Физика высоких энергий
Санкт-Петербургский планетарий продолжает серию увлекательных лекций по физике. На этот раз мы посетили седьмую лекцию цикла «Физика для неспециалистов», которая была посвящена физике высоких энергий и квантовой теории поля. Курс лекций ведет кандидат физико-математических наук, популяризатор науки, стипендиат фонда «Династия» Кирилл Половников.
Согласно периодической системе химических элементов, всё, что мы видим вокруг себя, 500 тысяч неорганических и около 20 миллионов органических соединений, состоят всего из 118 элементов.
Но долгое время считалось, что они включают в себя всего по 3 элемента: протон, электрон и нейтрон. Если в Древней Греции философы с помощью одних умственных изысканий смогли дойти до существования «некой неделимой частицы» — атома, то после опытов Эрнеста Резерфорда удалось доказать, что сам атом состоит из тяжелого ядра и движущихся вокруг него электронов. Однако, когда в дело вступила физика высоких энергий, ситуация в корне изменилась. Что же нам удалось узнать из лекции?
- Философский камень существует: чтобы получить золото из другого металла, нужно просто отнять необходимое количество электронов из его ядра. Однако это чрезвычайно дорогостоящий процесс, что делает промышленное производство золота банально не окупающимся.
- Но не всё так просто. В дело включилась физика высоких энергий! Оказалось, что есть 3 частицы, из которых состоят все остальные. Элементарные частицы протон, нейтрон и электрон состоят из фундаментальных частиц — кварков. Самое странное в них то, что они не существуют в разрыве друг от друга. Если пытаться вытягивать из протона один кварк, то напряжение между кварками будет увеличиваться, то есть будет расти энергия. Если кварк всё-таки вырвать, то высвободившаяся энергия превратится в массу, то есть в два кварка. Один уходит к вытянутому, а второй заменяет его на месте разрыва.
- До начала XX века были известны две силы — гравитационная и электромагнитная. Оказалось, что для взаимодействия всех новых открытых частиц этого мало. В итоге появилось сильное и слабое ядерное взаимодействие. Эти четыре взаимодействия стали основой всего, за что и были впоследствии названы «фундаментальные взаимодействия».
Современная физика элементарных частиц - Дальнейшие исследования пошли еще дальше. Трёх кварков оказалось недостаточно, а вот 6 — в самый раз. Они получили названия: нижний, верхний, странный, очарованный, прелестный, истинный. К ним добавили лептоны, фотоны, глюоны и бозоны
- У каждой частицы есть античастица. Эта та же самая частица, только с противоположным зарядом. Если у электрона отрицательный заряд, то электрон с положительным зарядом, позитрон, является античастицей. Есть также антикварки, антипротоны и др. Таким образом, можно получить антиводород и другие «анти» химические элементы.
- Если столкнуть частницу и античастицу, то происходит полная аннигиляция — или уничтожение и преобразование в энергию. Чтобы этого не допустить, антиматерию удерживают в магнитном поле. И если антиматерию получают в Большом адронном коллайдере (БАК), то его не зря называют «машиной судного дня».
- Чтобы описать все происходящие в БАК процессы и новые открытия, существует весьма интересная формула — лагранжиан стандартной модели. Она описывает все существующие взаимодействия. Ученые очень надеялись, что БАК поможет выйти за её пределы, но этого не случилось.
- Электромагнетизм и слабое взаимодействие — это проявление одной и той же силы, или электрослабого взаимодействия. Сегодня ученые считают, что они вкупе с сильным взаимодействием могут также быть частью одного целого. А если идти дальше и включить сюда гравитацию, то все четыре фундаментальных взаимодействия могут быть объединены под одной физико-математической теорией — теорией всего.
Главная задача, которая стоит сегодня перед теоретиками, — это найти подтверждение теории всего, но, к сожалению, чтобы это сделать, нужно построить коллайдер размером не менее чем во всю нашу Солнечную систему.
Фото: Яна Барабанова