Концепция атомизма и элементарные частицы

Представление о неделимых мельчайших частицах материи, возникшее еще в глубокой древности, сопровождало развитие воззрений на природу на протяжении всей истории научного познания. Впервые понятие об атоме как последней и неделимой частице тела возникло, как известно, в античной Греции в рамках натурфилософского учения школы Левкиппа—Демокрита. Согласно этому учению, в мире существуют только атомы и пустота. Различные комбинации атомов образуют самые разнообразные видимые тела. Эти тела могут возникать и исчезать, но атомы, из которых они состоят, остаются неизменными. Они могут лишь переходить от одних тел к другим.

Античная гипотеза об атомах не основывалась на каких-либо эмпирических данных и была лишь гениальной догадкой, но тем не менее она определила на многие столетия вперед все дальнейшее развитие естествознания. И хотя сейчас мы знаем, что атом вовсе не является последней, неделимой частицей материи и имеет сложное строение, тенденция к поиску последних элементарных частиц, из которых построено все мироздание, продолжает существовать в новых формах атомистической концепции.

Эта концепция, как уже отмечалось раньше, несомненно, обладает огромными возможностями для объяснения свойств и особенностей сложных тел с помощью свойств более простых элементов и частиц. Однако такое объяснение достигается, как известно, посредством редукции, т.е. сведения сложного к простому, составного к элементарному. Поэтому трудно согласиться с идеей, что все многообразие сложного и качественно разнообразного мира может быть сведено к немногим свойствам небольшого числа простых, элементарных частиц.

В этой главе мы продолжим дальнейшее рассмотрение концепции атомизма в широкой перспективе, обратив внимание на особенности современных представлений об элементарных частицах.

7.1. Дальнейшее развитие концепции атомизма

После того как физики установили, что атом не является последним кирпичиком мироздания и сам он построен из более простых, элементарных частиц, идея поиска таких частиц заняла главное место в физических исследованиях. По-прежнему мысль физиков была устремлена на то, чтобы свести все многообразие сложных свойств тел и явлений природы к простым свойствам небольшого числа первичных, основных частиц, которые впоследствии стали называть элементарными. В точном смысле слова такие частицы не должны содержать каких-либо других элементов. Однако в обычной практике физики называют элементарными такие частицы, которые не являются атомами или частями атомных ядер, за исключением протона и нейтрона. Иногда элементарные частицы называют также субъядерными частицами.

Первая элементарная частица — электрон — была открыта еще в конце XIX в. Она представляет собой наименьшую единицу электрического заряда. Вторая частица, названная протоном, входящая в состав ядра атома, была открыта Э. Резерфордом в 1919 г. при бомбардировке атомов альфа-частицами. По массе она почти 2000 раз превосходит массу электрона, но заряжена положительно. Третья частица — нейтрон — была открыта в составе космического излучения и так названа потому, что она является нейтральной и не несет электрического заряда. Четвертая частица, названная фотоном, является квантом излучения света и была введена для объяснения фотоэффекта. Все эти частицы и составили первоначальный запас элементарных частиц.

Начиная с 1930-х гг. физики, занявшись исследованием космических лучей, год за годом открывают в них новые элементарные частицы, число которых неуклонно растет. В 1932 г. был открыт позитрон, первая античастица, теоретически предсказанная известным английским физиком П. Дираком, но впервые обнаруженная в космических лучах. Она оказалась равной по массе электрону, но заряженной положительно. Аналогично этому такая всепроницающая и, по-видимому, широко распространенная легкая частица, как нейтрино, была предсказана видным швейцарским физиком В. Паули в 1936 г., а экспериментально открыта лишь в 1953 г. То же самое можно сказать о предвидении японским физиком X. Юкавой существования (пи)-мезонов, которые были открыты в 1947 г. Еще раньше были открыты мюоны, которые раньше называли -мезонами. Эти частицы по массе занимают промежуточное положение между массой электрона, которую они превышают примерно в 200 раз, и массой протона. В дальнейшем были обнаружены К⁺ - и К^- -мезоны и Л (лямбда)-гипероны, частицы, об-

122

ладающие необычными свойствами, которые были названы «странными».

Если раньше большинство элементарных частиц открывали в космических лучах, то начиная с 50-х гг. XX в. основным средством их обнаружения и исследования становятся ускорители. С их помощью было открыто многочисленное семейство нестабильных и коротко-живущих, так называемых резонансных частиц, а в 1955 г. — антипротон, год спустя — антинейтрон. В 1970—1980-х гг. обнаружено большое количество так называемых очарованных и красивых частиц, которые в 3—10 раз превосходили массу протона.

Этот краткий обзор показывает, как в последние десятилетия интенсивно развивались исследования элементарных частиц, число которых сейчас, видимо, приближается к 400. Такое количество и разнообразие частиц служит явным свидетельством в пользу того, что они вряд ли могут считаться подлинно элементарными, не образованными из других частиц. Во всяком случае, многообразие элементарных частиц и особенно разнообразие их свойств требуют обсуждения и классификации.

7.2. Общие свойства элементарных частиц

1. Все элементарные частицы отличаются крайне малыми размерами и массами. Большинство из них имеют размеры порядка 10^-13 см, а массы, сравнимые с массой протона, т.е. 1,6 10^-24 г. Масса электрона гораздо меньше, составляет 0,9 10^-27 г. Этим объясняются те квантовые свойства и закономерности, которые им присущи.

2. Наиболее характерным свойством элементарных частиц является их способность взаимодействовать друг с другом, в процессе которого они превращаются в иные частицы. Такие процессы наиболее изучены в ядерных реакциях, когда одни атомы превращаются в другие. Подобные явления происходят как в естественных условиях, когда один радиоактивный элемент преобразуется в другой, так и в искусственных, когда ядро атома бомбардируется нейтронами.

3. Поскольку различные взаимодействия частиц проходят с разной интенсивностью, постольку в настоящее время вьщеляют 4 основных типа взаимодействия. По интенсивности, с которой происходят взаимодействия элементарных частиц, вьщеляют сильное, электромагнитное, слабое и гравитационное взаимодействия.