превращения в другие частицы и это главный факт их существования.

Я упомянула об ещё одной частице – нейтрино. Каковы основные характеристики этой частицы? Кем и когда она была открыта?

Нестабильные элементарные частицы сильно отличаются друг от друга по временам жизни.

Наиболее долгоживущей частицей является нейтрон . Время жизни нейтрона порядка 15 мин .

Другие частицы «живут» гораздо меньшее время.

Существует несколько десятков частиц со временем жизни, превосходящим 10–17с. По масштабам микромира это значительное время. Такие частицы называют относительно стабильными .

Большинство короткоживущих элементарных частиц имеют времена жизни порядка 10–22–10–23с.

Способность к взаимным превращениям – это наиболее важное свойство всех элементарных частиц.

Элементарные частицы способны рождаться и уничтожаться (испускаться и поглощаться). Это относится также и к стабильным частицам с той только разницей, что превращения стабильных частиц происходят не самопроизвольно, а при взаимодействии с другими частицами.

Примером может служить аннигиляция (т. е. исчезновение) электрона и позитрона, сопровождающаяся рождением фотонов большой энергии.

Позитрон – (античастица электрона) положительно заряженная частица, имеющая ту же массу и тот же (по модулю) заряд, что и электрон. О её характеристиках более подробно поговорим на следующем уроке. Скажем только лишь, что существование позитрона было предсказано П. Дираком в 1928 году, а открыл его в 1932 г. в космических лучах К. Андерсон.

В 1937 году в космических лучах были обнаружены частицы с массой в 207 электронных масс, названные мюонами (μ-мезонами). Среднее время жизни μ-мезона равно

Затем в 1947–1950 годах были открыты пионы (т. е. π-мезоны. Среднее время жизни нейтрального π-мезона – 0,87·10–16 с.

В последующие годы число вновь открываемых частиц стало быстро расти. Этому способствовали исследования космических лучей, развитие ускорительной техники и изучение ядерных реакций.

Современные ускорители необходимы для осуществления процесса рождения новых частиц и изучения свойств элементарных частиц. Исходные частицы разгоняются в ускорителе до высоких энергий «на встречных курсах» и в определенном месте сталкиваются друг с другом. Если энергия частиц велика, то в процессе столкновения рождается множество новых частиц, обычно нестабильных. Эти частицы, разлетаясь из точки столкновения, распадаются на более устойчивые частицы, которые и регистрируются детекторами. Для каждого такого акта столкновения (физики говорят: для каждого события) - а они регистрируются тысячами в секунду! -экспериментаторы в результате определяют кинематические переменные: значения импульсов и энергий «пойманных» частиц, а также их траектории (см. рис. в учебнике или приложение № 1). Набрав много событий одного типа и изучив распределения этих кинематических величин, физики восстанавливают то, как протекало взаимодействие и к какому типу частиц можно отнести полученные частицы.

Этап 3.

Элементарные частицы объединяются в три группы: фотоны, лептоны и адроны (приложение № 2 – таблица).

Ребята перечислите мне частицы, относящиеся к различным группам.

Следующая группа состоит из легких частиц лептонов.

К лептонам относятся еще ряд частиц, не указанных в таблице.

Третью большую группу составляют тяжелые частицы, называемые адронами. Эта группа делится на две подгруппы. Более легкие частицы составляют подгруппу мезонов.

Вторая подгруппа – барионы – включает более тяжелые частицы. Она является наиболее обширной.

За ними следуют так называемые гипероны. Замыкает таблицу омега-минус-гиперон, открытый в 1964 г.

Обилие открытых и вновь открываемых адронов навела ученых на мысль, что все они построены из каких-то других более фундаментальных частиц.

В 1964 г. американским физиком М. Гелл-Маном была выдвинута гипотеза, подтвержденная последующими исследованиями, что все тяжелые фундаментальные частицы – адроны – построены из более фундаментальных частиц, названных кварками.

Со структурной точки зрения элементарные частицы, из которых состоят атомные ядра (нуклоны ), и вообще все тяжелые частицы - адроны (барионы и мезоны ) - состоят из еще более простых частиц, которые принято называть фундаментальными. В этой роли по-настоящему фундаментальных первичных элементов материи выступают кварки , электрический заряд которых равен +2/3 или –1/3 единичного положительного заряда протона.

Самые распространенные и легкие кварки называют верхним и нижним и обозначают, соответственно, u (от английского up ) и d (down ). Иногда их же называют протонным и нейтронным кварком по причине того, что протон состоит из комбинации uud , а нейтрон - udd. Верхний кварк имеет заряд +2/3; нижний - отрицательный заряд –1/3. Поскольку протон состоит из двух верхних и одного нижнего, а нейтрон - из одного верхнего и двух нижних кварков, вы можете самостоятельно убедиться, что суммарный заряд протона и нейтрона получается строго равным 1 и 0.

Две другие пары кварков входят в состав более экзотических частиц. Кварки из второй пары называют очарованным - c (от charmed ) и странным - s (от strange ).

Третью пару составляют истинный - t (от truth , или в англ. традиции top ) и красивый - b (от beauty , или в англ. традиции bottom ) кварки.

Практически все частицы, состоящие из различных комбинаций кварков, уже открыты экспериментально

С принятием гипотезы кварков удалось создать стройную систему элементарных частиц. Многочисленные поиски кварков в свободном состоянии, производившиеся на ускорителях высоких энергий и в космических лучах, оказались безуспешными. Ученые считают, что одной из причин не наблюдаемости свободных кварков являются, возможно, их очень большие массы. Это препятствует рождению кварков при тех энергиях, которые достигаются на современных ускорителях.

Эксперимент по выделению свободных кварков зарождался около 10 лет назад, и в следующем году его запустят. Сейчас уже приготавливаются элементы самой большой экспериментальной установки в мире - это Большой адронный коллайдер в Швейцарии.

И вот этот эксперимент, который в следующем году запустится, даст ответ на многие вопросы и, фактически, подтолкнет физику к развитию дальше.

Можно ли путешествовать во времени? Не мысленно, как это делают писатели-фантасты, а по-настоящему — с помощью определенных технических средств? Или, по крайней мере, построить «хроноскоп», который позволял бы рассматривать детали прошлого подобно тому, как микроскоп позволяет разглядывать мелкие детали в пространстве? Теория относительности научила нас, как ускорять или замедлять время. Теперь, казалось бы, остался один шаг — научиться его поворачивать. Что мешает этому? Только лишь наше неуменье, недостаток знаний или же какие-то фундаментальные законы? Физика XX века уже приучила нас к мысли, что многое из считавшегося ранее принципиально недопустимым может происходить в каких-то особых, специфических условиях. Действительно, формулы теоретической физики подсказывают, что если бы удалось создать генератор лучей, обгоняющих свет, мы смогли бы высвечивать цепочки событий в обратном направлении — от настоящего в прошлое, а опыты на ускорителях элементарных частиц обнаружили явления, где противопоставление прошлого и будущего приводит к неоднозначности. Может, все же удастся создать «машину времени» и «хроноскоп» хотя бы в микромире? Поиском ответов на эти вопросы заняты многие физические лаборатории. В статье рассказывается о проблемах и трудностях, лежащих на этом пути, говорится о теоретических и экспериментальных исследованиях движений со сверхсветовой скоростью.

Скорость и время
В старой, ньютоновской физике время абсолютно — показания часов не зависят ни от скорости их движения, ни от каких-либо других причин. Часы на башне собора и в движущемся дилижансе всегда показывают одно и тo же время. Иначе ведет себя время в современной физике быстро движущихся тел. Стрелки перемещающихся часов идут медленнее неподвижных, их отставание будет тем заметнее, чем больше скорость движения.
Правда, даже для космических кораблей, пересекающих сегодня просторы космоса, отставание времени еще очень мало и станет ощутимым, когда их скорости возрастут по крайней мере в. несколько сот раз. Но вот в мире элементарных частиц эффект замедления времени весьма заметен. Например, время жизни покоящегося мю-мезона — около миллионной доли секунды, ничтожный миг; далее мю-мезон распадается на более легкие частицы. Однако быстрый мю-мезон, рожденный космической частицей в высотных слоях атмосферы, становится долгожителем. Он живет так долго, что успевает пройти сквозь всю толщу воздуха и распадается лишь глубоко под землей. Пользуясь эффектом замедления времени, физики транспортируют пучки ускоренных коротко-живущих частиц на большие расстояния. Подобное оборудование имеется во многих физических лабораториях.
Если движется не только наблюдаемое тело, но и сам наблюдатель, то его скорость тоже влияет на длительность происходящих с телом событий. Например, длительность события будет различной в зависимости от того, наблюдают его с космодрома или с борта стремительно летящей ракеты. Однако порядок событий, то есть какое из них произошло раньше, а какое позднее, во всех случаях остается неизменным. Выбором системы координат — движущейся или неподвижной — можно сократить или, наоборот, растянуть продолжительность события, но направление времени изменить нельзя.
Для объяснения наблюдаемой в опытах зависимости времени (и размеров тел) от скорости движения в начале нашего века была создана новая наука — теория относительности, само название которой говорит об относительности определения физических величин. Эта теория прекрасно согласуется с экспериментом и является фундаментом современной физики.
Хотя теория относительности создана на основе «досветовых явлений», протекающих со скоростями меньшими или равными скорости света, в её формулах нет никаких условий или ограничений, запрещающих их применение в «засветовой области» — при сверхсветовых скоростях. И вот тут обнаружилась замечательная особенность этих формул. Они приводят к заключению, что в процессах с участием «сверхсветовых тел» от скорости зависит не только длительность, но и сам временной порядок событий! Пилот одной ракеты скажет, что событие А произошло раньше события Б, а пилот второй ракеты, движущейся с иной скоростью, увидит их в обратном порядке. Время для этих наблюдателей будет идти в противоположных направлениях. То, что для одного — прошлое, для другого — будущее. Это похоже на то, как если бы в кино прокрутили пленку в обратном направлении. И нельзя сказать, какое направление времени истинное, как нельзя установить, какая сторона является правой, а какая — левой. Для меня это — правая, а для стоящего лицом ко мне человека — левая. И мы оба правы — относительность!
Временная динамика сверхсветовых явлений разительно отличается от того, к чему мы привыкли в «досветовом мире». В процессах, протекающих быстрее света, подходящим выбором системы координат можно обратить время вспять. Получается, что сверхсветовые частицы — это объекты, свободно путешествующие во времени. Давняя мечта фантастов!
Но вот существуют ли в природе такие частицы? Как и где следует их искать? И вообще, не приводит ли предположение о сверхсветовых скоростях к противоречию с другими положениями современной физической теории, ведь не все же гипотезы физиков реализуются в природе... С другой стороны, если сверхсветовых скоростей нет, то это, в свою очередь, потребует объяснения: может быть, за этим кроется какой-то новый физический закон?

Факты и предположения
Недавно мне попал в руки научно-фантастический роман С. Снегова «Люди как боги». Там звездолеты летают с любыми скоростями в пять, десять, сто раз быстрее света! Среди созвездий они ведут себя, как грузовик на узкой улице: развернулся в созвездии Персея, задним ходом углубился в соседнее шаровое скопление, оттуда устремился в созвездие Плеяд... Феерическая картина! А собственно, почему это невозможно?
Правда, в любом учебнике физики можно найти утверждение, что в природе существует некоторая максимальная скорость. Это скорость света в вакууме. Считается, что ни одно тело не может двигаться быстрее. Однако это всего лишь постулат, теоретическая гипотеза. То, что в эксперименте еще никогда не встречались сверхсветовые скорости, нельзя рассматривать как их стопроцентный запрет. Не встречались при одних условиях, могут встретиться при других. Пока не найдены законы, которые это исключают, вопрос остается открытым.
Большинство физиков сегодня склоняется к мнению, что сверхсветовых скоростей в природе нет, тем не менее вопрос продолжает беспокоить. В журналах нет-нет да и снова вспыхивает дискуссия о сверхсветовых явлениях. Мой аспирант составил список статей по этой проблеме, их оказалось более полутора тысяч! И основная часть появилась в журналах в последние десять—пятнадцать лет.
Действительно, что ограничивает скорость движения? Ведь скорость света, мгновенная по сравнению со скоростями, с которыми нам приходится иметь дело в нашей повседневной жизни, оказывается весьма скромной при переходе к космическим масштабам. Даже с аппаратами, исследующими ближайшие к нам планеты Солнечной системы, обмен сигналами происходит уже с весьма заметным запаздыванием. Неужели нельзя передвигаться и передавать информацию быстрее?
Чтобы разобраться в этих сложных вопросах, познакомимся сначала со свойствами, которыми должны обладать сверхсветовые частицы и состоящие из них тела. Это поможет выявить трудности, к которым приводит гипотеза сверхсветовых движений.

Зазеркалье скоростей
Частицы, движущиеся со скоростями, большими скорости света, принято называть тахионами — от греческого слова «тахис», что означает «быстрый», «стремительный». Досконально изучить их свойства можно будет после того, как такие частицы откроют на опыте. Однако некоторые их особенности можно предсказать теоретически на основе уже известных физических законов. Один из них — взаимосвязь массы и скорости частицы.
При обычных условиях эта взаимосвязь чрезвычайно слабая, и мы ее просто не замечаем. Однако если скорость тела становится сравнимой по своей величине со скоростью света, масса тела начинает возрастать, и дальнейшее увеличение скорости требует затрат все большей и большей энергии. Это явление называют световым барьером. Приближаться к нему так же трудно, как трудно подниматься на крутую гору путнику, имеющему за плечами рюкзак, тяжелеющий с каждым метром подъема. Чтобы достичь скорости света, разгоняя какие-либо частицы, например легкие электроны, пришлось бы затратить бесконечное количество энергии.
Казалось бы, это исключает всякие надежды на открытие сверхсветового вещества. Долгое время так и считали. Однако если посмотреть внимательнее, то можно заметить, что на самом деле отсюда вытекает лишь невозможность превращения обычных, досветовых частиц в тахионы путем непрерывного увеличения скорости. Но возможен взгляд и с другой стороны. Подобно тому как нейтрино и фотоны уже при самом их рождении обладают световой скоростью, тахионы должны иметь сверхсветовую скорость с самого момента их появления. Это означает, что тахионы — частицы совершенно нового типа. Они никогда не переходят через световой барьер на нашу, досветовую сторону. Они рождаются, живут и исчезают, всегда обладая скоростью, большей скорости света. Впервые на это обстоятельство лет двадцать назад обратил внимание советский физик Я. П. Терлецкий. Это поставило проблему. тахионов на твердую почву. После этого, собственно, и началось серьезное изучение их свойств.
Заметьте, обычные частицы приближаются к световому барьеру, когда их скорость возрастает, а тахионы, наоборот,— при уменьшении скорости. Если на классной доске провести мелом вертикальную линию и считать, что это — световой барьер, то слева будет область досветовых частиц, справа — область тахионов. На самом барьере масса и энергия очень велики, при удалении от него вправо или влево они уменьшаются. Световой барьер напоминает энергетическую горку со спусками в сторону меньших и больших скоростей. Теряя энергию, обычная частица замедляется, а тахион, напротив, ускоряется! Шарик из тахионного вещества, скатываясь с горки, теряет скорость — тормозится, падающее сверху тахионное яблоко будет замедляться. Зато сверхсветовая пуля под действием сопротивления воздуха должна, как это ни удивительно... разгоняться! По сравнению с обычными частицами кинематические свойства сверхсветовых частиц оказываются буквально вывернутыми наизнанку!
Мир тахионов — своеобразный антимир скоростей, своего рода Зазеркалье. Зазеркалье скоростей.
Однако этим дело не кончается. У сверхсветовых частиц есть еще несколько удивительных особенностей.

Скорость из ничего, частицы-призраки и другие чудеса сверхсветового мира
Знаменитый,враль барон Мюнхаузен однажды сам себя вытащил из болота, за волосы. Так сказать, приобрел скорость из ничего, без всякой внешней силы — с точки зрения физики, явление абсолютно невозможное. Но тахионы, по-видимому, умеют это делать. Они способны самоускоряться. Например, если электрон движется в среде со скоростью, большей так называемой фазовой скорости света (она равна скорости света в вакууме, деленной на показатель преломления среды), то в этой среде возникает специфическое электромагнитное излучение, называемое во всем мире черенковским — по имени открывшего его советского физика П. А. Черенкова. Тахионы, по-видимому, должны вызывать черенковское излучение даже в вакууме, поскольку их скорость всегда больше скорости света. Это излучение уменьшает энергию тахиона и, следовательно, увеличивает его скорость. Иначе говоря, тахион самоускоряется — сам по себе, без всякой внешней силы, разгоняется в пустом пространстве.
Ускоряться за счет потери энергии! Опять все не так, «как у людей»!
Правда, не все физики согласны с этим выводом. Некоторые из них приводят соображения в пользу того, что тахионы все же не должны излучать в вакууме. Пока не ясно, кто прав. Рассудить, наверное, сможет лишь эксперимент. Предпринимавшиеся до сих пор поиски черенковского излучения тахионов не увенчались успехом. Никаких излучений в вакууме не обнаружено. Впрочем, не ясно, были ли вообще там тахионы. Опыт ставился так, что если бы удалось заметить излучение, тогда можно было бы с уверенностью говорить о сверхсветовых частицах, излучение служило бы сигналом их присутствия. Если же излучения нет, то вывод неоднозначен: либо тахионы не излучают, либо их вообще не было в данном опыте. Так что окончательный ответ еще впереди.
Как уже говорилось выше, время жизни нестабильной частицы возрастает при увеличении ее скорости. А вот пространственные размеры, ее длина в направлении движения при этом уменьшается — частица сжимается, становится похожей на лепешку. Конечно, как и замедление времени, этот эффект становится заметным только при очень больших скоростях. Так, летящий скоростной самолет, по сравнению с его длиной на аэродроме, сжимается на величину приблизительно в сотню тысяч раз меньшую толщины человеческого волоса. Ракета, выводящая на орбиту спутник, сокращается в своей длине примерно на один микрон. Другое дело, если бы она двигалась со скоростью, равной половине скорости света или чуть больше. Тогда изменение ее размеров составляло бы уже около десятка метров.
Нельзя не признать, что с позиций обыденного опыта увеличение времени жизни и сокращение длин движущихся предметов выглядят весьма непривычно. Но еще удивительнее ведут себя сверхсветовые тела. Формулы теории относительности предсказывают, что продольные размеры разгоняющегося тахиона растут,— по отношению к неподвижному наблюдателю сверхсветовая частица как бы распухает вдоль оси своего движения, а течение времени по неподвижным часам резко убыстряется. В пределе, при бесконечно большой скорости, тахион вытягивается по всей бесконечно длинной траектории. Его масса| и энергия при этом становятся равными нулю. Опять все наоборот по сравнению с обычными частицами!
Отдав всю энергию, тахион становится безынерционной струей материи, распределенной сразу вдоль всей своей траектории. Можно сказать и по-другому: тахион с бесконечной скоростью находится сразу во всех точках своей траектории и проскакивает ее мгновенно. А это означает, что тахион существует только в один-единственный момент, а в остальное время его нельзя обнаружить ни в одной точке пространства. И может случиться так, что, начав двигаться, находящийся в абсолютно пустом пространстве наблюдатель вдруг обнаружит, что пространство вокруг него заполнено тахионами. Число частиц оказывается зависящим от скорости наблюдателя. Изменяя скорость ракеты, космонавт каждый раз будет видеть вокруг себя различную плотность материи. Тахионы, как призраки в старом английском замке, то исчезают, то вдруг вновь появляются будто из ничего. Согласитесь, эффект более удивительный, чем «простая» зависимость длины предметов от скорости!
Самоускорение, распухание, размазывание по всей траектории — это действительно очень непривычные и странные свойства. Однако «странно»— не значит «нельзя». К необычным явлениям и свойствам можно привыкнуть. Важно, что сами по себе они не противоречат фундаментальным законам природы.
Значительно более серьезные трудности связаны с беспричинными сверхсветовыми процессами. Оказывается, и такие возможны для тахионов!

Проблема причинности
Первоначально физикам казалось, что вопиющим противоречием является уже сам факт изменения временного порядка в процессах с тахионами. Ведь если, например, один наблюдатель зафиксировал, что тахион испущен атомом урана и поглощен атомом серы, то другой наблюдатель может увидеть, что атом серы поглощает тахион, который еще только будет испущен ураном. Явная бессмыслица!
Выход нашел работающий ныне в США пакистанский физик Сударшан. Он учел, что любому процессу с элементарными частицами всегда соответствует обратный, в котором частицы заменены на античастицы. Такая симметрия хорошо проверена на опыте. С формальной точки зрения прямой и обратный процессы можно объединить вместе, если античастицы рассматривать как частицы, движущиеся обратно по времени. А раз так, то допустимо считать, что второй наблюдатель увидит процесс, в котором атом серы испускает антитахион, а атом урана его поглощает. И никакого противоречия нет.
Тем не менее если судить «по большому счету», то противоречия все же остаются. Дело в том, что ни один сверхсветовой процесс нельзя изолировать от окружающей «досветовой» обстановки. Это можно сделать лишь в теории, а в реальном мире всякое явление бесконечным числом связей скреплено с окружающими телами. Полностью отгородиться от них невозможно. Так устроен мир. Неисчерпаемость свойств и взаимосвязей — одна из основных его характеристик. Поэтому изменение направления времени в сверхсветовом процессе неизбежно приходит в противоречие со «стрелой времени», определяемой движением досветовых тел и происходящими с ними событиями. При этом возникают похожие на чудо ситуации, в которых нарушена причинная связь событий. Следствие может опередить вызывающую его причину!
Допустим, например, что охотник тахионной пулей поражает сидящую на столбе ворону. Космонавт же в иллюминатор пролетающей мимо ракеты увидит, что по какой-то непонятной причине из вороны вылетела тахионная пуля, которая была поймана ружьем охотника. А главное, тот каким-то образом заранее точно знал, в какую сторону и под каким углом ему следует направить ствол ружья, чтобы поймать шарик тахионного вещества! Космонавту все это покажется подлинным чудом.
Как избавиться от нарушений причинности в процессах с тахионами — остается неясным. Недавно итальянским физикам удалось показать, что нарушение причинности всегда сопровождается нарушением законов сохранения энергии и импульса. Другими словами, если требовать точного выполнения этих законов, то нарушающие причинность взаимодействия просто не должны осуществляться, и физическое тело по отношению к тахионам будет вести себя как абсолютно прозрачное. К сожалению, это не устраняет всех противоречий. Итальянские ученые предполагали, что тахион взаимодействует сразу со всем телом. Однако если невозможно взаимодействие тахиона с телом как целым, то может произойти взаимодействие с его частью или наоборот, и трудность с причинностью остается.
Результат итальянских физиков можно считать теоретическим доказательством того, что в больших, макроскопических областях пространства и времени тахионов нет, так как иначе нарушалась бы не только причинность, но и законы сохранения энергии-импульса. И тахионы, если они все же существуют в природе, по-видимому, не могут выходить за пределы ультрамалых пространственно-временных областей, где нельзя установить строгой временной последовательности событий. Зависимость временного порядка от системы координат в этом случае, уже не будет нарушать причинность. Опыты с распадами элементарных частиц действительно указывают, что в субмикроскопических областях, меньших 10~17 сантиметра и 10~27 секунды, противопоставление прошлого и будущего становится весьма неопределенным или же имеет смысл, весьма далекий от того, к чему мы привыкли в нашем микромире.
При этом, конечно, возникает вопрос — что же удерживает тахионы в ультрамалых областях, не дает им разлетаться? Тахионы останутся там запертыми, если, например, они — короткоживущие частицы и обладают способностью самоускоряться. Их время жизни уменьшается с увеличением скорости, поэтому, самоускоряясь, они будут распадаться почти сразу же вблизи точки своего рождения. Могут быть и другие причины «пленения» сверхсветового вещества — природа неистощима на выдумки.
Как бы там ни было, в настоящее время нет никаких — ни философских, ни «чисто физических»— запретов участию тахионов в явлениях микромира и, соответственно, обращению там направления времени. А вот существуют ли они на самом деле, такие удивительные объекты и явления,— здесь слово за экспериментом.

Поиски сверхсветовых эффектов
Понятно, что обнаружить тахионы можно лишь по следам, которые они оставляют в окружающем веществе. Но могут ли вообще частицы со столь необычными свойствами взаимодействовать с обычным, досветовым веществом наших приборов? Некоторые ученые считают, что не могут. Если это так, то тахионы — ненаблюдаемые объекты, а досветовой и сверхсветовой миры оторваны один от другого — у них просто нет точек соприкосновения. Трудно, однако, думать, что в природе, где все взаимосвязано и взаимообусловлено, могут существовать материальные тела, которые ничем себя не проявляют и принципиально не наблюдаемы. Если же между тахионами и досветовым веществом есть взаимодействие, то тахионы должны рождаться при столкновениях досветовых частиц, и можно попытаться зафиксировать их с помощью имеющихся в нашем распоряжении средств.
Таких опытов выполнено уже немало. В ряде случаев отмечались эффекты, которые в принципе можно было бы приписать сверхсветовым частицам. Однако всегда удавалось найти и более привычные объяснения. Например, английские физики изучали распространение ливней вторичных частиц, образуемых в земной атмосфере высокоэнергетическими частицами космического излучения. Во многих ливнях детекторы зафиксировали сигналы, значительно опережающие приход лавины частиц. Этот результат можно объяснить, допустив, что в ливне присутствуют частицы со скоростями намного большими, чем у остальных. А поскольку скорость большинства частиц в ливне близка к скорости света, это, казалось бы, подтверждает присутствие тахионов. К сожалению, более детальный анализ показал, что, сделав некоторые дополнительные предположения, не выходящие за рамки известной досветовой физики, опережающие сигналы детектора можно объяснить причинами технического характера — как неточные, ложные выбросы.
Особенно часто сверхсветовые аномалии возникают в астрономических наблюдениях, где детали движения изучаемых объектов бывают плохо известны. Так, недавно в печати сообщалось о наблюдении астрофизиками Массачусетсского технологического института в США сверхсветовых выбросов из квазаров — излучающих огромную энергию космических объектов на краю видимой нами части Вселенной. Из сравнения двух фотографий, сделанных с интервалом примерно в один год, получен вывод, что выбросы удаляются от квазаров со скоростью, в несколько раз превосходящей световую. Тем не менее последующий анализ обнаружил такие особенности процессов, которые устранили противоречия с «досветовой физикой». Сверхсветовой эффект оказался иллюзией.
Интересный опыт по поиску тахионов в микропроцессах выполнили американские физики. Они допустили, что тахионы взаимодействуют с протонами, мезонами и другими ядерными частицами, но время их жизни чрезвычайно мало. Поэтому следы их рождения можно заметить лишь по специфическим искажениям распределений других частиц по импульсам и углам вылета. При тщательной обработке экспериментальных данных действительно обнаружены некоторые аномалии в распределениях вторичных частиц, рождающихся в реакциях. Эти данные хорошо объяснялись, если предположить, что сталкивающиеся досветовые частицы в ходе реакции обмениваются тахионами с массой, несколько превышающей массу протона, и временем жизни около 10^24 секунды. Однако и в этом случае однозначный вывод о рождении тахионов сделать нельзя — результаты наблюдений можно объяснить и с помощью известных теорий. По мнению выполнявших эксперимент физиков, такое объяснение более сложно, но... срабатывает знаменитая «бритва Оккама»— принцип «не вводить сущностей сверх необходимого». Были выполнены и другие эксперименты. Ни один из них яе дал убедительных доказательств существования в природе сверхсветовых явлений. Но они не доказали и обратного, поскольку во всех опытах есть особенности, которыми можно, хотя бы отчасти, объяснить их неудачу.

Каков же вывод?
Мы видим, что невозможность изменить направление времени уходит своими корнями в самые фундаментальные свойства материального мира,— неисчерпаемость его внутренних взаимосвязей и их причинную обусловленность. В конечном счете, именно эти свойства запрещают путешествия в машине времени, о которых так часто рассказывается в научно-фантастических романах. Наблюдать изменение порядка событий в зависимости от скорости регистрирующих приборов, возможно, удастся лишь внутри субмикроскопических пространственно-временных инвервалов.
Что же касается сверхсветовых скоростей, то здесь дело сложнее,— вообще говоря, они могут быть и в области макроскопических явлений. Не следует забывать, что вывод об их связи с обращением времени получен на основе формул теории относительности, которые могут оказаться несправедливыми вблизи светового барьера, где концентрация энергии возрастает «почти до бесконечности». Абсолютный нуль и бесконечность всегда были источниками новых открытий. В окрестностях светового барьера, возможно, потребуется обобщение теории, тогда условия причинности для сверхсветовых частиц могут стать совсем иными и не будут приводить к противоречиям. Хотя такая возможность сегодня кажется маловероятной, но все же... Вешая знак «кирпич» на дорогах физики, следует быть осторожным. Наука не раз демонстрировала нам, как переход в область новых явлений открывает процессы, казавшиеся ранее совершенно недопустимыми.

Презентация на тему "Элементарные частицы" по физике в формате powerpoint. В данной презентации для школьников 11 класса объясняется физика элементарных частиц и систематизируются знания по теме. Цель работы - развить абстрактное, экологическое и научное мышления учащихся на основе представлений об элементарных частицах и их взаимодействиях. Автор презентации: Попова И.А., учитель физики.

Фрагменты из презентации

Сколько элементов в таблице Менделеева?

• Всего лишь 92.
• Как? Там больше?
• Верно, но все остальные - искусственно полученные, они в природе не встречаются.
• Итак - 92 атома. Из них тоже можно составить молекулы, т.е. вещества!
• Но то, что все вещества состоят из атомов, утверждал еще Демокрит (400 лет до нашей эры).
• Он был большим путешественником, и его любимым изречением было:
• "Не существует ничего, кроме атомов и чистого пространства, все остальное - воззрение"

Хронология физики частиц

• Перед физиками - теоретиками встала труднейшая задача упорядочить весь обнаруженный "зоопарк" частиц и попытаться свести число фундаментальных частиц к минимуму, доказав, что другие частицы состоят из фундаментальных частиц
• Все эти частицы были нестабильными, т.е. распадались на частицы с меньшими массами, в конечном счете превращаясь в стабильные протон, электрон, фотон и нейтрино (и их античастицы).
• Третий эта. М. Гелл-Манн и независимо Дж. Цвейг Предложили модель строения сильно взаимодействующих частиц из фундаментальных частиц - кварков
• Эта модель к настоящему времени превратилась в стройную теорию всех известных типов взаимодействий частиц.

Как обнаружить элементарную частицу?

Обычно изучают и анализируют следы (траектории или треки), оставленные частицами, по фотографиям

Классификация элементарных частиц

Все частицы делятся на два класса:

• Фермионы, которые составляют вещество;
• Бозоны, через которые осуществляется взаимодействие.

Кварки

• Кварки участвуют в сильных взаимодействиях, а также в слабых и в электромагнитных.
• Гелл-Манн и Георг Цвейг предложили кварковую модель в 1964 г.
• Принцип Паули: в одной системе взаимосвязанных частиц никогда не существует хотя бы две частицы с тождественными параметрами, если эти частицы обладают полуцелым спином.

Что такое спин?

• Спин демонстрирует, что существует пространство состояний, никак не связанное с перемещением частицы в обычном пространстве;
• Спин (от англ. to spin - крутиться) часто сравнивают с угловым моментом «быстро вращающегося волчка» - это неверно!
• Спин является внутренней квантовой характеристикой частицы, которая не имеет аналога в классической механике;
• Спин (от англ. spin — вертеть[-ся], вращение) — собственный момент импульса элементарных частиц, имеющий квантовую природу и не связанный с перемещением частицы как целого

Четыре вида физических взаимодействий

• гравитационные,
• электромагнитные,
• слабые,
• сильные.

• Слабое взаимодействие - меняет внутреннюю природу частиц.
• Сильные взаимодействия - обусловливают различные ядерные реакции, а также возникновение сил, связывающих нейтроны и протоны в ядрах.

Свойства кварков

• Кварки имеют свойство, называемое цветовой заряд.
• Существуют три вида цветового заряда, условно обозначаемые как
• синий,
• зелёный
• Красный.
• Каждый цвет имеет дополнение в виде своего антицвета —антисиний, антизелёный и антикрасный.
• В отличие от кварков, антикварки обладают не цветом, а антицветом, то есть противоположным цветовым зарядом.

Свойства кварков: масса

• У кварков имеется два основных типа масс, несовпадающих по величине:
• масса токового кварка, оцениваемая в процессах со значительной передачей квадрата 4-импульса, и
• структурная масса (блоковая, конституэнтная масса); включает в себя ещё массу глюонного поля вокруг кварка и оценивается из массы адронов и их кваркового состава.

Свойства кварков: аромат

• Каждый аромат (вид) кварка характеризуется такими квантовыми числами, как
• изоспин Iz,
• странность S,
• очарование C,
• прелесть (боттомность, красота) B′,
• истинность (топность) T.

Задачи

• Какая энергия выделяется при аннигиляции электрона и позитрона?
• Какая энергия выделяется при аннигиляции протона и антипротона?
• При каких ядерных процессах возникает нейтрино?
  • А. При α - распаде.
  • Б. При β - распаде.
  • В. При излучении γ - квантов.
• При каких ядерных процессах возникает антинейтрино?
  • А. При α - распаде.
  • Б. При β - распаде.
  • В. При излучении γ - квантов.
  • Г. При любых ядерных превращениях
• Протон состоит из...
  • А. . . .нейтрона, позитрона и нейтрино.
  • Б. . . .мезонов.
  • В. . . .кварков.
  • Г. Протон не имеет составных частей.
• Нейтрон состоит из...
  • А. . . .протона, электрона и нейтрино.
  • Б. . . .мезонов.
  • В. . . . кварков.
  • Г. Нейтрон не имеет составных частей.
• Что было доказано опытами Дэвиссона и Джермера?
  • А. Квантовый характер поглощения энергии атомами.
  • Б. Квантовый характер излучения энергии атомами.
  • В. Волновые свойства света.
  • Г. Волновые свойства электронов.
• Какая из приведенных формул определяет длину волны де-Бройля для электрона (m и v — масса и скорость электрона)?

Тест

• Какие физические системы образуются из элементарных частиц в результате электромагнитного взаимодействия? А. Электроны, протоны. Б. Ядра атомов. В. Атомы, молекулы вещества и античастицы.
• С точки зрения взаимодействия все частицы делятся на три типа: А. Мезоны, фотоны и лептоны. Б. Фотоны, лептоны и барионы. В. Фотоны, лептоны и адроны.
• Что является главным фактором существования элементарных частиц? А. Взаимное превращение. Б. Стабильность. В. Взаимодействие частиц друг с другом.
• Какие взаимодействия определяют устойчивость ядер в атомах? А. Гравитационные. Б. Электромагнитные. В. Ядерные. Г. Слабые.
• Существуют ли в природе неизменные частицы? А. Существуют. Б. Не существуют.
• Реальность превращения вещества в электромагнитное поле: А. Подтверждается на опыте аннигиляции электрона и позитрона. Б. Подтверждается на опыте аннигиляции электрона и протона.
• Реакция превращения вещества в поле: А. е + 2γ→е+ Б. е + 2γ→е- В. е+ +е- =2γ.
• Какое взаимодействие ответственно за превращение элементарных частиц друг в друга? А. Сильное взаимодействие. Б. Гравитационное. В. Слабое взаимодействие Г. Сильное, слабое, электромагнитное.

Cлайд 2

Cлайд 3

Cлайд 4

Cлайд 5