«Мы задаёмся вопросом, почему группа талантливых и преданных своему делу людей готова посвятит жизнь погоне за такими малюсенькими объектами, которые даже невозможно увидеть? На самом деле, в занятиях физиков элементарных частиц проявляется человеческое любопытство и желание узнать, как устроен мир, в котором мы живём» Шон КэрроллЕсли вы всё ещё боитесь фразы квантовая механика и до сих пор не знаете, что такое стандартная модель — добро пожаловать под кат. В своей публикации я попытаюсь максимально просто и наглядно объяснить азы квантового мира, а так же физики элементарных частиц. Мы попробуем разобраться, в чём основные отличия фермионов и бозонов, почему кварки имеют такие странные названия, и наконец, почему все так хотели найти Бозон Хиггса.
Из чего мы состоим?
Ну что же, наше путешествие в микромир мы начнём с незатейливого вопроса: из чего состоят окружающие нас предметы? Наш мир, как дом, состоит из множества небольших кирпичиков, которые особым образом соединяясь, создают что-то новое, не только по внешнему виду, но ещё и по своим свойствам. На деле, если сильно к ним приглядеться, то можно обнаружить, что различных видов блоков не так уж и много, просто каждый раз они соединяются друг с другом по-разному, образуя новые формы и явления. Каждый блок — это неделимая элементарная частица, о которой и пойдёт речь в моём рассказе.
Для примера, возьмём какое-нибудь вещество, пусть у нас это будет второй элемент периодической системы Менделеева, инертный газ, гелий. Как и остальные вещества во Вселенной, гелий состоит из молекул, которые в свою очередь образованы связями между атомами. Но в данном случае, для нас, гелий немного особенный, потому что он состоит всего из одного атома.
Из чего состоит атом?
Атом гелия, в свою очередь, состоит из двух нейтронов и двух протонов, составляющих атомное ядро, вокруг которого вращаются два электрона. Самое интересное, что абсолютно неделимым здесь является лишь электрон.
Интересный момент квантового мира
Чем меньше масса элементарной частицы, тем больше места она занимает. Именно по этой причине электроны, которые в 2000 раз легче протона, занимают гораздо больше места по сравнению с ядром атома.
Нейтроны и протоны относятся к группе так называемых адронов (частиц, подверженных сильному взаимодействию), а если быть ещё точнее, барионов.
Адроны можно разделить на группы
- Барионов, которые состоят из трёх кварков
- Мезонов, которые состоят из пары: частица-античастица
Нейтрон, как ясно из его названия, является нейтрально заряженным, и может быть поделён на два нижних кварка и один верхний кварк. Протон, положительно заряженная частица, делится на один нижний кварк и два верхних кварка.
Да, да, я не шучу, они действительно называются верхний и нижний. Казалось бы, если мы открыли верхний и нижний кварк, да ещё электрон, то сможем с их помощью описать всю Вселенную. Но это утверждение было бы очень далеко от истины.
Главная проблема — частицы должны как-то между собой взаимодействовать. Если бы мир состоял лишь из этой троицы (нейтрон, протон и электрон), то частицы бы просто летали по бескрайним просторам космоса и никогда бы не собирались в более крупные образования, вроде адронов.
Фермионы и Бозоны
Достаточно давно учёными была придумана удобная и лаконичная форма представления элементарных частиц, названная стандартной моделью. Оказывается, все элементарные частицы делятся на фермионы, из которых и состоит вся материя, и бозоны, которые переносят различные виды взаимодействий между фермионами.
Разница между этими группами очень наглядна. Дело в том, что фермионам для выживания по законам квантового мира необходимо некоторое пространство, а для бозонов почти не важно наличие свободного места.
Фермионы
Группа фермионов, как было уже сказано, создаёт видимую материю вокруг нас. Что бы мы и где ни увидели, создано фермионами. Фермионы делятся на кварки, сильно взаимодействующие между собой и запертые внутри более сложных частиц вроде адронов, и лептоны, которые свободно существуют в пространстве независимо от своих собратьев.
Кварки делятся на две группы.
- Верхнего типа. К кваркам верхнего типа, с зарядом +2\3, относят: верхний, очарованный и истинный кварки
- Нижнего типа. К кваркам нижнего типа, с зарядом -1\3, относят: нижний, странный и прелестный кварки
Лептоны также делятся на две группы.
- Первая группа, с зарядом «-1», к ней относят: электрон, мюон (более тяжёлую частицу) и тау-частицу (самую массивную)
- Вторая группа, с нейтральным зарядом, содержит: электронное нейтрино, мюонное нейтрино и тау-нейтрино
Возникает вопрос, не найдут ли физики ещё несколько поколений частиц, которые будут еще более массивными, по сравнению с предыдущими. На него ответить трудно, однако теоретики считают, что поколения лептонов и кварков исчерпываются тремя.
Не находите никакого сходства? И кварки, и лептоны делятся на две группы, которые отличаются друг от друга зарядом на единицу? Но об этом позже...
Бозоны
Без них бы фермионы сплошным потоком летали по вселенной. Но обмениваясь бозонами, фермионы сообщают друг другу какой-либо вид взаимодействия. Сами бозоны же с друг другом практически не взаимодействуют.
На самом деле, некоторые бозоны всё же взаимодействуют друг с другом, но об этом будет рассказано более подробно в следующих статьях о проблемах микромира
Взаимодействие, передаваемое бозонами, бывает:
- Электромагнитным, частицы — фотоны. С помощью этих безмассовых частиц передаётся свет.
- Сильным ядерным, частицы — глюоны. С их помощью кварки из ядра атома не распадаются на отдельные частицы.
- Слабым ядерным, частицы — ±W и Z бозоны. С их помощью фермионы перекидываются массой, энергией, и могут превращаться друг в друга.
- Гравитационным, частицы — гравитоны. Чрезвычайно слабая в масштабах микромира сила. Становится видимой только на сверхмассивных телах.
Оговорка о гравитационном взаимодействии.
Существование гравитонов экспериментально ещё не подтверждено. Они существуют лишь в виде теоретической версии. В стандартной модели в большинстве случаев их не рассматривают.
Вот и всё, стандартная модель собрана.
Проблемы только начались
Несмотря на
Для того, что бы понимать идею применения бозона Хиггса, нам необходимо обратиться к квантовой теории поля. Говоря простым языком, можно утверждать, что весь мир, вся Вселенная, состоит не из мельчайших частиц, а из множества различных полей: глюонного, кваркового, электронного, электромагнитного и.т.д. Во всех этих полях постоянно возникают незначительные колебания. Но наиболее сильные из них мы воспринимаем как элементарные частицы. Да и этот тезис весьма спорный. С точки зрения корпускулярно-волнового дуализма, один и тот же объект микромира в различных ситуациях ведёт себя то как волна, то как элементарная частица, это зависит лишь от того, как физику, наблюдающему за процессом, удобнее смоделировать ситуацию.
Поле Хиггса
Оказывается, существует так называемое поле Хиггса, среднее значение которого не хочет стремиться к нулю. В результате чего, это поле старается принять некоторое постоянное ненулевое значение во всей Вселенной. Поле составляет вездесущий и постоянный фон, в результате сильных колебаний которого и появляется Бозон Хиггса.
И именно благодаря полю Хиггса, частицы наделяются массой.
Масса элементарной частицы, зависит от того, насколько сильно она взаимодействует с полем Хиггса, постоянно пролетая внутри него.
И именно из-за Бозона Хиггса, а точнее из-за его поля, стандартная модель имеет так много похожих групп частиц. Поле Хиггса вынудило сделать множество добавочных частиц, таких, например, как нейтрино.
Итоги
То, что было рассказано мною, это самые поверхностные понятия о природе стандартной модели и о том, зачем нам нужен Бозон Хиггса. Некоторые учёные до сих пор в глубине души надеются, что частица, найденная в 2012 году и похожая на Бозон Хиггса в БАКе, была просто статистической погрешностью. Ведь поле Хиггса нарушает многие красивые симметрии природы, делая расчёты физиков более запутанными.
Некоторые даже считают, что стандартная модель доживает свои последние годы из-за своего несовершенства. Но экспериментально это не доказано, и стандартная модель элементарных частиц остаётся действующим образцом гения человеческой мысли.
Только зарегистрированные пользователи могут участвовать в опросе. Войдите, пожалуйста.
Комментарии (54)
qbertych
12.08.2015 11:13+1фермионам для выживания по законам квантового мира необходимо некоторое пространство, в то время как их коллеги — бозоны могут спокойно триллионами жить прямо друг на друге.
Это неверно. Бозоны могут занимать один и тот же энергетический уровень, а не одно и то же место в пространстве. Например, атом гелия — бозон, но в количестве «триллионов в одной точке» он явно не наблюдается.
HabraBugger
12.08.2015 11:34Насчёт атома гелия Вы действительно привели очень интересный тезис, я над ним подумаю. Однако,
Бозоны вообще не занимают никакого места. Два бозона или два триллиона бозонов — всё равно сколько — могут с лёгкостью разместиться в том же пространстве, сидя прямо друг на друге.
— опять таки цитирую Шона Кэрролла.
Возможно, я действительно что то не понимаю в данном вопросе, и сейчас лишь ввожу Вас в заблуждение ;)qbertych
12.08.2015 15:26+2Это довольно распространенное заблуждение (возможно, цитата Кэррола неверно переведена или взята из контекста). Бозоны могут занимать одно состояние в пространстве импульсов (это и называется Бозе-конденсацией). В каком-то смысле это значит, что все бозоны двигаются синхронно, находясь при этом на каком-то расстоянии друг от друга.
С другой стороны, при Бозе-конденсации бозоны занимают уровень с минимальной энергией. Если повезет, то могут и триллионами =). Для фермионов это невозможно по принципу Паули: на одном уровне может быть один фермион со спином «вверх» и один «вниз», и не более.
Еще одно объяснение: есть такое понятие как длина волны де Бройля, описывающая «размер» волновой функции любого объекта. Она пренебрежимо мала при высоких температурах, зато может достигать нескольких микрон вблизи абсолютного нуля. Если поместить несколько бозонов ближе друг к другу, чем длина волны де Бройля, то они в каком-то смысле будут находиться в одном квантовом состоянии и будут вести себя как единое целое. Фермионы же в таких условиях начнут отталкиваться.
Если интересно, можете взглянуть на Нобелевские лекции, посвященные открытию Бозе-конденсации.
Duduka
15.08.2015 16:52а как же тогда атомы существуют, одна пара фермионов на орбитали на все атомы?
qbertych
15.08.2015 19:39Помните со школы всякие 1s22s22s6? Это оно и есть: на первом уровне (1s) — два электрона, на s-орбитали второго (2s) — два электрона, на p-орбитали второго (2p) — шесть электронов, то есть три пары для трех разных проекций углового момента. И так далее. В ядре все немножко хитрее, но в целом похоже.
qbertych
15.08.2015 19:55пардон, 2s22p6
Duduka
16.08.2015 16:10одна пара фермионов на орбитали на все атомы? — Вы ответили ДА??? Учите физику, то, что Вы пишите это список орбиталей, причем «водородоподобного» атома. АТОМА! С молекулами нет до сих пор, есть странный гибрид классической физики и квантовой, орбитали могут гибридизироваться и какое квантовое число им относить? В бензоле шесть орбиталей гибридизировано в кольцо, атомный силовой микроскоп его видит как кольцо, но это одинаковые атомы углерода. А вот объясните мне почему фторо водород, а не гепто-гидрид фтора? оксид водорода, а не гидрид кислорода с точки зрения квантовой физики?
И, да, я могу принять, что в нашей вселенной все элементарные частицы только в одном экземпляре, но с разными квантовыми состояниями в разных точках вселенной (как завещал Великий Фейнман), но это теория, и не очень признанная в современной науке.qbertych
16.08.2015 17:37список орбиталей, причем «водородоподобного» атома
С молекулами нет до сих пор
Учите физику
А, это типа юмор. Люблю юмор.Duduka
21.08.2015 17:42Как Вы заметили, я тоже ) Но как и в любой шутке есто только доля шутки, и похоже дело движется
http://phys.org/news/2015-08-scientists-explore-energy-chemical-reactions.html
хотя очень медленно, как мне кажеся…
Shkaff
12.08.2015 15:26+2Если бозоны находятся слишко близко друг от друга — их волновые функции будут интерферировать, и в таком случае говорить об отдельном бозоне уже будет некорректно, это будет новый объект — конденсат в целом.
Eol
12.08.2015 21:12+2Ну с атомами гелия проблема-то в том, что они всё-таки взаимодействуют — как минимум, кулоновское взаимодействие никто не отменял. С точки зрения теории, «напихать» невзаимодействующих бозонов в одну «точку пространства» вообще не проблема. С точки зрения эксперимента — не знаком с конкретным, увы, но мысленный можно придумать — взять современные установки по «холодным атомам»: сделали лазерную ловушку, поймали там несколько сот атомов во вполне себе малых размерах «ячейке» — вот и бозе-конденсат в реальном, а не импульсном пространстве.
qbertych
12.08.2015 21:39поймали там несколько сот атомов во вполне себе малых размерах «ячейке»
Там вполне конкретный лимит по плотностям, сделать «триллионы друг на друге» не получится. Маленьким может быть, это да.Eol
12.08.2015 21:45Это правда. Но в свое оправдание скажу, что лимит всё-таки не принципиальный, не наложенный квантовой механикой, а скорее нынешними экспериментальными технологиями, доступными человеку. В конце-концов, холодные атомы — наука достаточно свежая, ей около десятка лет.
skyramp
12.08.2015 12:55+3Атом гелия, в свою очередь, состоит из двух нейтронов и двух протонов, составляющих атомное ядро, вокруг которого вращаются два электрона.
Раз уж статья для начинающих, то позволю себе следующие идиотские вопросы относительно электронов:
* что значит вращаются? в какой-то плоскости? вообще аналогия с планетарной системой хоть сколько-нибудь тут уместна?
* каким образом обосновывается, что электрон в атоме это именно электрон, а не какое-нибудь особое состояние ядра атома, в котором атом обростает атомными орбиталями? и при изменении этого состояния наружу мог бы спокойно вылетать (или поглощаться) электрон?
Virtu-Ghazi
12.08.2015 16:05Второй вопрос просто супер, хотя в формулировке уже есть… ну, не ответ, конечно, но в каком-то смысле намёк на ответ, что ли.
Eol
12.08.2015 21:26+1Краткий ответ на второй вопрос: модели, модели, модели…
Стандартная модель хороша тем, что пока что у неё всё очень хорошо с объяснением эксперимента. Гораздо лучше, чем у «альтернативных» теорий. Поэтому физики продолжают с ней работать.
А вот в рамках этой самой модели ответить на второй вопрос просто. Лептонный заряд сохраняется — если вылетает электрон, значит «внутри» был либо электрон, либо электронное нейтрино. А связанных состояний (т.е атомов/ядер) с нейтрино в рамках Стандартной Модели, насколько мне известно, никто не предсказывал по многим причинам (слишком лёгкое, слишком быстрое — всё это приведёт к ужасной нестабильности такого рода состояния).
Есть, конечно, вариант в духе бета-распада, когда никакого лептона внутри не было, а вылетел анти-лептон (то есть электронное анти-нейтрино или позитрон). Ну так эти вещи тоже можно «отловить» в эксперименте, чего никто не делал.skyramp
13.08.2015 13:23Собственно вопрос про то, есть ли электрон в атоме как именно электрон был к следующему:
допустим я хочу пооблучать атом для того, чтобы перевести часть его электронов на более высокие уровни — я должен облучать сами электроны где-то на их орбиталях с необходимостью попасть фотоном именно в этот электрон где-то там летающий, или (если там электронов вообще нет, а атомные орбитиали это некоторое свойство ядра а-ля форма проявления отрицательного заряда в атоме) мне достаточно облучать само ядро? и обратное — при излучении фотонов со стороны атома — фотоны излучаются электронами при изменении их уровня или ядром?Eol
13.08.2015 15:42+1Процесс рождения фотона — существенно квантовый, и экспериментально отследить, кто же на самом деле рождает фотон, практически невозможно. Ровно как и «попасть» фотоном в электрон или атом.
Даже на теоретическом уровне этот вопрос не очень осмысленнен. Говорить о фотоне как об отдельной сущности имеет смысл, когда он далеко от атома и уже не взаимодействует с ним. Пока он находится очень близко — он очень сильно с ним запутан, там имеется много виртуальных частиц и т.п.
HabraBugger
12.08.2015 13:29+2Вы задали очень интересные вопросы! Постараюсь на них ответить :)
Изначально, согласно одной из первых моделей атома, созданной английским физиком Эрнестом Резерфордом, электроны действительно вращались вокруг ядра на самых разных расстояниях, подобно планетам Солнечной системы, с той лишь разницей, что в модели атома на них действовала не сила тяжести, а электромагнитная сила.
Но датский физик Нильс Бор, использовавший в определении структуры атома более прогрессивные идеи квантовой механики, создал модель, которую мы и по сей день видим во всех учебниках и справочниках. Дело в том, что Бор модифицировал модель Резерфорда, и установил ограничение, согласно которому, электроны находятся на своих определённых орбитах, и вращаются по определённой траектории.
Но и схема Бора нас чуть-чуть обманывает. Дело в том, что согласно современным законам квантовой механики, электрон в реальности не имеет точного положения или скорости. Квантовая механика говорит нам о том, что электрон лишь существует в виде облака вероятностей — волновой функции, которая уже и показывает, где бы мы увидели частицу, если бы начали за ней наблюдение.
Насчёт второго вопроса я подумаю, как лучше сформулировать ответ, и в течении некоторого времени напишу.Duduka
15.08.2015 17:16>> Квантовая механика говорит нам о том, что электрон лишь существует в виде облака вероятностей — волновой функции, которая уже и показывает, где бы мы увидели частицу, если бы начали за ней наблюдение.
Частица существует только в момент измерения либо импульса, либо положения, все остальное время она «существует» как облако вероятности…
Sychuan
12.08.2015 13:57+4Хороший сайт с «визуализацией» волновых функций
vqm.uni-graz.at/pages/qm_gallery/index.html
boodda
12.08.2015 15:04+3Вот опять статья про элементарную физику.
Снова задам вопрос который я не могу осмыслить или понять.
Все пишут про некое поле. Но как вообще себе представить поле? Что это?
Ничего с чем то, где все висит. Или пространство заполнено чем то? Чем?
Вот например магнитное поле или поле хигса, чем оно наполнено. Как физически это понять?
Как то на пальцах что-ли поясните.HabraBugger
12.08.2015 15:30Как я уже упоминал в статье, есть такой момент, как корпускулярно-волновой дуализм, который говорит нам о том, что мир — это и поле, и набор элементарных частиц, здесь все зависит лишь от наблюдателя.
Грубо говоря, понятие поле было придумано человеком только для упрощения собственных расчётов, и это не значит, что наш мир действительно выглядит, только как набор различных полей.
Поля нужны там, где объяснить какое-то явление с точки зрения крошечных частичек очень трудно, такое, например происходит со светом. Учёные долго бились над загадкой, почему свет ведёт себя то как волна, то как набор одиночных фотонов. Но когда сформировалось понятие корпускулярно-волнового дуализма, и была объяснена двойная природа света, наука пришла к выводу, что одиночный фотон определенной частоты можно описать ещё и как простую синусоидальную волну.
Наглядно представить себе, что такое поле — действительно очень трудно. Максимально близким к реалии будет примерно такое описание: поле является возмущением (колебанием) какой-то, пусть и воображаемой, но сплошной и ровной среды, заполняющей всё пространство вокруг. А в природе всегда можно найти самую наглядную и масштабную иллюстрацию поля — это океан, который постоянно наполнен волнами, которые возмущают его ровную гладь.
Если то, что я описал, недостаточно понятно\наглядно, пишите — постараюсь подобрать более удачные примеры! :)
Firsto
13.08.2015 08:57Если то, что я описал, недостаточно понятно\наглядно, пишите — постараюсь подобрать более удачные примеры! :)
Непоня-я-ятно!
dmitrandr
12.08.2015 18:45+3HabraBugger оставил хороший комментарий, я же попробую зайти немного с другой стороны. Любая картина реальности, которая есть в голове человека, — это определенная модель реальности, но не сама реальность как она есть. Отсюда, любая физическая теория не претендует на то, чтобы утверждать строго: "реальность вот такая вот и точка". Физическая теория использует модель реальности, которая позволяет описывать происходящее с определенной точностью + такая модель претендует на то, чтобы давать предсказания о развитии ситуации с определенной точностью.
На примерах.
Ньютоновская механика — это физическая модель, которая позволяет прекрасно описывать окружающую нас действительность с точки зрения взаимодействия различных тел друг с другом. Во времена Ньютона люди практически не могли получить опыта, который бы не вписывался в эту модель. Скорость бега лошади или плавание на корабле прекрасно описывались этой моделью с высокой предсказательной силой.
Сейчас, например, для навигационных спутников, мы пользуемся другой моделью — СТО. Ньютоновская механика дает слишком заметные расхождения с наблюдаемым опытом, СТО позволяет эти расхождения устранить до приемлемого уровня.
Конечно, я немного упростил.
Чем более абстрактная модель, тем сложнее в ней что-то «представить». Но это не мешает использовать ее математический аппарат для того, чтобы описывать и предсказывать события. В этом ключе представить, например, дуализм света как волны и частицы крайне затруднительно. Но это не мешает использовать соответствующие модели и получать точные результаты.
С цветом/запахом кварков ситуация еще интересней. Это просто именование свойства. Оно не имеет ни малейшего отношения к зрению или обонянию. Это именование используется в рамках модели для упрощения оперирования ею. Не нужно пытаться себе представить «цвет» кварка. Не стоит даже пытаться представить сам кварк. Это не имеет смысла в рамках физического опыта человека.
Чтобы понять, что такое поле, не нужно представлять себе поле. Нужно изучить теоретическую модель, в которой используется это понятие.
kacang
13.08.2015 06:28+2Поле это неравномерное распределение какого-то параметра/величины в пространстве. Простейший пример — градиент созданный в фотошопе.
картинка
ilammy
12.08.2015 20:50Сами бозоны же с друг другом не взаимодействуют.
А как же глюон-глюонное взаимодействие?HabraBugger
12.08.2015 20:55Действительно, некоторые бозоны всё же между собой взаимодействуют. Но я решил пока что не вдаваться в подробности, т.к статья рассчитана для абсолютного новичка ;)
Если всё таки удастся опубликовать серию статей о микромире, там уже более подробно постараюсь осветить все эти непростые аспекты.
Eol
12.08.2015 21:51Если уж быть совсем занудным, не только глюоны с глюонами, но и W± и Z бозоны взаимодействуют друг с дружкой и с фотонами в рамках электрослабой теории :)
nkie
14.08.2015 09:16По-моему даже фотоны друг с другом взаимодействуют.
Eol
14.08.2015 11:00Нет, ну это не является непосредственным взаимодействием, которое имелось в виду а посредством виртуальных электронов. В противном случае всё взаимодействует со всем, и обсуждать этот вопрос бессмысленно :)
Электроны, например, как ни странно, друг с другом не взаимодействуют. Зато взаимодействуют с ЭМ полем, что даёт эффективное кулоновское взаимодействие между электронами, всем хорошо известное.
yallie
13.08.2015 04:31+1Отдельное спасибо за понятное описание слабого взаимодействия!
Обычно оно везде упоминается примерно так:
toxicdream
13.08.2015 13:41+1Можно еще добавить что тау-лептон (тау-частица в статье) иногда еще называют как таон.
ilis
14.08.2015 01:45Было бы очень интересно почитать про слабое взаимодействие.
HabraBugger
14.08.2015 13:38Этот вид взаимодействия я постараюсь более подробно осветить в одной из следующих статей об элементарных частицах :)
DmitryAnatolich
14.08.2015 06:20Прошу прощения за полную образованность, но у меня до сих пор не укладывается в голове: как? как можно было всё это теоретизировать, а потом еще и выявить, раздробить и исследовать?!
HabraBugger
14.08.2015 13:36Физики элементарных частиц (теоретики) всегда выдвигали различные предположения по устройству нашего мира. Пусть это были и самые смелые и неоднозначные идеи, но их было всегда в достатке. А затем уже экспериментаторы, пристально следившие за теоретиками, начинали проверять каждое из этих предположений на опытах. Разумеется, наиболее сильный скачок произошел с постройкой БАКа. Но и до него технологии позволяли исследовать микромир, пусть и не так подробно.
Достаточно вспомнить опыты экспериментатора Карла Андерсона, который в своей конденсационной камере (аналог камеры Вильсона), исследовал треки заряженных частиц, прилетающих к нам из космоса. И там обнаружил античастицу электрона — позитрон. А само существование такого явления, как античастица, нам предсказал теоретик Поль Дирак.
Eol
14.08.2015 17:24+1Постепенно. Я представляю себе это как-то так:
началось всё с уравнений Максвелла, классической теории поля — электродинамики — и открытия в ней калибровочной инвариантности. Тогда на это внимания много не обращали; однако, когда возникла квантовая механика, люди поняли, что эта инвариантность — ключ к построению квантовой теории поля.
Теоретики стали исследовать так называемые калибровочные теории поля; в этих теориях поля имеются локальные (так называемые калибровочные) симметрии, задаваемые группами Ли. Было выяснено, что квантовая электродинамика соответствует самой простой группе Ли, что только может быть — U(1). А дальше стали смотреть на чуть более сложно устроенные группы, делать предсказания (что будет в реальном мире для такой теории) — и выяснили, что «следующая по простоте» группа SU(2) прекрасно описывает слабое взаимодействие, и картинка с W± и Z-бозонами, нейтрино — восхитительно объясняется. Если взять следующую группу — SU(3) — то она опять же прекрасно описывает кварки и 8 типов глюонов.
Наверно, понятно из этого немного. Но суть сводится к тому, что в основе понимания квантовой теории поля и Стандартной Модели лежит симметрия. Три простейшие(sic!) непрерывные симметрии — SU(3), SU(2), U(1) — полностью составляют Стандартную модель. Задав же симметрию, теоретики могут полностью предсказать, какие частицы (кварки, лептоны), какие переносчики взаимодействия (глюоны, W± и Z бозоны, фотоны), сколько разных типов/поколений будет, как они будут взаимодействовать. А симметрии-то, повторюсь, простейшие! И таким образом, всё это выстраивается в очень красивую и последовательную теорию, которую за это так и любят теоретики.
Немного особняком стоит механизм Хиггса с бозоном, названным в честь него. Понимание того, зачем он нужен объяснить ещё тяжелее; сейчас скажу лишь, что «ноги растут» опять из симметрий — в электрослабой теории они нарушались, если у частиц есть масса (а она, очевидно, есть :) ). Поэтому теоретиками был придуман механизм, который разрешает эту проблему и «восстанавливает справедливость» — механизм появления массы, механизм Хиггса.
Magister7
14.08.2015 15:57Чем меньше масса элементарной частицы, тем больше места она занимает. Именно по этой причине электроны, которые в 2000 раз легче протона, занимают гораздо больше места по сравнению с ядром атома.
А почему так? У меня (дилетанта в этой области) сразу появилось предположение:
Большая масса удерживает частицу в меньшем пространстве, по аналогии с гравитацией. Но тут гравитации быть, наверное, не может — значит что-то другое.Zenitchik
14.08.2015 19:16У меня другое мнение дилетанта, если позволите:
Чем больше масса частицы, тем сильнее у неё проявляются квантовые свойства и слабее волновые. Поэтому её волновая функция не так «размазывается» в пространстве.
HabraBugger
15.08.2015 01:05+1Предположим, что речь снова идет о волновой функции частицы, точнее — о волнах де Бройля. Поскольку эта функция (т.е. плотность вероятности нахождения частицы в той или иной точке пространства) имеет вид волны (волнового пакета), то можно попытаться определить ее длину. По формуле де Бройля эта длина обратно пропорциональна массе частицы и ее скорости. То есть массивная частица имеет меньшую длину волны, ее волновой пакет хорошо локализуется. А легкая частица, имеющая ту же скорость, оказывается размазанной в пространстве :)
Fil
По моему, у вас больше похоже на справочник получилось. Популяризаторы, типа Брайана Грина, пишут целые книги, охватывая те же темы, что и в статье. И то не просто читается.
HabraBugger
Да, наверное так оно и есть ;) Я попытался в одной статье охватить целиком тему стандартной модели, наверное поэтому получилось чрезмерное нагромождение информации.
isden
Да какое нагромождение? Читал-читал, и тут вдруг уже все :(
HabraBugger
Под нагромождением я подразумевал слишком много новых терминов в каждой строке :) Если эта статья будет пользоваться хоть каким то интересом, я постараюсь написать ещё несколько на эту тему. В них уже более подробно будет рассказываться о каждой частице, её свойствах, а так же о Большом Адронном Коллайдере, который сыграл немаловажную роль в развитии физики элементарных частиц.
super-guest
Терминов много… нужно объяснять по ходу дела или давать ссылки. Представьте, что объясняете своему ребёнку — что бы он уточнял?
HabraBugger
Спасибо! Учту :)