Частица это физика

Квант

Квант (от лат. quantum — «сколько») — неделимая порция какой-либо физической величины. Понятие ввел в 1900 году Макс Планк в своей классической работе по исследованию излучения абсолютно черного тела, где он предположил, что электромагнитное излучение испускается в виде отдельных порций энергии, которые он назвал квантами. Впоследствии эта работа стала основой квантовой механики, согласно которой ряд физических величин, в том числе энергия, импульс и размер, могут принимать только определенные значения. Известный советский, а потом американский астрофизик Георгий Гамов в шутку объяснял квантование энергии так: это все равно, что природа разрешила либо пить целый литр пива сразу, либо вообще не пить ничего, не допуская промежуточных доз.

Слово «квант» используется также для обозначения некоторых частиц или квазичастиц. Например, фотон называют квантом электромагнитного поля, фонон — квантом колебаний кристаллической решетки, а гипотетический гравитон — квантом гравитационного поля.

Из-за некоторой расплывчатости термина (то ли частица, то ли физическая величина, например энергия) в современной физики он употребляется скорее по традиции. Так, понятие квантовой механики породило названия типа квантовой теории поля, квантовой оптики и т.д. В основном термин «квант» употребляется сейчас в научно-популярной литературе.

Квантовая частица

Запрос «Элементарные частицы» перенаправляется сюда; см. также другие значения. Краткий обзор различных семейств элементарных и составных частиц и теории, описывающие их взаимодействия. Элементарные частицы слева — фермионы, справа — бозоны. (Термины — гиперссылки на статьи ВП)

Элемента́рная части́ца — собирательный термин, относящийся к микрообъектам в субъядерном масштабе, которые на практике невозможно расщепить на составные части.

Следует иметь в виду, что некоторые элементарные частицы (электрон, нейтрино, кварки и т. д.) на данный момент считаются бесструктурными и рассматриваются как первичные фундаментальные частицы. Другие элементарные частицы (так называемые составные частицы, в том числе частицы, составляющие ядро атома — протоны и нейтроны) имеют сложную внутреннюю структуру, но, тем не менее, по современным представлениям, разделить их на части невозможно по причине эффекта конфайнмента.

Всего вместе с античастицами открыто более 350 элементарных частиц. Из них стабильны фотон, электронное и мюонное нейтрино, электрон, протон и их античастицы. Остальные элементарные частицы самопроизвольно распадаются по экспоненциальному закону с постоянной времени от приблизительно 1000 секунд (для свободного нейтрона) до ничтожно малой доли секунды (от 10−24 до 10−22 с для резонансов).

Строение и поведение элементарных частиц изучается физикой элементарных частиц.

Все элементарные частицы подчиняются принципу тождественности (все элементарные частицы одного вида во Вселенной полностью одинаковы по всем своим свойствам) и принципу корпускулярно-волнового дуализма (каждой элементарной частице соответствует волна де-Бройля).

Все элементарные частицы обладают свойством взаимопревращаемости, являющегося следствием их взаимодействий: сильного, электромагнитного, слабого, гравитационного. Взаимодействия частиц вызывают превращения частиц и их совокупностей в другие частицы и их совокупности, если такие превращения не запрещены законами сохранения энергии, импульса, момента количества движения, электрического заряда, барионного заряда и др.

Основные характеристики элементарных частиц: время жизни, масса, спин, электрический заряд, магнитный момент, барионный заряд, лептонный заряд, странность, изотопический спин, чётность, зарядовая чётность, G-чётность, CP-чётность.

Классификация

По времени жизни

Все элементарные частицы делятся на два класса:

  • Стабильные элементарные частицы — частицы, имеющие бесконечно большое время жизни в свободном состоянии (протон, электрон, нейтрино, фотон и их античастицы).
  • Нестабильные элементарные частицы — частицы, распадающиеся на другие частицы в свободном состоянии за конечное время (все остальные частицы).

По массе

Все элементарные частицы делятся на два класса:

  • Безмассовые частицы — частицы с нулевой массой (фотон, глюон).
  • Частицы с ненулевой массой (все остальные частицы).

По величине спина

Все элементарные частицы делятся на два класса:

  • бозоны — частицы с целым спином (например, фотон, глюон, мезоны, бозон Хиггса);
  • фермионы — частицы с полуцелым спином (например, электрон, протон, нейтрон, нейтрино).

По видам взаимодействий

Элементарные частицы делятся на следующие группы:

Составные частицы

  • Адроны — частицы, участвующие во всех видах фундаментальных взаимодействий. Они состоят из кварков и подразделяются, в свою очередь, на:
    • мезоны — адроны с целым спином, то есть являющиеся бозонами;
    • барионы — адроны с полуцелым спином, то есть фермионы. К ним, в частности, относятся частицы, составляющие ядро атома, — протон и нейтрон.

Фундаментальные (бесструктурные) частицы

Основная статья: Фундаментальная частица

  • Лептоны — фермионы, которые имеют вид точечных частиц (то есть не состоящих ни из чего) вплоть до масштабов порядка 10−18 м. Не участвуют в сильных взаимодействиях. Участие в электромагнитных взаимодействиях экспериментально наблюдалось только для заряженных лептонов (электроны, мюоны, тау-лептоны) и не наблюдалось для нейтрино. Известны 6 типов лептонов.
  • Кварки — дробно заряженные частицы, входящие в состав адронов. В свободном состоянии не наблюдались (для объяснения отсутствия таких наблюдений предложен механизм конфайнмента). Как и лептоны, делятся на 6 типов и считаются бесструктурными, однако, в отличие от лептонов, участвуют в сильном взаимодействии.
  • Калибровочные бозоны — частицы, посредством обмена которыми осуществляются взаимодействия:
    • фотон — частица, переносящая электромагнитное взаимодействие;
    • восемь глюонов — частиц, переносящих сильное взаимодействие;
    • три промежуточных векторных бозона W+, W− и Z0, переносящие слабое взаимодействие;
    • гравитон — гипотетическая частица, переносящая гравитационное взаимодействие. Существование гравитонов, хотя пока не доказано экспериментально в связи со слабостью гравитационного взаимодействия, считается вполне вероятным; однако гравитон не входит в Стандартную модель элементарных частиц.

Адроны и лептоны образуют вещество. Калибровочные бозоны — это кванты разных типов взаимодействий.

Кроме того, в Стандартной модели с необходимостью присутствует хиггсовский бозон, предсказанный в 1964 году и обнаруженный в 2012 году на Большом адронном коллайдере.

Размеры элементарных частиц

Основная статья: Размер элементарной частицы

Несмотря на большое разнообразие элементарных частиц, их размеры укладываются в две группы. Размеры адронов (как барионов, так и мезонов) составляют около 10−15 м, что близко к среднему расстоянию между входящими в них кварками. Размеры фундаментальных, бесструктурных частиц — калибровочных бозонов, кварков и лептонов — в пределах погрешности эксперимента согласуются с их точечностью (верхний предел диаметра составляет около 10−18 м) (см. пояснение). Если в дальнейших экспериментах окончательные размеры этих частиц не будут обнаружены, то это может свидетельствовать о том, что размеры калибровочных бозонов, кварков и лептонов близки к фундаментальной длине (которая весьма вероятно может оказаться планковской длиной, равной 1,6·10−35 м).

Следует отметить, однако, что размер элементарной частицы является достаточно сложной концепцией, не всегда согласующейся с классическими представлениями. Во-первых, принцип неопределённости не позволяет строго локализовать физическую частицу. Волновой пакет, представляющий частицу как суперпозицию точно локализованных квантовых состояний, всегда имеет конечные размеры и определённую пространственную структуру, причём размеры пакета могут быть вполне макроскопическими — например, электрон в эксперименте с интерференцией на двух щелях «чувствует» обе щели интерферометра, разнесённые на макроскопическое расстояние. Во-вторых, физическая частица меняет структуру вакуума вокруг себя, создавая «шубу» из кратковременно существующих виртуальных частиц — фермион-антифермионных пар (см. Поляризация вакуума) и бозонов-переносчиков взаимодействий. Пространственные размеры этой области зависят от калибровочных зарядов, которыми обладает частица, и от масс промежуточных бозонов (радиус оболочки из массивных виртуальных бозонов близок к их комптоновской длине волны, которая, в свою очередь, обратно пропорциональна их массе). Так, радиус электрона с точки зрения нейтрино (между ними возможно только слабое взаимодействие) примерно равен комптоновской длине волны W-бозонов, ~3×10−18 м, а размеры области сильного взаимодействия адрона определяются комптоновской длиной волны легчайшего из адронов, пи-мезона (~10−15 м), выступающего здесь как переносчик взаимодействия.

Стандартная модель

Основная статья: Стандартная модель

Стандартная модель элементарных частиц включает в себя 12 ароматов фермионов, соответствующие им античастицы, а также калибровочные бозоны (фотон, глюоны, W- и Z-бозоны), которые переносят взаимодействия между частицами, и обнаруженный в 2012 году бозон Хиггса, отвечающий за наличие инертной массы у частиц. Однако Стандартная модель в значительной степени рассматривается скорее как теория временная, а не действительно фундаментальная, поскольку она не включает в себя гравитацию и содержит несколько десятков свободных параметров (массы частиц и т. д.), значения которых не вытекают непосредственно из теории. Возможно, существуют элементарные частицы, которые не описываются Стандартной моделью — например, такие, как гравитон (частица, гипотетически переносящая гравитационные силы) или суперсимметричные партнёры обычных частиц. Всего модель описывает 61 частицу.

Фермионы

Основная статья: Фермион

12 ароматов фермионов разделяются на 3 семейства (поколения) по 4 частицы в каждом. Шесть из них — кварки. Другие шесть — лептоны, три из которых являются нейтрино, а оставшиеся три несут единичный отрицательный заряд: электрон, мюон и тау-лептон.

Поколения частиц

Первое поколение Второе поколение Третье поколение
Электрон: e− Мюон: μ− Тау-лептон: τ−
Электронное нейтрино: νe Мюонное нейтрино: νμ Тау-нейтрино: ν τ {\displaystyle \nu _{\tau }}
u-кварк («верхний»): u c-кварк («очарованный»): c t-кварк («истинный»): t
d-кварк («нижний»): d s-кварк («странный»): s b-кварк («прелестный»): b

Античастицы

Основная статья: Антивещество

Также существуют 12 фермионных античастиц, соответствующих вышеуказанным двенадцати частицам.

Античастицы

Первое поколение Второе поколение Третье поколение
позитрон: e+ Положительный мюон: μ+ Положительный тау-лептон: τ+
Электронное антинейтрино: ν ¯ e {\displaystyle {\bar {\nu }}_{e}} Мюоное антинейтрино: ν ¯ μ {\displaystyle {\bar {\nu }}_{\mu }} Тау-антинейтрино: ν ¯ τ {\displaystyle {\bar {\nu }}_{\tau }}
u-антикварк: u ¯ {\displaystyle {\bar {u}}} c-антикварк: c ¯ {\displaystyle {\bar {c}}} t-антикварк: t ¯ {\displaystyle {\bar {t}}}
d-антикварк: d ¯ {\displaystyle {\bar {d}}} s-антикварк: s ¯ {\displaystyle {\bar {s}}} b-антикварк: b ¯ {\displaystyle {\bar {b}}}

Кварки

Основная статья: Кварк

Кварки и антикварки никогда не были обнаружены в свободном состоянии — это объясняется явлением конфайнмента. На основании симметрии между лептонами и кварками, проявляемой в электромагнитном взаимодействии, выдвигаются гипотезы о том, что эти частицы состоят из более фундаментальных частиц — преонов.

> Неизвестные частицы

По мнению большинства физиков, существуют неизвестные доселе типы частиц из которых состоит темная материя

Квантовое мышление

Квантовое мышление — одно из лучших мышлений в данное время. На самом деле, квантовые мысли изобрели самую актуальную науку, когда-либо созданную человечеством, — она лучше предсказывает и объясняет более понятно все: от субатомных частиц и биологических систем до космических путешествий и движений галактик. Квантовое мышление началось за поворотом века, когда ученые, используя классическую физику (Ньютона), не могли принять во внимание стабильность атома или количество энергии, излучающейся из «Черного тела». Нужна была новая перспектива, — и таким образом родилась квантовая механика. Макс Планк и Альберт Эйнштейн решили разгадать загадку излучения «Черного тела», давая «квантовое измерение» радиационному полю, — и так родился «ФОТОН». Нильс Бор, Луи до Броль, И.Эрвин, Шредингер разгадали загадку атомной стабильности, дав «КВАНТОВОЕ» измерение энергетическим волнам внутри атома, — и так родились устойчивые волны электрона.

Но рассмотрение радиационных полей и энергетических волн как «КВАНТОВ» (кусочки или частички энергии, которые одновременно являются и «ЧАСТИЦЕЙ», и «ВОЛНОЙ») загадало загадку всему миру науки.

Квантовое мышление подразумевало, что могут быть измерения реальности за пределами скорости света, которые являются причиной всего, что происходит здесь. Это предлагало ответы и на другие озадачивающие вопросы. Что, к примеру, заставляет саму материю пространства изгибаться? И почему существовала неизменяемая неопределенность всего во Вселенной? Когда ученые взглянули на Вселенную с квантовой перспективы, они обнаружили в самой материи пространства и времени всепроникающую силу — Квантовую Силу — такую огромную, что кубический сантиметр пространства содержит больше энергии, чем вся материя повсюду. Они обнаружили, что эта сила распространяется по Вселенной в бесконечном «поле» — «КВАНТОВОЙ ВОЛНЕ». И они открыли, что квантовая сила, и квантовая волна, и все в физической вселенной управляется основополагающим порядком, «порядком внутри всех порядков».

Три центральных концепции квантового мышления помогли мне объяснить свои наблюдения о человеческом разуме.

Первой была концепция универсального поля, содержащего все возможности, любой потенциал для любого обстоятельства: КВАНТОВАЯ ВОЛНА.

Второй была концепция основополагающего нераскрытого порядка во Вселенной — «Скрытого Порядка».

И третьей была концепция о двойственной природе физической реальности: как «ЧАСТИЦ», так и «ВОЛН».

Квантовая волна

Квантовая волна, как полагали вначале, должна была быть только теоретической возможностью, но Дэвид Бом и другие поместили ее в другую, не проявляющую себя плоскость, так как были убеждены в своем открытии, что квантовая волна есть источник всей физической реальности, всего, что есть в проявляющей себя плоскости. Так все, к чему мы прикасаемся, видим, слышим или чувствуем, все в нашем физическом мире есть результат «распада» квантовой волны на «частицы физической реальности».

Некоторые ученые называют квантовую волну «волной предложения», так как она, говоря другими словами, предлагает любую возможность. Волна предложения видится с квантовой перспективы как созданная из бесконечного множества «КВАНТОВ» — (кусочков и частей),- которые образуют совершенную систему возможностей для любых данных обстоятельств. Человеческий разум вызывает «коллапс» функции «волны». Когда вы выбираете, что хотите, вы фокусируетесь на отдельном «КВАНТЕ». Выбирая это и встречаясь со всеми пограничными условиями, вы вызываете коллапс Квантовой волны, и то, что вы хотите, становится реальностью.

Частица и волна

Исходя из холодинамической перспективы, все создано из энергии. Квантовая сила «проявляет» свою энергию в физическом мире как «частица» и как «волна». Это было предложено Альбертом Эйнштейном, Борисом Подольским и Натаном Розеном более 50 лет назад. Они предположили, что если разделить частицы-близнецы, и одна будет рассматриваться как «частица», (либо как «волна»), то она будет «разрушать функцию волны» для другой частицы, чтобы та стала такой же, как бы далеко друг от друга они ни находились.

Другими словами, изменение одной «частицы» или «волны» — делает «частицей» или «волной» другую такую же частицу. В 1965 году Джон Стюарт Болл изобрел способ фактически провести Е.Р.К. эксперимент.

В его эксперименте спаренные фотоны были расцеплены и тогда, когда фотоны путешествовали от одного к другому, каждый из них оценивался как «волна» или как «частица»: если один фотон был рассмотрен как волна, другой, конечно же, оказывался «волной». Но если один фотон рассматривался как «частица», другой тут же становился «частицей». Как бы один фотон объяснял другому: «Эй, они посчитали меня частицей, значит, ты тоже должен быть частицей». В ходе эксперимента они должны были «общаться между собой» со скоростью БОЛЬШЕ СКОРОСТИ СВЕТА. Так два фотона путешествовали вдали друг от друга, каждый почти со скоростью света, а вместе почти в два раза больше скорости света. Итак, то, что предложили Эйнштейн, Розен и Подольский, и продемонстрировал Болл, оказалось верным: существует измерение за пределами скорости света, и этот факт влияет на физическую реальность

Эксперимент Болла также показал, что полученные вами результаты зависят частью от вашего измерительного прибора и частью оттого, что вы намереваетесь получить.

Проявляется ли нечто как «волна» или «частица», зависит от того, как вы измеряете ее, как вы расцениваете ее — и ОТ ТОГО, В КАКОМ КАЧЕСТВЕ ВБ1 ХОТЕЛИ ЕЕ ВИДЕТЬ. «Элементарные частицы» или «волны» ведут себя в соответствии с условиями, которые вы создаете для них, и так они создают физическую реальность. Если вы отойдете хоть на шаг в сторону от ваших обычных мыслительных процессов и сфазируете пространство того, что происходит в вашем понимании реальности, то становится очевидным одно: ваш разум имеет два основных процесса, которыми он действует в реальности, — рациональный процесс («ЧАСТИЦЫ») и интуитивный процесс («ВОЛНЫ»).

Вы можете смотреть на все с точки зрения «ЧАСТИЦ» или «ВОЛН», и реальность будет отвечать вам.

Квантовое мышление дает вам сильную, новую перспективу не только физической реальности, но также человеческого разума — как он постигает, создает эту реальность и влияет на нее. Квантовое мышление помогает понять и направить наши умы лучше, чем когда-либо могла изобрести наука.

Модель разума

В целях некоторого упрощения, я представил свою топологию разума в форме куба, т.е. взял каждый аспект разума и осуществил фазирование пространства внутри куба, причем я изменил его «форму» без изменения его «функций», и, таким образом, родилась модель разума. Эта модель показала, что она — самый полезный, самый универсальный инструмент для визуализации, понимания и работы с динамикой разума, которую я когда-либо видел. Моя Модель Разума испытывалась в течении многих лет. Я наблюдал, как она работала в каждом случае, проверял, настраивал и упрощал ее без преуменьшения силы и эффекта ее действия. Чем больше она использовалась, тем более становилась сильной. Она проясняет, как разум интегрируется (соединяется в единое целое) и организует себя в соответствии с заключенным в себе порядком вселенной — и как разум развивается в соответствии с этим «порядком внутри всех порядков».

Модель разума показывает вам, как подступить к Квантовой волне, использовать квантовую силу и раскрыть «Я» внутри себя. Она уводит вас в глубочайшие порядки внутри порядков вашего разума и остается с вами вплоть до самых отдаленных пространств холодинамической вселенной. Это самый большой дар, которым я могу поделиться с вами.

МОДЕЛЬ РАЗУМА ИМЕЕТ СЛЕДУЮЩИЕ ИЗМЕРЕНИЯ РАЦИОНАЛЬНЫЕ И ИНТУИТИВНЫЕ ПРОЦЕССЫ

Существует два фундаментальных вида мышления, два мыслительных процесса, которые принимают во внимание все, что мы говорим, делаем или чувствуем.

Один — рациональный; другой — интуитивный. Один отражает «частичный» аспект реальности, другой — «волновой» аспект.

Рациональный процесс осуществляется, в основном, внутри левого полушария мозга. Здесь можно найти нашу возможность считать и вычислять, думать линейными, логическими предложениями и анализировать — выявлять детали или «частицы». Рациональное мышление позволяет нам брать эти «частицы», считать их и находить рациональные взаимоотношения между ними.

Это придает всем частям «буквальный смысл». В левом полушарии мы проделываем большую часть каждодневного мышления: мы балансируем бюджет, читаем газету, выполняем обычные ежедневные действия.

Интуитивный процесс разума осуществляется, в основном, в правом полушарии мозга. Это полушарие имеет дело с «волновым аспектом» реальности и является местом нашего воображения, творчества и художественных способностей. Здесь наш разум мечтает, влюбляется, видит «целостную картину», переживает различные эмоции. Здесь можно найти вашу способность фазировать пространство, видеть мир как взаимодействующее, динамическое целое и постигать потенциалы

Квантовые волны

Как можно объяснить, что электрон, проходящий сквозь одну щель, «знает» о другой? В качестве подсказки рассмотрим более подробно картинку, показанную на рис. 8.2в. Эта картинка с чередующимися полосами по типу «светлая — темноватая — тёмная» хорошо знакома любому физику. Она говорит нам — нет, она кричит — волны! Если вы когда-нибудь бросали в воду два камешка и потом наблюдали, как возникающие волны разбегаются и накладываются друг на друга, вы поймёте, что я имею в виду. Там, где гребень одной волны накладывается на гребень другой, результирующая волна высока; там, где впадина одной волны совпадает со впадиной другой волны, также впадина и у результирующей волны; но самое главное происходит, когда гребень одной волны пересекается со впадиной другой волны — тогда волны гасят друг друга и поверхность воды остаётся гладкой. Всё это проиллюстрировано на рис. 8.3. Если бы мы положили экран детектора на картинку, на которой отражён уровень волнения в каждой точке — чем сильнее волнение, тем ярче, — то результат предстал бы на экране в виде чередующихся ярких и тёмных областей. Там, где волны усиливают друг друга, что приводит к повышению уровня воды, находятся яркие области; тёмные области соответствуют самому низкому уровню воды там, где волны гасят друг друга. Физики говорят, что накладывающиеся волны интерферируют друг с другом, и называют чередование тёмных и светлых полос интерференционной картиной.

Рис. 8.3. нной картиной

Сходство с рис. 8.2в совершенно очевидно, поэтому глядя на данные по рассеянию электронов, мы начинаем думать о волнах. Хорошо. Это уже кое-что. Но детали происходящего по-прежнему остаются неясными. Что за волны? Откуда они? И как они связаны с частицами, такими как электроны?

Следующую подсказку даёт эксперимент, о котором я упомянул вначале. Собранные данные о движении частиц показывают, что полученные закономерности носят исключительно статистический характер. Проведя точно такие же измерения над идентично приготовленными частицами, мы увидим, что частицы, вообще говоря, окажутся в других местах; однако проведя большое количество таких измерений, мы обнаружим, что частицы в среднем обладают одинаковой вероятностью оказаться в любом заданном месте. В 1926 году немецкий физик Макс Борн, собрав воедино эти две подсказки, выдвинул неожиданную идею, которая спустя почти три десятилетия привела его к Нобелевской премии. Итак, есть экспериментальное подтверждение, что волны здесь как-то при чём. Есть экспериментальное подтверждение, что и вероятность здесь как-то при чём. Возможно, предположил Борн, волна, связанная с частицей, является волной вероятности.

Это была поразительно оригинальная идея. Суть в том, что анализируя движение частицы, не стоит представлять её как камешек, летящий отсюда туда. Наоборот, следует думать о ней как о волне, бегущей отсюда туда. Там, где значения волны велики, у её гребней или впадин, обнаружить частицу наиболее вероятно. Там, где значения малы, обнаружить частицу маловероятно. В тех местах, где значения равны нулю, частица оказаться не может. По мере того, как волна катится вперёд, значения меняются, возрастая в одних местах и уменьшаясь в других. Поскольку мы интерпретируем осциллирующие значения как осциллирующие вероятности, такая волна по праву называется волной вероятности.

Для уточнения картины рассмотрим, как это объясняет данные эксперимента с двумя щелями. Квантовая механика говорит нам, что движение электрона по направлению к пластинке на рис. 8.2в следует считать бегущей волной, как на рис. 8.4. Когда волна падает на пластинку, из щелей выходят два фрагмента волны, которые движутся далее по направлению к экрану детектора. А дальше происходит очень важное явление. Подобно перекрывающимся волнам на поверхности воды, волны вероятности, выходящие из двух щелей, перекрываются и интерферируют, приводя к картине, как на рис. 8.3. Распределение больших и малых значений отражает, согласно квантовой механике, распределение больших и малых вероятностей для положений, в которых может оказаться электрон. Электроны, испущенные друг за другом, дают суммарную картину попаданий, которая согласуется с такой вероятностной картинкой. Большинство электронов попадает туда, где вероятность велика, совсем немного оказывается там, где она мала, и ни одного электрона в тех местах, где вероятность равна нулю. В итоге возникают тёмные и светлые полосы, показанные на рис. 8.2в.{70}

Рис. 8.4. Описание движения электрона с помощью бегущей волны вероятности объясняет загадочный интерференционный узор в эксперименте с двумя щелями

Именно так квантовая теория объясняет полученные данные. То, что каждый электрон действительно «знает» о двух щелях, становится при таком описании явным, поскольку волна вероятности каждого электрона проходит сквозь обе щели. Именно объединение двух таких парциальных волн определяет вероятность того, куда попадёт электрон. Именно поэтому само наличие второй щели влияет на конечный результат.

Квантовая частица

Элемента́рная части́ца — собирательный термин, относящийся к микрообъектам в субъядерном масштабе, которые невозможно расщепить (или пока это не доказано) на составные части. Их строение и поведение изучается физикой элементарных частиц. Понятие элементарных частиц основывается на факте дискретного строения вещества. Ряд элементарных частиц имеет сложную внутреннюю структуру, однако разделить их на части невозможно. Другие элементарные частицы являются бесструктурными и могут считаться первичными фундаментальными частицами.

Со времён первого открытия элементарной частицы (электрона) в 1897 году обнаружено уже более 400 элементарных частиц.

По величине спина все элементарные частицы делятся на два класса:

  • фермионы — частицы с полуцелым спином (например, электрон, протон, нейтрон, нейтрино);
  • бозоны — частицы с целым спином (например, фотон).

По видам взаимодействий элементарные частицы делятся на следующие группы:

Составные частицы:

  • адроны — частицы, участвующие во всех видах фундаментальных взаимодействий. Они состоят из кварков и подразделяются, в свою очередь, на:
    • мезоны (адроны с целым спином, т. е. бозоны);
    • барионы (адроны с полуцелым спином, т. е. фермионы). К ним, в частности, относятся частицы, составляющие ядро атома, — протон и нейтрон.

Фундаментальные (бесструктурные) частицы:

  • лептоны — фермионы, которые имеют вид точечных частиц (т. е. не состоящих ни из чего) вплоть до масштабов порядка 10−18 м. Не участвуют в сильных взаимодействиях. Участие в электромагнитных взаимодействиях экспериментально наблюдалось только для заряженных лептонов (электроны, мюоны, тау-лептоны) и не наблюдалось для нейтрино. Известны 6 типов лептонов.
  • кварки — дробнозаряженные частицы, входящие в состав адронов. В свободном состоянии не наблюдались. Как и лептоны, делятся на 6 типов и являются бесструктурными, однако, в отличие от лептонов, участвуют в сильном взаимодействии.
  • калибровочные бозоны — частицы, посредством обмена которыми осуществляются взаимодействия:
    • фотон — частица, переносящая электромагнитное взаимодействие;
    • восемь глюонов — частиц, переносящих сильное взаимодействие;
    • три промежуточных векторных бозона W+, W− и Z0, переносящие слабое взаимодействие;
    • гравитон — гипотетическая частица, переносящая гравитационное взаимодействие. Существование гравитонов, хотя пока не доказано экспериментально в связи со слабостью гравитационного взаимодействия, считается вполне вероятным; однако гравитон не входит в Стандартную модель.

Адроны и лептоны образуют вещество. Калибровочные бозоны — это кванты разных видов излучения.

Кроме того, в Стандартной Модели с необходимостью присутствует хиггсовский бозон, который, впрочем, пока ещё не обнаружен экспериментально.

Первоначально термин «элементарная частица» подразумевал нечто абсолютно элементарное, первокирпичик материи. Однако, когда в 1950-х и 1960-х годах были открыты сотни адронов с похожими свойствами, стало ясно, что по крайней мере адроны обладают внутренними степенями свободы, т. е. не являются в строгом смысле слова элементарными. Это подозрение в дальнейшем подтвердилось, когда выяснилось, что адроны состоят из кварков.

Таким образом, мы продвинулись ещё немного вглубь строения вещества: самыми элементарными, точечными частями вещества сейчас считаются лептоны и кварки. Для них (вместе с калибровочными бозонами) и применяется термин «фундаментальные частицы».

> См. также

  • Список частиц
  • Фундаментальная частица
  • Фундаментальные взаимодействия
  • Физика высоких энергий
  • Физика элементарных частиц
  • Элементарные частицы Научно-популярная энциклопедия ядерной физики.

Частицы в физике — элементарные частицы

Править
Фермионы: Кварки: Верхний · Нижний · Странный · Очарованный · Прелестный · Истинный
Лептоны: Электрон · Позитрон · Мюон · Тау-лептон · Нейтрино
Калибровочные бозоны: Фотоны · W- и Z-бозоны · Глюоны
До сих пор не обнаружены: Бозон Хиггса · Гравитон · Другие гипотетические частицы

Что такое квант, кварк, нуклон, атом, молекула?

Квант (от нем. Quant—»квант», от лат. quantum — «сколько») — неделимая порция какой-либо элементарной частицы или величины вфизике (например, количество (порция) электромагнитного излучения, которое в единичном акте способен излучить или поглотить или др. квантовая система; элементарная частица, то же, что фотон). В основе понятия лежит представление квантовой механики о том, что некоторые физические величины могут принимать только определённые значения (говорят, что физическая величина квантуется).

В некоторых важных частных случаях эта величина или шаг её изменения могут быть только целыми кратными некоторого фундаментального значения — и последнее называют квантом. Например, энергия монохроматического электромагнитного излученияугловой частоты ω может принимать значения (N+1/2)ℏω, где ℏ — редуцированная постоянная Планка, а N — целое число. В этом случае ℏω имеет смысл энергии кванта излучения (иными словами, фотона), а N — смысл числа́ этих квантов (фотонов). Именно в этом смысле термин квант был впервые введен Максом Планком в его классической работе 1900 года — первой работе по квантовой теории, заложившей ее основу.

Вокруг идеи квантования с начала 1900-х годов развилась полностью новая физическая концепция, обычно называемая квантовой физикой (например, количество (порция) электромагнитного излучения, которое в единичном акте способен излучить или поглотить или др. квантовая система; элементарная частица, то же, что фотон).

Ныне прилагательное «квантовый» используется в названии ряда областей физики (квантовая механика, квантовая теория поля,квантовая оптика и т. д.). Широко применяется термин квантование, означающий построение квантовой теории некоторой системы или переход от её классического описания к квантовому. Тот же термин употребляется для обозначения ситуации, в которой физическая величина может принимать только дискретные значения — например, говорят, что энергия электрона в атоме «квантуется». Сам же термин «квант» в настоящее время имеет в физике довольно ограниченное применение. Иногда его употребляют для обозначения частиц или квазичастиц, соотвествующих бозонным полям взаимодействия (фотон — квант электромагнитного поля, фонон — квант поля звуковых волн в кристалле, гравитон — гипотетический квант гравитационного поля и т. д.), также о таких частицах говорят как о «квантах возбуждения» или просто «возбуждениях» соответствующих полей.


Кроме того, по традиции «квантом действия» иногда называют постоянную Планка. В современном понимании это название может иметь тот смысл, что постоянная Планка является естественной квантовой единицей измерения действия и других физических величин такой же размерности (например, момента импульса).

Кварк — фундаментальная частица в Стандартной модели, обладающая электрическим зарядом, кратным e/3, и не наблюдающаяся в свободном состоянии, но входящая в составадронов (сильновзаимодействующих частиц, таких как протоны и нейтроны). Кварки являются бесструктурными, точечными частицами; это проверено вплоть до масштаба примерно 5·10−18 м, что примерно в 20 тысяч раз меньше размера протона.

В настоящее время известно 6 разных «сортов» (чаще говорят — «ароматов») кварков, свойства которых даны в таблице. Кроме того, для калибровочного описания сильного взаимодействия постулируется, что кварки обладают и дополнительной внутренней характеристикой, называемой «цвет». Каждому кварку соответствует антикварк с противоположными квантовыми числами.

Гипотеза о том, что адроны построены из специфических субъединиц, была впервые выдвинута М. Гелл-Манном и, независимо от него, Дж. Цвейгом в 1964 году.

Нукло́ны (от лат. nucleus — ядро) — частицы, из которых построены атомные ядра. Нуклоны представлены протонами и нейтронами.

С точки зрения электромагнитного взаимодействия протон и нейтрон разные частицы, так как протон электрически заряжен, а нейтрон — нет. Однако с точки зрения сильного взаимодействия, которое является определяющим в масштабе атомных ядер, эти частицы неразличимы, поэтому и был введен термин «нуклон», а протон и нейтрон стали рассматриваться как два различных состояния нуклона, различающихся проекцией изотопического спина. Близость свойств изоспиновых состояний нуклона является одним из проявлений изотопической инвариантности.

Атом — это наименьшая частица химического элемента, сохраняющая все его химические свойства. Атом состоит из ядра, имеющего положительный электрический заряд, и отрицательно заряженных электронов. Заряд ядра любого химического элемента равен произведению Z на e, где Z — порядковый номер данного элемента в периодической системе химических элементов, е — величина элементарного электрического заряда.
Электрон — мельчайшая частица вещества с отрицательным электрическим зарядом е=1,6·10-19 кулона, принятым за элементарный электрический заряд. Электроны, вращаясь вокруг ядра, располагаются на электронных оболочках К, L, М и т. д. К — оболочка, ближайшая к ядру. Размер атома определяется размером его электронной оболочки. Атом может терять электроны и становиться положительным ионом или присоединять электроны и становиться отрицательным ионом. Заряд иона определяет число потерянных или присоединенных электронов. Процесс превращения нейтрального атома в заряженный ион называется ионизацией.
Атомное ядро (центральная часть атома) состоит из элементарных ядерных частиц — протонов и нейтронов. Радиус ядра примерно в сто тысяч раз меньше радиуса атома. Плотность атомного ядра чрезвычайно велика. Протоны — стабильные элементарные частицы, имеющие единичный положительный электрический заряд и массу, в 1836 раз большую, чем масса электрона. Протон представляет собой ядро атома самого легкого элемента — водорода. Число протонов в ядре равно Z. Нейтрон— нейтральная (не имеющая электрического заряда) элементарная частица с массой, очень близкой к массе протона. Поскольку масса ядра складывается из массы протонов и нейтронов, то число нейтронов в ядре атома равно А — Z, где А — массовое число данного изотопа (см. Периодическая система химических элементов). Протон и нейтрон, входящие в состав ядра, называются нуклонами. В ядре нуклоны связаны особыми ядерными силами.
В атомном ядре имеется огромный запас энергии, которая высвобождается при ядерных реакциях. Ядерные реакции возникают при взаимодействии атомных ядер с элементарными частицами или с ядрами других элементов. В результате ядерных реакций образуются новые ядра. Например, нейтрон может переходить в протон. В этом случае из ядра выбрасывается бета-частица, т. е. электрон.
Переход в ядре протона в нейтрон может осуществляться двумя путями: либо из ядра испускается частица с массой, равной массе электрона, но с положительным зарядом, называемая позитроном (позитронный распад), либо ядро захватывает один из электронов с ближайшей к нему К-оболочки (К-захват).
Иногда образовавшееся ядро обладает избытком энергии (находится в возбужденном состоянии) и, переходя в нормальное состояние, выделяет лишнюю энергию в виде электромагнитного излучения с очень малой длиной волны — гамма-излучение. Энергия, выделяющаяся при ядерных реакциях, практически используется в различных отраслях промышленности.

Молекула (франц. molecule, от лат. moles — масса) — наименьшая способная к самостоятельному существованию частица вещества, обладающая его химическими свойствами.
Учение о строении и свойствах молекул приобрело исключительный интерес для познания субмикроскопической структуры клеток и тканей, а также механизма биологических процессов на молекулярном уровне. Большие успехи в изучении структуры М. и, в частности, М. таких биополимеров, как белки и нуклеиновые кислоты, показали, что важнейшие функции этих веществ в организмах осуществляются на уровне отдельных молекул и поэтому должны исследоваться как молекулярные явления. Установлено, например, что такие функции белков, как ферментативная, структурная, сократительная, иммунная, транспортная (обратимое связывание и перенос жизненно необходимых веществ) разыгрываются на молекулярном уровне и непосредственно определяются структурой и свойствами М. этих веществ. Наследственность и изменчивость организмов связаны с особой структурой и свойствами М. нуклеиновых кислот, в которых зафиксирована вся генетическая информация, необходимая для синтеза белков организма. Небольшие отклонения в структуре или составе молекул ряда биологически важных веществ или изменения в молекулярном механизме некоторых обменных процессов являются причиной возникновения ряда заболеваний (например, серповидноклеточная анемия, наследственная галактоземия, сахарный диабет и др.), называемых молекулярными болезнями.
Молекула каждого вещества состоит из определенного числа атомов (см.) одного химического элемента (простое вещество) или различных элементов (сложное вещество), объединенных посредством химических (валентных) связей. Состав М. выражают химической формулой, в которой знаки элементов указывают вид атомов, образующих М., а числа, стоящие справа внизу, показывают, сколько атомов каждого элемента входит в состав М. Так, из химической формулы глюкозы СвН12Ое следует, что М. глюкозы состоит из 6 атомов углерода, 12 атомов водорода и 6 атомов кислорода. Молекулы инертных газов и паров некоторых металлов одноатомны. Это самые простые М. Наиболее сложными являются М. белков (см.), нуклеиновых кислот (см.) и других биополимеров, состоящие из многих тысяч атомов.

Не бойтесь перестараться

Обратите внимание на то, что старательность не может быть беспредельной. В 1900 году к такому выводу пришел немецкий ученый Макс Планк, пытаясь объяснить, каким образом нагретое тело излучает энергию. Чтобы спасти теорию излучения от противоречий, Планк вынужден был предположить, что действие состоит из мельчайших порций — квантов. Он рассчитал и величину такой порции. Эта величина считается минимальной мерой действия, то есть квантом действия. Ее обозначают символом h.

Любое действие, с которым физикам приходится иметь дело, всегда состоит из целого числа таких элементарных квантов.

Почему до Планка об этом не подозревали? Да по той же самой причине, почему долгое время ничего не знали об атомах. Пока мы имеем дело с бесчисленным множеством крошечных квантов действия (как, скажем, при беге по лестнице), просто невозможно заметить их в отдельности. Но в процессах, которые изучает атомная и ядерная физика, то и дело происходят действия, сравнимые с h. Тут-то и обнаруживается неделимость этой величины.

Легко ли предсказать будущее?

В XIX веке физика заявляла, что в микромире у вещей нет ни цвета, ни запаха, ни вкуса. Да и самих вещей, по сути, нет — есть только материальные точки (обладающие массой и иногда электрическим зарядом), которые движутся в пустом пространстве. И самое важное: движение материальных точек заранее предопределено начальными положениями и скоростями. Ничего случайного, никаких неожиданностей в классическом микромире не допускается.

Если вас ночью укусила блоха, то это закономерно и неизбежно следовало из расположения атомов в первичной туманности, некогда породившей Солнце, планеты, а потом — и земную природу со всеми ее многовековыми переменами и, в конце концов, эту самую злосчастную блоху. Именно эту, и никакую другую! Ибо по законам классической механики движение тел строго однозначно определяется движениями в предшествующий момент. Будущее закономерно вытекает из настоящего без всякого выбора разных возможностей, разных вариантов.

Открытие элементарного кванта действия отвергло столь безнадежно фаталистический взгляд на мир. Почему? Сначала — маленькое отступление.

Подглядывать — дело щекотливое

Зная законы движения планет, астроном уверенно предсказывает все, что произойдет с ними в будущем. Для этого он, во-первых, находит систему светил, которую можно считать изолированной от внешних влияний; во-вторых, определяет начальное состояние тел системы (положения и скорости всех планет); и после этого делает вычисления по формулам небесной механики. Все выходит отлично. Астрономические предсказания точно сбываются. Этим подтверждается истинность законов небесной механики. Ну, а атом? Можно предвычислить его внутренние движения?

Методами классической механики этого сделать нельзя. Тут наше «во-первых» исключает «во-вторых», и наоборот. Ведь чтобы определить начальное состояние системы атома, надо измерить координаты и скорости электронов, но любое реальное измерение тут поведет к нарушению изолированности системы. Слишком мал и «нежен» атом, слишком грубы приборы, которыми можно его «пощупать».

Желание «подсмотреть» то, что происходит в изолированной системе, не внося в нее возмущений, осуществимо лишь когда речь идет об очень массивных телах — например, о планетах солнечной системы. Луч света или радиолокационный сигнал практически не влияют на движение планеты. Иначе обстоит дело с объектами в микромире.