Современная физическая картина мира

Первые идеи дискретности, прерывистости материи, идеи атомизма возникли ещё в древней Греции (Эпикур) и древнем Риме (Лукреций). В средние века они были преданы забвению и возродились в Европе только в 17 веке. Но до конца 19 века эта идея существовала лишь как гипотеза. И только после экспериментального доказательства электронно-ядерного строения атомов эту идею перестали оспаривать. В 1896 году был открыт электрон, в 1919 году - протон, в 1932 году - нейтрон. Дальнейшие экспериментальные исследования показали, что дискретность вещества является многоступенчатой. Исследование космического излучения, а затем многочисленные эксперименты с ядерными реакциями позволили открыть множество других частиц, которые сейчас называют элементарными. В настоящее время их известно около 400. Однако термин «элементарный» повторяет историю слова «атом» - неделимый. Уже сейчас не вызывает сомнения, что многие так называемые элементарные частицы являются составными.

Современные представления о структуре материи на макроскопическом уровне выделяют две формы материи - вещество и поле. Вещество и поле имеют внутреннюю структуру (микроскопический уровень).

Элементарные частицы обычно подразделяют на три класса:

1) Фотоны (кванты электромагнитного поля) участвуют в электромагнитном взаимодействии, но не обладают сильным и слабым взаимодействием.

2) Лептоны - это частицы, обладающие слабым взаимодействием, но не обладающие сильным взаимодействием. Заряженные лептоны обладают электромагнитным взаимодействием. К лептонам относятся электроны, мюоны, таоны, электронные, мюонные и таонные нейтрино и все их античастицы (всего - 6 частиц и 6 античастиц).

3) Адроны - это частицы, обладающие сильным и слабым взаимодействием. Заряженные адроны обладают электромагнитным взаимодействием. Класс адронов разделяют на два подкласса: а) мезоны и б) барионы.

а) Мезоны - сильно взаимодействующие нестабильные частицы, не несущие так называемого барионного заряда. Спин всех мезонов равен нулю, то есть они являются бозонами. К мезонам относятся p-мезоны (пионы), К -мезоны (каоны) и эта-мезон.

б) Барионы - сильно взаимодействующие в основном нестабильные частицы, несущие барионный заряд. Спин всех барионов равен 1/2, то есть они являются фермионами. К барионам относятся нуклоны (р, n) и гипероны - нестабильные частицы с массой, большей массы нуклонов. При распаде барионов, наряду с другими частицами обязательно образуется барион, так как должен выполняться закон сохранения барионного заряда.

К 60-м годам элементарных частиц было открыто так много, что возникли серьёзные сомнения в том, что они действительно являются элементарными. В 1964 году американские физики М.Гелл-Ман и Д.Цвейг, независимо друг от друга выдвинули гипотезу, согласно которой все адроны (то есть мезоны и барионы) построены из трёх частиц - кварков, имеющих дробные квантовые числа и электрические заряды, равные +2/3, -1/3 и -1/3. Каждому кварку соответствует антикварк. Мезоны образуются из пары кварк-антикварк, а барионы - из трёх кварков.

Впоследствии для устранения противоречия с принципом Паули было введено понятие цвета кварка - каждый кварк может существовать в трёх «окрашенных формах»: жёлтой, синей, красной. Для античастиц введены антицвета: фиолетовый, оранжевый, зелёный соответственно. Цвет кварка (подобно знаку электрического заряда) определяет взаимное притяжение и отталкивание кварков. Переносчиками взаимодействия между кварками являются глюоны (подобно тому как фотоны являются переносчиками электромагнитного взаимодействия, а пионы - сильного).

Идея кварков оказалась весьма плодотворной. Она позволила: 1) систематизировать известные частицы, 2) предсказать новые, 3) объяснить многие свойства частиц, связать между собой различные процессы.

Попытки наблюдать кварки в свободном состоянии не увенчались успехом. Это привело к выводу о том, что они могут существовать только внутри адронов и в принципе не могут наблюдаться в свободном состоянии. Существует даже термин конфайнмент (от английского confinement - тюремное заключение). Причина состоит в короткодействии сил взаимодействия между кварками - на малых расстояниях они практически свободны, но при увеличении расстояния между ними силы взаимодействия очень резко возрастают, не позволяя кваркам вылететь из адрона.

Таким образом, согласно общепринятой в настоящее время модели Вселенная построена на основе только шести типов кварков и шести типов лептонов и их античастиц, а всё остальное представляет собой их комбинации. Экспериментально установлено, что размеры этих основополагающих частиц ~10^-19м.