Современные физические представления о кварках

СОДЕРЖАНИЕ

 

ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ВОПРОСЫ: ……………………………………………………. 3

Современные физические представления о кварках ……………….…...……… 3

Синтетическая теория эволюции. Гипотеза Геи (Земли) ………….……...…… 7

Современные методы изучения Вселенной …………………….………...…… 11

СПИСОК ИСТОЧНИКОВ И ЛИТЕРАТУРЫ ……………….………...……...….. 15

 

СОВРЕМЕННЫЕ ФИЗИЧЕСКИЕ ПРЕДСТАВЛЕНИЯ  О КВАРКАХ

 

Кварк — элементарная частица в квантовой хромодинамике, рассматриваемая как составная часть адронов. Известно 6 разных видов кварков, для различия которых вводится такое понятие как «аромат». Для краткости кваркам присвоены следующие имена: u-кварк, d-кварк, c-кварк, s-кварк, t-кварк, b-кварк.

Адроны подразделяются на барионы и мезоны, при этом полагают, что барионы как частицы с полуцелым спином состоят из трёх кварков, а мезоны включают в себя по кварку и антикварку и имеют целый спин. Среди барионов наиболее хорошо изучены протон и нейтрон, входящие в состав атомных ядер. Гипотеза кварков и составленность из них адронов позволила объяснить многие свойства симметрии (например, мультиплеты частиц), наблюдаемые у адронов.

Особенностью кварков является то, что они не наблюдаются в свободном состоянии. Это означает, что хотя они могут быть внутри адронов, но при распаде частиц кварки каким-то образом комбинируются так, что в результате в продуктах распада видны не кварки, а только какие-то элементарные частицы. Данную ситуацию описывают как конфайнмент, то есть удержание кварков внутри адронов. Вследствие ненаблюдаемости кварков все их свойства определяются путём расчётов косвенным путём через свойства адронов.

Кварковая модель адронов была впервые выдвинута М. Гелл-Манном и, независимо от него, Дж. Цвейгом в 1964 году. 

Ранее, в 1960 г., Гелл-Манн сформулировал систему классификации  частиц, известную как восьмеричный путь, и основанную на SU(3) симметрии. Неэман (Yuval Ne'eman) также в 1962 г. развил аналогичную систему.

Указанные системы оказались  необходимым звеном, приведшим к  модели кварков. Сама же идея о том, что адроны вероятно являются составными частицами, возникла в 1949 г., когда Ферми и Янг предположили, что пион составлен из нуклона и антинуклона. Такой пион был необходим для объяснения сильного взаимодействия нуклонов. Затем последовала модель Гольдхабера, где фундаментальными частицами кроме протона и нейтрона считались ещё K-мезоны, и из этих трёх частиц получались остальные. В модели Маркова фундаментальными частицами были восемь барионов, а мезоны строились из барионов и антибарионов. Ситуацию значительно упростила модель Сакаты, в которой все адроны строились из трёх барионов – нейтрона, протона и Λ-частицы. При этом должны были выполняться законы сохранения электрического заряда и квантовых чисел (например, изоспина). Отсюда последовала унитарная симметрия состояний частиц в виде U(3) симметрии, а затем и восьмеричный путь Гелл-Манна и Нееемана.

Согласно Гелл-Манну  и Цвейгу, каждый из множества адронов  должен состоять из определённой комбинации кварков и антикварков. Вначале речь шла только о трёх кварках, типа u, d, s, с присущими им спином и зарядами. В это время научное сообщество занимал вопрос о том, являются ли кварки реальными частицами или просто удобной описательной абстракцией. Конкурентами кваркам были ещё ряд моделей, например трёхцветная модель с тремя ароматами Хана – Намбу, содержащая 9 фундаментальных частиц типа кварков с целыми зарядами, и вводящая новые степени свободы – цвет.

Менее чем через год после появления кварковой модели, Глэшоу и Бьоркен предсказали четвёртый кварковый аромат как новую степень свободы, названный ими очарование. Это позволило им лучше описывать слабое взаимодействие при распадах кварков, уравнять количество кварков с числом известных в то время лептонов, и применять уточнённую массовую формулу для оценки масс мезонов.

В 1968 г. эксперименты с  глубоко неупругим рассеянием частиц на Стэнфордском линейном ускорителе (SLAC) показали, что протон состоит из каких-то точечноподобных объектов и потому не является элементарной (неразложимой на части) частицей. Данные объекты были названы Фейнманом партонами, в роли которых в конце концов были предложены кварки. Под партонами понимают обычно кварки, антикварки и глюоны, а в теории бесконечной вложенности материи – любые объекты, находящиеся на один масштабный уровень (по массам и размерам) ниже, чем элементарные частицы.

Введение в теорию s-кварка позволило объяснить свойства каонов (K) и пионов (π), открытых в 1947 г. в космических лучах, а также других частиц, обнаруженных в экспериментах на ускорителях.

В 1970 г. Глэшоу и Майани представили дополнительные доказательства для существования c-кварка. Число предполагаемых кварков выросло до шести к 1973 г. В это время Кобаяcи и Маскава определили, что экспериментальное обнаружение нарушения CP-инвариантности могло бы быть объяснено, если ввести ещё два кварка, которые впоследствии назвали истинным и прелестным.

Частицы, содержащие очарованные  кварки, были открыты в 1974 г. почти  одновременно на протонном синхротроне в Брукхевене и на ускорителе SLAC в Стэнфорде. Вследствие этого открытые частицы, бывшие мезонами, получили разные обозначения J и ψ, и стали называться J/ψ мезонами. В 1977 г. в Национальном центре ядерных исследований им. Ферми (США) был обнаружен прелестный кварк, а в 1995 г. в столкновениях протонов и антипротонов – истинный кварк. Масса последнего кварка оказалась намного больше той, что ожидалась, достигая почти массы атома золота.

Каждый кварк обладает аналогом электрического заряда, служащим источником глюонного поля. Его назвали цветом. Если электромагнитное поле порождается зарядом только одного сорта, то более сложное глюонное поле создается тремя различными цветовыми зарядами. Каждый кварк «окрашен» в один из трех возможных цветов, которые (совершенно произвольно) назвали красным, зеленым и синим. И соответственно, антикварки бывают антикрасные, антизеленые и антисиние.

Кварки могут соединяться  друг с другом одним из двух возможных способов: либо тройками, либо парами кварк — антикварк. Из трех кварков состоят сравнительно тяжелые частицы — барионы; наиболее известные барионы — нейтрон и протон. Более легкие пары кварк — антикварк образуют частицы, получившие название мезоны. Чтобы это «трио» кварков не распадалось, необходима удерживающая их сила, некий «клей». А «цветовые заряды» кварков в совокупности компенсируются так, что в результате адроны оказываются «белыми» (или бесцветными).

Оказалось, что взаимодействие между нейтронами и протонами  в ядре представляет собой остаточный эффект более мощного взаимодействия между самими кварками. Это объяснило, почему сильное взаимодействие кажется столь сложным и почему кварки в свободном состоянии не были обнаружены. Когда протон «прилипает» к нейтрону или другому протону, во взаимодействии участвуют шесть кварков, каждый из которых взаимодействует со всеми остальными. Значительная часть энергии тратится на прочное «склеивание» трио кварков, а небольшая — на скрепление двух трио кварков друг с другом.

Кварки скрепляются между собой в результате сильного взаимодействия. Переносчики последнего — глюоны (цветовые заряды). Область физики элементарных частиц, изучающая взаимодействие кварков и глюонов, носит название квантовой хромодинамики. Как квантовая электродинамика — теория электромагнитного взаимодействия, так квантовая хромодинамика — теория сильного взаимодействия.

В настоящее время  большинство физиков считает кварки подлинно элементарными частицами — точечными, неделимыми и не обладающими внутренней структурой. В этом отношении они напоминают лептоны, и уже давно предполагается, что между этими двумя различными, но сходными по своей структуре семействами должна существовать глубокая взаимосвязь.

На конец XX в. наиболее вероятное число истинно элементарных частиц (не считая переносчиков фундаментальных взаимодействий) равно 48: лептонов (6 • 2) = 12 плюс кварков (6 • 3) • 2 = 36. Эти 48 частиц — подлинные «кирпичики» вещества, основа материальной организации мира.

 

СИНТЕТИЧЕСКАЯ ТЕОРИЯ ЭВОЛЮЦИИ. 
ГИПОТЕЗА ГЕИ (ЗЕМЛИ)

 

Синтетическая теория эволюции

 

Применительно к живой  природе эволюция принимается как  образование более сложных видов из простых. Генетика опровергла представления Ламарка о наследовании приобретенных при жизни признаков с помощью очень простых опытов.

Теория эволюции сформулирована Дарвином в 1839 г. Наибольший вклад Дарвина в науку заключался не в том, что он доказал существование эволюции, а в том, что он объяснил, как она может происходить. В 1859 г. Дарвин опубликовал труд «Происхождение видов путем естественного отбора». Гипотеза Дарвина основана на трех наблюдениях и двух выводах.

Наблюдение 1. Особи, входящие в состав популяции, обладают большим репродуктивным потенциалом.

Наблюдение 2. Число особей в каждой данной популяции примерно постоянно.

Вывод 1. Многим особям не удается выжить и оставить потомство. В популяции происходит «борьба за существование».

Наблюдение 3. Во всех популяциях существует изменчивость.

Вывод 2. В «борьбе за существование» те особи, признаки которых наилучшим образом приспособлены к условиям жизни, обладают «репродуктивным преимуществом» и производят больше потомков, чем менее приспособленные особи. Вывод 2 содержит гипотезу о естественном отборе, который может служить механизмом эволюции.

Теория эволюции знаменовала собой  крупный прорыв в биологии, наряду с классификацией Линнея и клеточной  теорией. Но вопросы и сомнения оставались. Всю жизнь Дарвина преследовал «кошмар Дженкина» — возражение следующего содержания: если среди поля красных маков появится белый, то после скрещивания он даст розовое потомство, а через 2-3 поколения исчезнет всякое воспоминание о белом цвете (ведь в природе нет «демона Максвелла»).

Лишь возникновение генетики дало возможность отвергнуть это возражение. Опровергнув концепцию Ламарка, генетика помогла дарвинизму, объяснив, что появившийся признак не может исчезнуть, так как наследственный аппарат сохраняет случайно возникшее в нем, подобно тому, как сохраняются опечатки в книгах при их воспроизводстве.

Генетика привела к новым  представлениям об эволюции, получившим название неодарвинизма, который можно определить как теорию органической эволюции путем естественного отбора признаков, детерминированных генетически. Другое общепринятое название — синтетическая, или общая, теория эволюции. Механизм эволюции стал рассматриваться как состоящий из двух частей: случайные мутации на генетическом уровне и наследование наиболее удачных с точки зрения приспособления к окружающей среде мутаций, т.к. их носители выживают и оставляют потомство.

Мутация → появление нового признака → борьба за существование →  естественный отбор.

«Теория Дарвина в  ее сегодняшней форме содержит, собственно, два независимых утверждения. Согласно одному из них, в процессе воспроизведения испытываются все новые формы, которые в своем большинстве при данных внешних обстоятельствах снова исчезают как непригодные; сохраняются лишь немногие приспособленные. Во-вторых, предполагается, что новые формы возникают вследствие чисто случайных нарушений генной структуры». Некоторые из событий, приводимых в качестве доказательства эволюционной гипотезы, воспроизводимы в лаборатории, однако это не значит, что они действительно имели место в прошлом, а свидетельствует об их возможности. На многие возражения до сих пор нет ответа. Поэтому концепцию Дарвина точнее все же относить к гипотезам, которые требуют дальнейшего подтверждения.

 

Гипотеза Геи (Земли)

 

Эта гипотеза возникла в  последние два десятилетия на основе учения о биосфере, экологии и концепции коэволюции. Авторами ее являются английский химик Джеймс Лавлок и американский микробиолог Линн Маргулис. Вначале была обнаружена химическая неравновесность атмосферы Земли, которая рассматривается как признак жизни. По мнению Лавлока, если жизнь представляет собой глобальную целостность, ее присутствие может быть обнаружено через изменение химического состава атмосферы планеты.

Лавлок ввел понятие  геофизиологии, обозначающее системный  подход к наукам о Земле. Согласно Гея-гипотезе, сохранение длительной химической неравновесности атмосферы Земли обусловлено совокупностью жизненных процессов на Земле. С начала жизни 3,5 млрд. лет назад существовал механизм биологической автоматической термостатики, в котором избыток двуокиси азота в атмосфере играл регулирующую роль, препятствуя тенденции потепления, связанной с возрастанием яркости солнечного света. Другими словами, действует механизм обратной связи.

Лавлок сконструировал модель, в соответствии с которой при изменении яркости потоков солнечного света растет разнообразие, ведущее к возрастанию способности регулировать температуру поверхности планеты, а также к росту биомассы.

Суть Гея-гипотезы: Земля является саморегулирующейся системой, созданной биотой и окружающей средой, способной сохранять химический состав атмосферы и тем самым поддерживать благоприятное для жизни постоянство климата. По Лавлоку, мы — обитатели и часть квазиживой целостности, которая обладает способностью глобального гомеостаза, снисходительного к нарушениям, если она в хорошей форме, в пределах своей способности к саморегуляции. Когда подобная система попадает в состояние стресса, близкого к границам саморегуляции, даже маленькое потрясение может толкнуть ее к переходу в новое стабильное состояние или даже полностью уничтожить.

В то же время «Гея»  превращает даже отбросы в необходимые  элементы и, видимо, может выжить даже после ядерной катастрофы. Эволюция биосферы, по Лавлоку, может быть процессом, который выходит за рамки полного понимания, контроля и даже участия человека.

Подходя к Гея-гипотезе с биологических позиций, Л. Маргулис полагает, что жизнь на Земле представляет собой сеть взаимозависимых связей, позволяющих планете действовать  как саморегулирующаяся и самопроизводящая система.

Совместная жизнь приводит к появлению новых видов и  признаков. Эндосимбиоз (внутренний симбиоз партнеров) — механизм усложнения строения многих организмов. Изучение ДНК простых организмов подтверждает, что сложные растения произошли из соединения простых.