Единая картина мира. Системно структурным методом
Шрифт:
Дальше больше, возрастанию количества частиц способствовало изучение космических лучей, которые в 1925 году впервые их так назвал американский физик Роберт Эндрюс Милликен (1868–1953). Космические лучи – это частицы, движущиеся с высокими энергиями в космическом пространстве, и состоят, главным образом, из долгоживущих частиц: на 92% из протонов, на 6% из ядер гелия, около 1% из электронов и около 1% приходится на более тяжелые элементы. Было также выявлено, что стабильными частицами в свободном состоянии являются протон, электрон, нейтрино и фотон. Остальные частицы являются нестабильными, они быстро распадаются. Время жизни нейтрона в свободном состоянии 880 сек (около 15 минут), время жизни остальных частиц 10– 6– 10– 24 сек. В связи с этим есть мнение мало живущие частицы не следует считать частицами атома, а частицами-осколками, полученными в результате столкновения
Далее элементарные частицы стали открываться на ускорителях, в которых с помощью электрических и магнитных полей частицы, получая большую энергию, а следовательно скорость, увеличенной порой до близкой к скорости света. Сталкиваясь с другими частицами, в результате получалось большое количество осколков, которые анализировались физиками. Ускорители подразделяются на 2 класса: линейные ускорители, в которых пучок частиц проходит ускоряющие устройства один раз; циклические ускорители, где пучки движутся по замкнутой кривой, проходя ускоряющее устройство многократно. Много небольших ускорителей применяется в медицине для радиационной терапии и в промышленности. К 60-м годам XX века частиц насчитывалось около сотни, естественно стало возникать подозрение элементарности частиц. В последствие, ближе к концу XX века, как стали говорят многие физики, открылся целый зоопарк частиц, их стало известно около 350, для которых появилась необходимость классифицировать их по принципу таблицы Менделеева и давать им названия. Так была создана стандартная теория физики элементарных частиц, однако противоречий и проблем ее обоснования не убавилось.
Краткий обзор различных семейств элементарных и составных частиц, и теории, описывающие их взаимодействия
Каждая из 12 частиц кварков и лептонов, имеет свою античастицу, которых тоже 12. Античастицы противопоставляются частицам потому, что при встрече любой частицы со своей античастицей происходит их аннигиляция, т. е. обе частицы исчезают, превращаясь в кванты излучения или другие частицы. Имеется 12 переносчиков взаимодействий. В свободном состоянии находятся только лептоны – это слабовзаимодействующие частицы, а кварки и антикварки обладают сильным взаимодействием. Частицы, созданные из кварков и соответствующих антикварков, являются адронами. Комбинации положительных кварков с отрицательными антикварками дают мезоны. Комбинация из трех кварков создает барионы. Даже нейтрон имеет античастицу, которые отличаются зарядами магнитного момента и так называемого барионного заряда. Некоторые физики считают, что гравитон открыт, приводят даже доказательства и относят его к бозонам, однако официального подтверждения пока нет. Предполагается существование атомов антивещества, в ядре которого должны быть антинуклоны, а оболочка – из позитронов. Аннигиляции антивещества с веществом вызовет огромную энергию квантов излучения, значительно превосходящую энергию, которая выделяется при ядерных и термоядерных реакциях.
Столбцы частиц со своими античастицами сгруппированы в поколения (по-моему, неудачное понятие, лучше бы использовать уровни структурной организации частиц, но так сложилось исторически). В частности, специалист в области квантовой теории поля и физики элементарных частиц, член-корреспондент РАН Дмитрий Игоревич Казаков (1951 г. р.) в лекции отмечает: «Оказалось, что природа создала три копии (еще одно неудачное понятие). Все эти протоны, нейтроны, электроны – это все первая копия. Но зачем-то есть еще вторая и третья копии. Кстати, тут надо отдать должное – теоретики об этих копиях не думали. А экспериментаторы открыли вдруг новую частицу. Это была копия электрона – тяжелый электрон, назвали его мюоном. Открыли его в 1936 году. И никто не понимал – зачем? А потом оказалось, что всё имеет копию. Вот вам первая загадка: зачем природа сделала копию?»
Перед физиками давно маячило желание создать мощный ускоритель, с помощью которого они могли бы окончательно решить все проблемы элементарных частиц: надо было найти убедительные доказательства Стандартной модели, либо найти ее недостатки, или определить новые направления исследования микромира. В 2008 году запущен самый большой и мощный в мире ускоритель Большой адронный коллайдер (БАК), разгоняющий тяжелые встречные частицы до околосветовой скорости. «Большим» ускоритель назван из-за своих размеров: длина его кольца составляет почти 26 700 м, глубина залегания туннеля от 50 до 175 м; «адронным» – из-за ускорения адронов: протонов и тяжелых частиц; «коллайдером» – из-за того, что два ускоренных встречных
Вокруг данного проекта было много споров и возражений. Появилась даже группа ученых, подавшая в суд, пытаясь остановить строительство, утверждая, что при работе БАК может появиться антиматерия, которая начнет аннигилировать с материей, начнется цепная реакция, и будет уничтожено все. Или возникнет черная дыра, которая поглотит коллайдер, затем Швейцарию и все остальное. Этими катастрофами, вплоть до апокалипсиса, некоторые ученые пугают до сих пор. Некоторые ученые утверждают, что нет необходимости строить дорогостоящие и массивные ускорители, можно воспользоваться природным аналогом ускорителей частиц, которым являются космические лучи. Физика космических лучей позволяет изучать те же процессы высоких энергий (хотя и не столь мощных) и физику элементарных частиц (зато в натуральных процессах), которую мы изучаем в различных коллайдерах, построенных человеком.
Строительство БАК началось в 2001 году после основательной подготовки. В строительстве и последующих исследованиях участвовали и участвуют более 10 тысяч учёных и инженеров более чем из 100 стран, в том числе 800 ученых из России. Пытался собрать, и подсчитать стоимость строительства и последующей эксплуатации коллайдера не получилось, т. к. достоверной суммы получить не удалось, но это не столь важно, затраты были громадными.
10 сентября 2008 года официально было объявлено о запуске коллайдера. Однако 19 сентября произошла авария, и коллайдер пришлось остановить на ремонт, который занял остаток 2008 и большую часть 2009 года. Со второго пуска коллайдер работал на пониженной энергии, которая со временем постепенно повышалась с 1180 ГэВ до 4 ТэВ. 2013-14 годы практически полностью были заняты модернизацией коллайдера. В 2015 году запуск начался с 6,5 ТэВ и доведен до полной энергии столкновений 13 ТэВ. Ежегодные перерывы зимой производились для сбора и анализа статистики столкновений. В 2018 году коллайдер остановлен на 2 года для модернизации с целью повышения интенсивности пучков и светимости коллайдера. С такой периодичностью модернизаций коллайдер должен проработать до 2034 года. С целью обработки большего объема информации предусмотрено 170 вычислительных центра в 36 странах.
За время работы БАК 2010–2017 годы с указанными перерывами самым знаменитым достижением стало открытие бозона Хиггса, который стали называть «частица Бога». Кроме того были открыты несколько новых частиц, а также на рекордных энергиях столкновений показано отсутствие асимметрии протонов и антипротонов, обнаружены необычные корреляции протонов. При запуске в 2020 году предположительно БАК займется поиском темной материи, которая составляет большую часть Вселенной, но точно неизвестно, из чего она состоит.
Все же довольно большей период работы БАК не принес предполагаемого результата и азартные физики стали задумываться не только над модернизацией имеющихся ускорителей, но и над созданием новых, гораздо мощных установок. Проект такого коллайдера предложило в 2012 году Китайское сообщество физики высоких энергий (CEPC), который будет разгонять пучки электронов и позитронов сначала на линейном ускорителе, а затем будет направляться в одно из двух колец, смонтированных в круговом тоннеле длиной около 100 километров. Столкновения частиц будут фиксировать два больших детектора. В мире это восприняли как заявку на лидерство в области физики частиц. В CERN тоже планировали такой же проект.
В России планируется построить современные исследовательские установки в дополнение к зарубежным, – в частности, синхротрон ИССИ-4 в Курчатовском институте и коллайдер тяжелых ионов NICA в ОИЯИ (Дубна).
В настоящее время (начала 21 века) официально принятой считается копенгагенская интерпретация микромира, предложенная в 1927 году, основанная на планетарной модели Резерфорда, подкорректированной Бором, дополненная последующими фантазиями и опытами, полученная в конечном итоге стандартная модель частиц и взаимодействий. Не случайно, с самого начала и до сих пор имеется много альтернативных вариантов. Решил не приводить их, чтобы не загромождать картину, подведу лишь итог, сделанный в своем варианте. Элементарными частицами вполне возможно следует считать долгоживущие, остальные – частицы-осколки, полученные при столкновении на высоких энергиях. Что касается частиц-частиц-взаимодействий, то они аналогичны теплороду, принятого более ранней наукой, как вещество, рождающее тепло, полученное при нагревании тела и передаче его от одного тела другому. Короче необходимо вернуться к началу научных исследований, попытаться понять, что такое электромагнитное явление, сильное, слабое взаимодействия, а новые коллайдеры, не давшие ничего нового, не следует создавать. Все же, если углубляться в элементарные частицы, то классифицировать их надо, прежде всего, используя уровни структурной организации частиц, по принципу атомных уровней, основанных на общей методологии построения единой картины мира. Не собираюсь здесь этого делать по своему усмотрению, как сделано в атомных уровнях, т. к. с частицами дело обстоит гораздо сложнее: нерешенные проблемы современной физики, связанные, прежде всего, с проблемами элементарных частиц, более чем достаточно.