Сучасні уявлення про елементарні частки
Структурність і системністьпоряд з простором, часом, рухом є невід'ємними властивостями матерії. Сучасне світогляд передбачає упорядкованість і організованість світу, а проблема самоорганізації буття є однією з найважливіших у науці та філософії. Буття являє собою складноорганізовану ієрархію систем, всі елементи якої знаходяться в закономірному зв'язку один з одним, здається неоформленість змін в якомусь одному відношенні виявляється упорядкованістю в іншому. Саме ця обставина виявляється у понятті системності.
Поняття «система» існує кілька десятків визначень, проте класичним визнано визначення, дане основоположником теорії систем Л. Берталанфі: система - це комплекс взаємодіючих елементів. Ключовим поняттям у цьому визначенні є поняття «елемент». Під елементом розуміється - нерозкладний компонент системи при певному, заданому способі її розгляду. Якщо змінюється кут зору, то явища чи події, які розглядаються як елемент системи, самі можуть ставати системами. Наприклад, елементами системи "газ" виступають молекули газу. Однак самі молекули у свою чергу можуть розглядатися як системи, елементами яких є атоми.
Атом - теж система, проте принципово іншого рівня, ніж газ тощо.Елементами системи визнаються лише ті предмети, явища чи процеси, які беруть участь у формуванні її свойств.
За характером зв'язків між елементами всесистеми діляться на суммативні та цілісні. У сумативних системах зв'язок між елементами виражена слабо, вони автономні по відношенню один до одного і системі в цілому. Якість такої освіти дорівнює сумі якостей складових її елементів. Прикладами сумативної системи є купа каміння, купа піску тощо. Незважаючи на високий ступінь автономності елементів, утворення, аналогічні купі каменів, все ж таки розглядаються як системи, оскільки можуть зберігати стійкість тривалий час і існувати як самостійні сукупності. Крім того, існує межа кількісних змін таких систем, перевищення якого призводить до зміни їхньої якості. У суммативних систем є власна програма існування, що виявляється у структурності.
Уцілісних системахчітко виражена залежність їх виникнення та функціонування від складових елементів та навпаки. Кожен елемент такої системи у своєму виникненні, розвитку та функціонуванні залежить від цілісності, і, у свою чергу, система залежить від кожного зі своїх елементів. Внутрішні зв'язки в цілісності стабільніші за зовнішні, а якість системи не зводиться до суми складових її елементів. Прикладом цілісної системи є живий організм чи суспільство. Під впливом певних чинників суммативні системи можуть перетворюватися на цілісні і навпаки.
Крім типології систем, залежно від характеру зв'язку між елементами системи розрізняють за типом їх взаємодії з навколишнім середовищем. У цьому випадку виділяють відкриті та закриті (замкнуті) системи. У закритих системах не відбувається обміну енергією і речовиною із зовнішнім світом. Такі системи прагнуть рівноважного стану, максимальна ступінь якого - невпорядкованість і хаос.Відкритісистеми, навпаки, обмінюються енергією і речовиною із зовнішнім світом. У таких системах за певних умов із хаосу можуть спонтанно виникати нові впорядковані структури, а система загалом підвищує рівень своєї структурної організації.
Структурністьвиражається в упорядкованості існування матерії та її конкретних форм і передбачає внутрішню розчленованість матерії.Структуравизначається як сукупність стійких, закономірних зв'язків та відносин між елементами системи, що забезпечують збереження її основних властивостей. Сучасні уявлення про структурованість Всесвіту стосуються мега-, макро- та мікросвіту; і Метагалактика, і відомий нам макросвіт, і мікрочастинки структуровані. Перехід від однієї області дійсності до іншої пов'язаний із зміною числа факторів, що забезпечують упорядкованість, та трансформацією самих структур. Єдність упорядкованості – системності, та внутрішньої розчленованості – структурності, визначає існування світу як системи систем: систем об'єктів, систем властивостей чи відносин тощо.
Елементами структури мікросвіту виступають мікрочастинки. На даний момент відомо більше 350 елементарних частинок, що відрізняються масою, зарядом, спином, часом життя і ще рядом фізичних характеристик.
Час життя елементарної часткивизначає її стабільність чи нестабільність. За часом життя частки поділяються на стабільні, квазістабільні та нестабільні. Більшість елементарних частинок є нестабільними. Нестабільні частки живуть кілька мікросекунд, стабільні не розпадаються тривалий час. Нестабільні частки розпадаються внаслідок сильної та слабкої взаємодії. Стабільними частинками вважаються фотон, нейтрино, нейтрон, протон та електрон. При цьому нейтрон стабільний тільки вядрі, у вільному стані він також розпадається. Наразі висловлюються припущення про можливу нестабільність протона. Квазістабільні частки розпадаються внаслідок електромагнітної та слабкої взаємодії, інакше їх називають резонансними. XXв.. Час життя резонансів - близько 10-22 с.
Все різноманіття елементарних частинок можна розділити на три групи: частинки, що беруть участь у сильній взаємодії -адрони,частинки, що не беруть участь у сильній взаємодії -пептони,ічастки---переносники взаємодій.
Всі перелічені частинки розрізняються за зарядом, масою, спиною, часом життя та іншими фізичними характеристиками. Однак усередині одного типу елементарні частинки абсолютно ідентичні, позбавлені індивідуальності: всі електрони тотожні один одному, усі фотони тотожні один одному тощо.
У 1936р. П.Дірак припустив, що кожній частинці відповідає античастка, що відрізняється від неї лише знаком заряду. У 1936р. було відкрито позитрон - античастка електрона, в 1955г. - Антипротон, в 1956р. - Антинейтрон. Зараз уже не викликає сумніву, що кожна частка має свого «двійника» - античастинку, абсолютно ідентичну за всіма фізичними характеристиками, крім заряду. У 70-80-ті роки. XX століття у фізиці з'явилося безліч теорій антиречовини та антиматерії. Найбільш складною формою антиречовини, одержаної в лабораторних умовах, є антиядра тритію, гелію. Експерименти з отримання антиречовини було виконано на серпухівському прискорювачі в 1970-1974 роках. У 1998р. отримані перші атоми антиводню.
Основні положення теорії кварків полягають у наступному. Адрони складаються з дрібніших частинок - кварків. Кварки є істинно елементарнимичастинки і тому безструктурні. Головна особливість кварків – дробовий заряд. Кварки відрізняються спином, ароматом та кольором. Аромат кварку не має жодного відношення до аромату, що розуміється буквально (аромат кольорів, парфумів тощо), це його особлива фізична характеристика. Для того щоб врахувати всі відомі адрони, необхідно було припустити існування шести видів кварків, що відрізняються ароматом: u (uр – верхній), d (down – нижній), s (strange – дивний), з (сharm – чарівність), b (beauty - принад) і t (tор - верхній). Існує стійка думка, що кварків не повинно бути більше.
Вважається, що кожен кварк має один із трьох можливих кольорів, які вибрані довільно: червоний, зелений, синій. Зрозуміло, що колір кварку не має жодного відношення до звичайного оптичного кольору в макросвіті, колір кварку, як і аромат, є умовною назвою для певної фізичної характеристики. Гіпотеза існування кольору у кварків вперше було висловлено 1965г. незалежно М.Боголюбовим, Б.Струмінським, А.Тавхелідзе та М.Ханом, І.Намбу. Згодом вона отримала значну кількість експериментальних підтверджень.
Кожному кварку відповідає антикварк із протилежним кольором (античервоний, антизелений та антисиній). Кварки з'єднуються трійками, утворюючи баріони (нейтрон, протон), або парами, утворюючи мезони. Антикварки, з'єднуючись трійками, відповідно утворюють антибаріони. Мезон складається з кварку та антикварку. Сумарний колір кварків або антикварків, що об'єдналися, незалежно від того, об'єднані три кварки (баріони), три антикварки (антибаріони) або кварк і антикварк (мезони), повинен бути білим або безбарвним. Білий колір дає сума червоного, зеленого, синього чи червоного – античервоного, синього – антисинього тощо.
Таким чином, можна говорити проколірної симетрії в мікросвіті. Кварки поєднуються між собою завдяки сильній взаємодії. Переносниками сильної взаємодії виступають глюони, які хіба що «склеюють» кварки між собою. Глюони також мають кольори, але на відміну від кварків їх кольору змішані, наприклад червоний - антисиній і т.п., тобто. глюон. складається з кольору та антикольору. Випуск або поглинання глюону змінює колір кварку, але зберігає аромат.
Відомо вісім типів глюонів. Передбачається, що кварки беруть участь також у електромагнітних та слабких взаємодіях. У електромагнітній взаємодії кварки не змінюють свій колір та аромат. У слабких взаємодіях змінюють аромат, але зберігають колір. Теорія кварків дозволяє запропонувати струнку та гармонійну модель будови атома. Відповідно до цієї моделі атом складається з важкого ядра (протони та нейтрони, пов'язані глюонними полями) та електронної оболонки. Зараз теорія кварків продовжує розвиватися та уточнюватися, тому її не можна вважати остаточно сформованою.