Войти
A Трубка Крукса с магнитным дефлектором Идея, что материя состоит из меньшего частиц и то, что существует ограниченное количество видов первичных, мельчайших частиц в природе, существовало в естественной философии по крайней мере с 6 века до нашей эры. Такие идеи приобрели физическое доверие в начале XIX века, но понятие «элементарная частица» претерпело некоторые изменения в своем значении : в частности, современная физика больше не считает элементарные частицы неразрушимыми. Даже элементарные частицы могут распадаться или разрушительно сталкиваться ; они могут перестать существовать и в результате создать (другие) частицы.
Были обнаружены и исследованы все более мелкие частицы: они включают молекулы, которые состоят из атомов, которые, в свою очередь, состоят из субатомных частиц, а именно атомные ядра и электроны. Было обнаружено еще много типов субатомных частиц. В конечном итоге было обнаружено, что большинство таких частиц (но не электронов) состоит из еще более мелких частиц, таких как кварки. Физика элементарных частиц изучает эти мельчайшие частицы и их поведение при высоких энергиях, тогда как ядерная физика изучает атомные ядра и их (непосредственные) составляющие: протоны и нейтроны.
Идея о том, что вся материя состоит из элементарных частиц, восходит как минимум к 6 веку до нашей эры. Джайны в древней Индии были первыми, кто отстаивал особую природу материальных объектов между 9 и 5 веками до нашей эры. Согласно джайнским лидерам, таким как Паршванатха и Махавира, аджива (неживая часть вселенной) состоит из материи или пудгалы определенной или неопределенной формы, которая создается до крошечных бесчисленных и невидимых частиц, называемых перманю. Permanu занимает точку пространства, и каждое permanu имеет определенный цвет, запах, вкус и текстуру. Бесконечные разновидности перману объединяются и образуют пудгалу. Философская доктрина атомизма и природа элементарных частиц также изучались древнегреческими философами, такими как Левкипп, Демокрит и Эпикур ; древние индийские философы, такие как Канада, Дигнага и Дхармакирти ; Мусульманские ученые, такие как Ибн аль-Хайтам, Ибн Сина и Мохаммад аль-Газали ; и в ранней современной Европе физиками, такими как Пьер Гассенди, Роберт Бойль и Исаак Ньютон. Теория частиц света была также предложена Ибн аль-Хайсамом, Ибн Синой, Гассенди и Ньютоном.
Эти ранние идеи были основаны на абстрактных, философских рассуждениях, а не на экспериментах и эмпирических наблюдениях, и представляли собой только одно ход мысли среди многих. Напротив, некоторые идеи Готфрида Вильгельма Лейбница (см. Монадология ) противоречат почти всему, что известно в современной физике.
В 19 веке Джон Далтон в своей работе по стехиометрии пришел к выводу, что каждый химический элемент состоит из одного уникального типа частиц. Дальтон и его современники считали, что это фундаментальные частицы природы, и поэтому назвали их атомами в честь греческого слова atomos, что означает «неделимый» или «неразрезанный».
Однако ближе к концу 19 века физики обнаружили, что атомы Дальтона на самом деле не являются фундаментальными частицами природы., но конгломераты еще более мелких частиц. Электрон был открыт между 1879 и 1897 годами в работах Уильяма Крукса, Артура Шустера, Дж. Дж. Томсон и другие физики; его заряд был тщательно измерен Робертом Эндрюсом Милликеном и Харви Флетчером в их эксперименте с каплей масла в 1909 году. Физики предположили, что отрицательно заряженные электроны являются составной частью «атомов » вместе с некоторым (пока неизвестным) положительно заряженным веществом, и это позже было подтверждено. Электрон стал первой обнаруженной элементарной, действительно фундаментальной частицей.
Исследования «радиоактивности», которые вскоре выявили явление радиоактивного распада, предоставили еще один аргумент против рассмотрения химических элементов как фундаментальных элементов природы. Несмотря на эти открытия, термин атом прижился к (химическим) атомам Дальтона и теперь обозначает мельчайшую частицу химического элемента, а не что-то действительно неделимое.
Физикам начала 20-го века были известны только две фундаментальные силы : электромагнетизм и гравитация, где последние не могли объяснить строение атомов. Таким образом, было очевидным предположение, что неизвестное положительно заряженное вещество притягивает электроны с помощью кулоновской силы.
. В 1909 году Эрнест Резерфорд и Томас Ройдс продемонстрировали, что альфа-частица соединяется с двумя электронами и образует атом гелия. Говоря современным языком, альфа-частицы - это дважды ионизированные атомы гелия (точнее, . He. ). Размышления о структуре атомов были строго ограничены экспериментом Резерфорда 1907 года с золотой фольгой , показавшим, что атом в основном представляет собой пустое пространство, и почти вся его масса сосредоточена в крошечном атомном ядре.
Туманные камеры сыграли важную роль в качестве детекторов частиц на заре развития субатомной физики. Некоторые частицы, включая позитрон, мы даже обнаружили с помощью этого устройства К 1914 году эксперименты Эрнеста Резерфорда, Генри Мозли, Джеймс Франк и Густав Герц в значительной степени установил структуру атома как плотного ядра с положительным зарядом, окруженного электронами меньшей массы. Эти открытия проливают свет на природу радиоактивного распада и других форм трансмутации элементов, а также самих элементов. Оказалось, что атомный номер есть не что иное, как (положительный) электрический заряд атомного ядра конкретного атома. Химические превращения, регулируемые электромагнитными взаимодействиями, не изменяют ядра, поэтому элементы химически неразрушимы. Но когда ядро меняет свой заряд и / или массу (испуская или захватывая частицу ), атом может стать одним из других элементов. Специальная теория относительности объяснила, как дефект массы связан с энергией, производимой или потребляемой в реакциях. Раздел физики, изучающий превращения и структуру ядер, теперь называется ядерной физикой, в отличие от атомной физики, изучающей структуру и свойства атомов, игнорируя большинство ядерных аспектов. Развитие зарождающейся квантовой физики, такой как модель Бора, привело к пониманию химии с точки зрения расположения электронов в основном пустом объеме атомы.
В 1918 году Резерфорд подтвердил, что ядро водорода было частицей с положительным зарядом, которую он назвал протоном. К тому времени Фредерик Содди исследовал радиоактивные элементы, а эксперименты Дж. Дж. Томсона и Ф.В. Aston убедительно продемонстрировал существование изотопов, ядра которых имеют разные массы, несмотря на одинаковые атомные номера. Это побудило Резерфорда предположить, что все ядра, кроме водорода, содержат беззарядные частицы, которые он назвал нейтроном. Доказательства того, что атомные ядра состоят из некоторых более мелких частиц (теперь называемых нуклонами ), росли; Стало очевидным, что в то время как протоны отталкиваются друг от друга электростатически, нуклоны притягиваются друг к другу некоторой новой силой (ядерной силой ). Его кульминацией стали доказательства ядерного деления в 1939 году Лизой Мейтнер (на основе экспериментов Отто Хана ) и ядерного синтеза Ганс Бете в том же году. Эти открытия привели к активной индустрии создания одного атома из другого, даже сделав возможным (хотя, вероятно, никогда не будет прибыльным) превращение свинца в золото ; и те же самые открытия также привели к разработке ядерного оружия.
Атомные орбитали элементов периода 2 :. 1s 2s 2p ( 3).. Все полные подоболочки (включая 2p) по своей природе сферически симметричны, но эти двухлепестковые формы удобно приписать «отдельным» p-электронам. Дальнейшее понимание атомных и ядерных структур стало невозможным без улучшения знаний о сущности частиц. Эксперименты и усовершенствованные теории (такие как «электронные волны» Эрвина Шредингера ) постепенно показали, что нет фундаментальной разницы между частицами и волнами. Например, электромагнитные волны были переформулированы в виде частиц, называемых фотонами. Также выяснилось, что физические объекты не изменяют свои параметры, такие как полная энергия, положение и импульс, поскольку непрерывные функции от время, как это понималось в классической физике: см., Например, переход атомного электрона.
Еще одним важным открытием были идентичные частицы или, в более общем смысле, квантовая статистика частиц. Было установлено, что все электроны идентичны: хотя одновременно могут существовать два или более электронов с разными параметрами, но они не хранят отдельных различимых историй. Это также относится к протонам, нейтронам и (с некоторыми отличиями) к фотонам. Он предполагает, что существует ограниченное количество видов мельчайших частиц во вселенной ..
Теорема спин-статистика установила, что любая частица в нашем пространстве-времени может быть либо бозон (это означает, что его статистика Бозе – Эйнштейна ) или фермион (это означает, что его статистика Ферми – Дирака ). Позже было обнаружено, что все фундаментальные бозоны передают силы, как фотон, пропускающий свет. Некоторые из нефундаментальных бозонов (а именно, мезоны ) также могут передавать силы (см. ниже), хотя и не фундаментальные. Фермионы - это частицы, «подобные электронам и нуклонам», и обычно составляют вещество. Обратите внимание, что любая субатомная или атомная частица, состоящая из даже общего количества фермионов (таких как протоны, нейтроны и электроны), является бозоном, поэтому бозон не обязательно является передатчиком силы и вполне может быть обычным материалом. частица.
спин - это величина, которая различает бозоны и фермионы. Практически он выглядит как собственный угловой момент частицы, который не связан с ее движением, но связан с некоторыми другими характеристиками, такими как магнитный диполь. Теоретически это объясняется с помощью различных типов представлений групп симметрии, а именно тензорных представлений (включая векторы и скаляры) для бозонов с их целыми (в ħ ) спинами, и спинорные представления для фермионов с их полуцелыми спинами.
Улучшение понимания мира частиц побудило физиков сделать смелые прогнозы, такие как Дирака позитрон в 1928 году (основанный на море Дирака ) и нейтрино Паули в 1930 году (основанное на сохранении энергии и углового момента в бета-распаде ). Оба были позже подтверждены.
Это привело к формулированию идей квантовой теории поля. Первая (и единственная математически полная) из этих теорий, квантовая электродинамика, позволила полностью объяснить структуру атомов, включая Периодическую таблицу и атомные спектры. Идеи квантовой механики и квантовой теории поля были применены и к ядерной физике. Например, α-распад объясняется как квантовое туннелирование через ядерный потенциал, фермионная статистика нуклонов объясняет спаривание нуклонов, а Хидеки Юкава предложил некоторые виртуальные частицы (теперь известные как π-мезоны ) в качестве объяснения ядерной силы.
Разработка ядерных моделей (таких как модель жидкой капли и модель ядерной оболочки ) сделал возможным прогноз свойств нуклидов. Однако никакая существующая модель нуклон-нуклонного взаимодействия не может аналитически вычислить что-то более сложное, чем. He., основанное на принципах квантовой механики (обратите внимание, что полное вычисление электронных оболочек в атомах также пока невозможно).
Наиболее развитым разделом ядерной физики в 1940-х годах были исследования, связанные с делением ядер из-за его военного значения. В центре внимания проблем, связанных с делением, находится взаимодействие атомных ядер с нейтронами : процесс, который происходит в бомбе деления и ядерном реакторе деления. Она постепенно отошла от остальной субатомной физики и фактически превратилась в ядерную технику. Впервые синтезированные трансурановые элементы были также получены в этом контексте посредством захвата нейтронов и последующего β-распада.
Элементы помимо фермия не могут быть получены в сюда. Чтобы создать нуклид с более чем 100 протонами на ядро, нужно использовать инвентарь и методы физики элементарных частиц (см. Подробности ниже), а именно ускорять и сталкивать атомные ядра. Производство все более тяжелых синтетических элементов продолжалось в 21 веке как раздел ядерной физики, но только для научных целей.
Третьим важным направлением в ядерной физике являются исследования, связанные с ядерным синтезом. Это связано с термоядерным оружием (и задумано мирной термоядерной энергией ), а также с астрофизическими исследованиями, такими как звездный нуклеосинтез и Нуклеосинтез Большого взрыва.
В 1950-х годах с разработкой ускорителей частиц и исследования космических лучей, эксперименты по неупругому рассеянию на протонах (и других атомных ядрах) с энергиями около сотен МэВ стали доступными. Они создали несколько короткоживущих резонансных «частиц», а также гиперонов и K-мезонов с необычно большим временем жизни. Причина последнего была обнаружена в новой квази консервативной величине, названной странностью, которая сохраняется при всех обстоятельствах, за исключением слабого взаимодействия. Необычность тяжелых частиц и μ-лептон были первыми двумя признаками того, что сейчас известно как второе поколение элементарных частиц.
Слабое взаимодействие вскоре раскрыло еще одну загадку. В 1957 году было обнаружено, что он не сохраняет четность. Другими словами, зеркальная симметрия была опровергнута как фундаментальный закон симметрии.
На протяжении 1950-х и 1960-х годов усовершенствования ускорителей частиц и детекторов частиц привели к появлению ошеломляющего разнообразия частиц, обнаруженных в энергетические эксперименты. Термин элементарная частица стал обозначать десятки частиц, большинство из которых нестабильно. Это вызвало замечание Вольфганга Паули: «Если бы я предвидел это, я бы занялся ботаникой». Вся коллекция получила прозвище «зоопарк частиц ». Стало очевидным, что некоторые более мелкие, но невидимые, составляющие образуют мезоны и барионы, которые составляют большинство известных тогда частиц.
Классификация барионов со спином 3/2, известная в 1960-х Взаимодействие этих частиц посредством рассеяния и распада обеспечило ключ к новым фундаментальным квантовым теориям. Мюррей Гелл-Манн и Ювал Нееман упорядочили мезоны и барионы, самые многочисленные классы частиц, классифицировав их по определенным качествам. Все началось с того, что Гелл-Манн назвал «восьмеричным путем », но перешло к нескольким различным «октетам» и «декуплетам», которые могли предсказать новые частицы, наиболее известный из которых - . Ω., который был обнаружен. в Брукхейвенской национальной лаборатории в 1964 году, что дало начало модели состава адронов кварков. В то время как кварковая модель сначала казалась неадекватной для описания сильных ядерных сил, допуская временный рост конкурирующих теорий, таких как теория S-матрицы, установление квантовая хромодинамика в 1970-е годы завершила разработку набора фундаментальных и обменных частиц (Kragh 1999). Он постулировал фундаментальное сильное взаимодействие, испытываемое кварками и опосредованное глюонами. Эти частицы были предложены в качестве строительного материала для адронов (см. адронизация ). Эта теория необычна, поскольку отдельные (свободные) кварки не могут наблюдаться (см. ограничение цвета ), в отличие от ситуации с составными атомами, где электроны и ядра могут быть изолированы путем передачи энергии ионизации на атом.
Затем старое широкое обозначение термина элементарная частица было объявлено устаревшим, и замененный термин субатомная частица охватил весь «зоопарк» с его гипонимом «адрон "относится к составным частицам, напрямую объясняемым кварковой моделью. Обозначение «элементарная» (или «фундаментальная») частица было зарезервировано для лептонов, кварков, их античастиц и квантов только фундаментальных взаимодействий (см. ниже).
Стандартная модель Потому что квантовая теория поля (см. выше) не постулирует никакой разницы между частицами и взаимодействия, классификация элементарных частиц позволила также классифицировать взаимодействия и поля.
Теперь большое количество частиц и (нефундаментальных) взаимодействий объясняется как комбинация (относительно) небольшого количества фундаментальных веществ, считаются фундаментальными взаимодействиями (воплощенными в фундаментальных бозонах ), кварках (включая античастицы) и лептонах (включая античастицы). Поскольку теория выделила несколько фундаментальных взаимодействий, стало возможным увидеть, какие элементарные частицы в каком взаимодействии участвуют. А именно:
Следующим шагом было сокращение числа фундаментальных взаимодействий, предусмотренное физиками начала 20 века как «единая теория поля ». Первой успешной современной объединенной теорией была теория электрослабого взаимодействия, разработанная Абдусом Саламом, Стивеном Вайнбергом и, впоследствии, Шелдоном. Глэшоу. Это развитие привело к завершению в 1970-х годах теории, называемой Стандартной моделью, которая также включала сильное взаимодействие, таким образом охватывая три фундаментальные силы. После открытия, сделанного в ЦЕРН, существования нейтральных слабых токов, опосредованных Z-бозоном, предусмотренным в стандартной модели, физики Салам, Глэшоу и Вайнберг получил в 1979 г. Нобелевскую премию по физике за свою теорию электрослабого взаимодействия. Открытие слабых калибровочных бозонов (квантов слабого взаимодействия ) в течение 1980-х годов и проверка их свойств в 1990-х годах считается эрой консолидации в физике элементарных частиц..
Хотя ускорители подтвердили большинство аспектов Стандартной модели, обнаружив ожидаемые взаимодействия частиц при различных энергиях столкновения, никакой теории, согласовывающей общую теорию относительности со Стандартной моделью, еще не найдено, хотя суперсимметрия и Теория струн рассматривалась многими теоретиками как многообещающий путь вперед. Однако Большой адронный коллайдер, который начал работать в 2008 году, не смог найти никаких доказательств, подтверждающих суперсимметрию и теорию струн, и, похоже, это маловероятно, что означает «текущая ситуация в фундаментальной теории. один из серьезных недостатков каких-либо новых идей ». Такое положение дел не следует рассматривать как кризис в физике, а скорее, как сказал Дэвид Гросс, «разновидность приемлемой научной путаницы, которую открытие в конечном итоге преодолевает».
Четвертый фундаментальная сила, гравитация, еще не интегрирована в физику элементарных частиц согласованным образом.
Одна из возможных сигнатур бозона Хиггса от смоделированного столкновения протона и протона. Он почти сразу распадается на две струи адронов и двух электронов, видимых в виде линий. По состоянию на 2011 год бозон Хиггса, квант поле, которое, как считается, обеспечивает частицы с массой покоя, оставалось единственной частицей Стандартной модели, подлежащей проверке. 4 июля 2012 г. физики, работающие на Большом адронном коллайдере ЦЕРНа, объявили, что они открыли новую субатомную частицу, очень похожую на бозон Хиггса, что является потенциальным ключом к пониманию того, почему элементарные частицы имеют массы, и действительно существование разнообразия и жизни во Вселенной. Рольф-Дитер Хойер, генеральный директор CERN, сказал, что еще слишком рано говорить наверняка, является ли это совершенно новой частицей, которая весит 125 миллиардов электрон-вольт - одна из самых тяжелых субатомных частиц - или, действительно, неуловимая частица, предсказанная Стандартной моделью, теорией, которая управляла физикой последние полвека. Неизвестно, является ли эта частица самозванцем, единственной частицей или даже первой из множества частиц, которые еще предстоит обнаружить. Последние возможности особенно интересны для физиков, поскольку они могут указать путь к новым более глубоким идеям, за пределами Стандартной модели, о природе реальности. На данный момент некоторые физики называют это частицей, похожей на Хиггса. Джо Инкандела из Калифорнийского университета в Санта-Барбаре сказал: «Это то, что может, в конце концов, быть одним из крупнейших наблюдений любых новых явлений в нашей области за последние 30 или 40 лет, например, начиная с открытия кварков ». Группы, работающие с большими детекторами в коллайдере, заявили, что вероятность того, что их сигнал был результатом случайной флуктуации, составляет менее одного шанса на 3,5 миллиона, так называемых «пяти сигм», которые являются золотым стандартом в физике для открытия.. Майкл Тернер, космолог из Чикагского университета и председатель правления физического центра, сказал
Это важный момент для физики элементарных частиц и перекресток - будет ли это высшая точка или будет это первое из многих открытий, которые указывают нам на решение действительно серьезных вопросов, которые мы поставили?
— Майкл Тернер, Чикагский университетПодтверждение бозона Хиггса или что-то подобное может составить Встреча с судьбой поколения физиков, которые верили, что бозон существует уже полвека, но никогда его не видели. Кроме того, он подтверждает грандиозный взгляд на Вселенную, управляемую простыми, элегантными и симметричными законами, но в которой все интересное является результатом изъянов или нарушений этой симметрии. Согласно Стандартной модели, бозон Хиггса - единственное видимое и конкретное проявление невидимого силового поля, которое пронизывает пространство и насыщает элементарные частицы, которые в противном случае были бы безмассовыми, массой. Физики говорят, что без этого поля Хиггса или чего-то подобного, все элементарные формы материи могли бы перемещаться со скоростью света; не было бы ни атомов, ни жизни. Бозон Хиггса получил редкую для абстрактной физики известность. К вечному ужасу своих коллег, Леон Ледерман, бывший директор Фермилаба, назвал это «частицей Бога» в своей одноименной книге, а позже пошутил, что хотел назвать это «проклятым». частица ". Профессор Инкандела также заявил:
Этот бозон - очень глубокая вещь, которую мы обнаружили. Мы проникаем в ткань вселенной на уровне, которого никогда раньше не делали. Мы как бы завершили историю одной частицы [...] Мы сейчас на границе, на пороге нового исследования. Это может быть единственная оставшаяся часть истории, или мы могли бы открыть совершенно новое царство открытий.
— Джо Инкандела, Калифорнийский университетДр. Питер Хиггс был одним из шести физиков, работающих в трех независимых группах, которые в 1964 году изобрели понятие космической патоки или поля Хиггса. Другими были Том Киббл из Имперского колледжа в Лондоне ; Карл Хаген из Университета Рочестера ; Джеральд Гуральник из Университета Брауна ; и Франсуа Энглер и Роберт Браут, оба из Свободного университета Брюсселя. Одно из следствий их теории заключалось в том, что это поле Хиггса, обычно невидимое и, конечно же, без запаха, могло бы произвести свою собственную квантовую частицу, если бы ударило достаточно сильно, с нужным количеством энергии. Частица будет хрупкой и развалится за миллионную долю секунды дюжиной различных способов в зависимости от ее собственной массы. К сожалению, в теории не было сказано, сколько должна весить эта частица, поэтому ее так трудно найти. Частица ускользнула от исследователей на ряде ускорителей частиц, включая Большой электронно-позитронный коллайдер в ЦЕРНе, который был закрыт в 2000 году, и Теватрон в Национальном ускорителе Ферми. Лаборатория, или Фермилаб, в Батавии, штат Иллинойс, закрылась в 2011 году.
Дальнейшие эксперименты продолжались, и в марте 2013 года было предварительно подтверждено, что недавно обнаруженная частица была бозоном Хиггса.
Хотя хиггсовские поля никогда не наблюдались, они играют важную роль в теориях Вселенной и теории струн. При определенных условиях, согласно странному объяснению эйнштейновской физики, они могут наполняться энергией, создающей антигравитационную силу. Такие поля были предложены в качестве источника огромного всплеска расширения, известного как инфляция, на раннем этапе развития Вселенной и, возможно, в качестве секрета темной энергии, которая теперь, кажется, ускоряет расширение Вселенной.
Современное теоретическое развитие включает уточнение Стандартной модели, исследование ее основ, таких как теория Янга – Миллса, и исследования вычислительных методов, таких как КХД на решетке.
Давняя проблема - квантовая гравитация. Никакого решения, полезного для физики элементарных частиц, не найдено.
Есть исследования о кварк-глюонной плазме, новом (гипотетическом) состоянии вещества. Есть также некоторые недавние экспериментальные свидетельства существования тетракварков, пентакварков и глюболов.
Распад протона не наблюдается (или, как правило, несохранение барионного числа ), но предсказывается некоторыми теориями, выходящими за рамки Стандартной модели, следовательно его ищут.
