ذرات بنیادی ذرات و نیروهای بنیادی در طبیعت آیا ذرات ناشناخته در طبیعت وجود دارند؟

ارائه با موضوع "ذرات بنیادی" در فیزیک در قالب پاورپوینت. این ارائه برای دانش‌آموزان کلاس یازدهم، فیزیک ذرات ابتدایی را توضیح می‌دهد و دانش را در مورد این موضوع نظام‌مند می‌کند. هدف این کار توسعه تفکر انتزاعی، بوم شناختی و علمی دانش آموزان بر اساس ایده هایی در مورد ذرات بنیادی و تعاملات آنها است. نویسنده ارائه: Popova I.A.، معلم فیزیک.

قطعاتی از ارائه

در جدول تناوبی چند عنصر وجود دارد؟

• فقط 92
• چگونه؟ آیا بیشتر وجود دارد؟
• درست است، اما بقیه به طور مصنوعی به دست می آیند.
• بنابراین - 92 اتم. مولکول ها نیز می توانند از آنها ساخته شوند، یعنی. مواد!
• اما این واقعیت که همه مواد از اتم تشکیل شده اند توسط دموکریتوس (400 قبل از میلاد) بیان شده است.
• او مسافر بزرگی بود و جمله مورد علاقه اش این بود:
• "هیچ چیز به جز اتم ها و فضای خالص وجود ندارد، هر چیز دیگری یک منظره است"

جدول زمانی فیزیک ذرات

• فیزیکدانان نظری با دشوارترین کار روبرو بودند که تمام «باغ‌وحش» کشف‌شده ذرات را سفارش دهند و تلاش کنند تا تعداد ذرات بنیادی را به حداقل برسانند و ثابت کنند که ذرات دیگر از ذرات بنیادی تشکیل شده‌اند.
• همه این ذرات ناپایدار بودند، یعنی. تبدیل به ذرات با جرم کمتر، و در نهایت تبدیل به پروتون، الکترون، فوتون و نوترینو (و پادذرات آنها) پایدار می شود.
• سومی اینه M.Gell-Mann و به طور مستقل J. Zweig مدلی از ساختار ذرات با تعامل قوی از ذرات بنیادی - کوارک ها ارائه کردند.
• این مدل اکنون به یک نظریه منسجم از همه انواع شناخته شده برهمکنش ذرات تبدیل شده است.

چگونه یک ذره بنیادی را تشخیص دهیم؟

معمولاً ردپاها (مسیرها یا مسیرها) به جا مانده از ذرات با استفاده از عکس مورد مطالعه و تجزیه و تحلیل قرار می گیرند.

طبقه بندی ذرات بنیادی

همه ذرات به دو دسته تقسیم می شوند:

• فرمیون ها که ماده را تشکیل می دهند.
• بوزون هایی که از طریق آنها برهم کنش رخ می دهد.

کوارک ها

• کوارک ها در فعل و انفعالات قوی و همچنین در فعل و انفعالات ضعیف و الکترومغناطیسی شرکت می کنند.
• گل مان و گئورگ تسوایگ مدل کوارک را در سال 1964 پیشنهاد کردند.
• اصل پائولی: در یک سیستم از ذرات به هم پیوسته هرگز حداقل دو ذره با پارامترهای یکسان وجود ندارد اگر این ذرات دارای اسپین نیم عدد صحیح باشند.

اسپین چیست؟

• اسپین نشان می دهد که فضای حالتی وجود دارد که ربطی به حرکت یک ذره در فضای معمولی ندارد.
• چرخش (از انگلیسی به چرخش - به چرخش) اغلب با تکانه زاویه ای یک "باله به سرعت در حال چرخش" مقایسه می شود - این درست نیست!
• اسپین یک مشخصه کوانتومی درونی ذره است که در مکانیک کلاسیک آنالوگ ندارد.
• اسپین (از اسپین انگلیسی - چرخش، چرخش) تکانه زاویه ای ذاتی ذرات بنیادی است که ماهیت کوانتومی دارد و با حرکت ذره به عنوان یک کل مرتبط نیست.

چهار نوع تعامل فیزیکی

• گرانشی،
• الکترومغناطیسی،
• ضعیف،
• قوی

• تعامل ضعیف- ماهیت درونی ذرات را تغییر می دهد.
• تعاملات قوی- تعیین واکنش های هسته ای مختلف و همچنین ظهور نیروهایی که نوترون ها و پروتون ها را در هسته ها متصل می کنند.

خواص کوارک ها

• کوارک ها خاصیتی به نام بار رنگ دارند.
• سه نوع شارژ رنگی وجود دارد که معمولاً به عنوان نامگذاری می شوند
• آبی،
• سبز
• قرمز.
• هر رنگ مکملی به شکل ضد رنگ خود دارد - ضد آبی، ضد سبز و ضد قرمز.
• برخلاف کوارک ها، آنتی کوارک ها رنگ ندارند، بلکه ضد رنگ هستند، یعنی بار رنگ مخالف.

خواص کوارک ها: جرم

• کوارک ها دو نوع جرم اصلی دارند که از نظر اندازه متفاوت هستند:
• جرم کوارک فعلی، تخمین زده شده در فرآیندهایی با انتقال قابل توجه 4 تکانه مربع، و
• جرم ساختاری (بلوک، جرم تشکیل دهنده)؛ همچنین شامل جرم میدان گلوئون اطراف کوارک است و از جرم هادرون ها و ترکیب کوارکی آنها تخمین زده می شود.

خواص کوارک ها: طعم و مزه

• هر طعم (نوع) کوارک با اعداد کوانتومی مشخص می شود
• ایزوسپین Iz،
• عجیب بودن S،
• افسون C،
• جذابیت (پایین، زیبایی) B′,
• حقیقت (بالا بودن) T.

وظایف

• در هنگام نابودی الکترون و پوزیترون چه انرژی آزاد می شود؟
• در هنگام نابودی پروتون و پادپروتون چه انرژی آزاد می شود؟
• چه فرآیندهای هسته ای نوترینو را تولید می کنند؟
  • الف. در طول α - پوسیدگی.
  • ب. در طول β - پوسیدگی.
  • ب. هنگام انتشار γ - کوانت.
• چه فرآیندهای هسته ای پادنوترینو تولید می کنند؟
  • الف. در طول α - پوسیدگی.
  • ب. در طول β - پوسیدگی.
  • ب. هنگام انتشار γ - کوانت.
  • د. در طول هرگونه دگرگونی هسته ای
• یک پروتون از ...
  • الف. . نوترون، پوزیترون و نوترینو.
  • ب. . مزون ها.
  • در. . .کوارک ها
  • د) یک پروتون اجزای تشکیل دهنده ندارد.
• یک نوترون از ...
  • الف. . پروتون، الکترون و نوترینو.
  • ب. . مزون ها.
  • در. . . کوارک ها
  • د- نوترون اجزای تشکیل دهنده ندارد.
• آزمایش های دیویسون و گرمر چه چیزی را ثابت کردند؟
  • الف. ماهیت کوانتومی جذب انرژی توسط اتم ها.
  • ب. ماهیت کوانتومی انتشار انرژی توسط اتم ها.
  • ب. خواص موجی نور.
  • د. خواص موجی الکترون ها.
• کدام یک از فرمول های زیر طول موج دو بروگلی را برای یک الکترون تعیین می کند (m و v جرم و سرعت الکترون هستند)؟

تست کنید

• چه سیستم های فیزیکی از ذرات بنیادی در نتیجه برهمکنش الکترومغناطیسی تشکیل می شوند؟ الف. الکترون ها، پروتون ها. ب- هسته های اتمی. ب- اتم ها، مولکول های ماده و پادذرات.
• از نظر برهمکنش همه ذرات به سه نوع الف مزون، فوتون و لپتون تقسیم می شوند. ب- فوتون ها، لپتون ها و باریون ها. ب- فوتون ها، لپتون ها و هادرون ها.
• عامل اصلی وجود ذرات بنیادی چیست؟ الف. تحول متقابل. ب. ثبات ب- برهمکنش ذرات با یکدیگر.
• چه فعل و انفعالاتی پایداری هسته ها را در اتم ها تعیین می کند؟ الف. گرانشی. ب- الکترومغناطیسی. ب- هسته ای. د. ضعیف.
• آیا ذرات تغییرناپذیر در طبیعت وجود دارند؟ A. وجود دارد. ب. وجود ندارند.
• واقعیت تبدیل ماده به میدان الکترومغناطیسی: الف- با تجربه نابودی یک الکترون و یک پوزیترون تأیید شده است. ب- با آزمایش نابودی الکترون و پروتون تایید شد.
• واکنش تبدیل ماده به میدان: A. e + 2γ→e+ B. e + 2γ→e- C. e+ +e- =2γ.
• چه برهمکنشی مسئول تبدیل ذرات بنیادی به یکدیگر است؟ الف. تعامل قوی. ب. گرانشی. ب. اندرکنش ضعیف د. قوی، ضعیف، الکترومغناطیسی.

یکی از ویژگی‌های اصلی ذرات، توانایی آن‌ها در تبدیل شدن به یکدیگر، متولد شدن و از بین رفتن در نتیجه تعامل است.
کشف پوزیترون، ذره ای شبیه به یک الکترون، اما بر خلاف الکترون، دارای بار واحد مثبت است، یک رویداد بسیار مهم در فیزیک بود. در سال 1928، پی دیراک معادله ای را برای توصیف مکانیک کوانتومی نسبیتی الکترون پیشنهاد کرد. مشخص شد که معادله دیراک دو راه حل دارد، هر دو با انرژی مثبت و منفی. حالت انرژی منفی ذره ای شبیه به یک الکترون، اما با بار الکتریکی مثبت را توصیف می کند. پوزیترون اولین ذره ای بود که از یک طبقه کامل از ذرات به نام پادذرات کشف شد. قبل از کشف پوزیترون، نقش نابرابر بارهای مثبت و منفی در طبیعت غیرقابل توضیح به نظر می رسید. چرا یک پروتون سنگین و با بار مثبت وجود دارد، اما یک ذره سنگین با جرم یک پروتون و بار منفی وجود ندارد؟ اما یک الکترون با بار منفی نور وجود داشت. کشف پوزیترون در سال 1932 اساساً تقارن بار ذرات نور را احیا کرد و فیزیکدانان را با مشکل یافتن یک پادذره برای پروتون مواجه کرد. شگفتی دیگر این است که پوزیترون یک ذره پایدار است و می تواند به طور نامحدود در فضای خالی وجود داشته باشد. با این حال، هنگامی که یک الکترون و یک پوزیترون با هم برخورد می کنند، از بین می روند. الکترون و پوزیترون ناپدید می شوند و به جای آنها دو کوانتا γ متولد می شوند

تبدیل ذرات با جرم سکون متفاوت از صفر به ذرات با جرم سکون صفر (فوتون) وجود دارد، یعنی. جرم سکون حفظ نمی شود، اما به انرژی جنبشی تبدیل می شود.
همراه با فرآیند نابودی، فرآیند ایجاد جفت الکترون-پوزیترون نیز کشف شد. جفت الکترون-پوزیترون به راحتی توسط -کوانت با انرژی چندین مگا الکترون ولت در میدان کولن هسته اتم تولید شد. در فیزیک کلاسیک، مفاهیم ذرات و امواج به شدت متفاوت است - برخی از اشیاء فیزیکی ذره هستند، در حالی که برخی دیگر امواج هستند. تبدیل جفت‌های الکترون-پوزیترون به فوتون تأیید بیشتری بر این ایده است که اشتراکات زیادی بین تابش و ماده وجود دارد. فرآیندهای نابودی و تولد جفت ها ما را وادار کرد تا دوباره فکر کنیم که ذرات که قبلاً ابتدایی نامیده می شدند چیستند. ذره دیگر یک "آجر" تغییرناپذیر در ساختار ماده نیست. یک مفهوم جدید و بسیار عمیق از تبدیل متقابل ذرات پدیدار شده است. معلوم شد که ذرات می توانند متولد شوند و ناپدید شوند و به ذرات دیگر تبدیل شوند.
در تئوری -واپاشی ایجاد شده توسط E. Fermi، نشان داده شد که الکترون های گسیل شده در طی فرآیند -واپاشی در هسته وجود ندارند، بلکه در نتیجه فروپاشی یک نوترون متولد می شوند. در نتیجه این واپاشی، نوترون n ناپدید می شود و پروتون p، الکترون e - و الکترون آنتی نوترینو e متولد می شوند.

در نتیجه واکنش های بین یک آنتی پروتون و یک پروتون p، بسته به انرژی ذرات در حال برخورد، ذرات مختلفی می توانند متولد شوند.

مزون K + با بار مثبت، که میانگین عمر آن 1.2 ∙10 -8 ثانیه است، به یکی از روش های زیر تجزیه می شود (احتمالات نسبی فروپاشی در سمت راست نشان داده شده است.

Λ -hyperon و Δ0 -رزونانس تقریباً جرمهای مشابهی دارند و به ذرات یکسان - پروتون و π - مزون تجزیه می شوند. تفاوت زیاد در طول عمر آنها به دلیل مکانیسم پوسیدگی است. Λ -هایپرون در نتیجه برهمکنش ضعیف و Δ0 -رزونانس - در نتیجه برهمکنش قوی تجزیه می شود.

در طی واپاشی یک میون منفی (-) در حالت نهایی، دو ذره خنثی همراه با الکترون ظاهر می شوند - یک نوترینو میون. ν μ و الکترون آنتی نوترینو e. این پوسیدگی در نتیجه تعامل ضعیف رخ می دهد.

ارسطو معتقد بود که ماده در جهان از چهار عنصر اساسی تشکیل شده است - زمین، هوا، آتش و آب که دو نیرو بر آنها اثر می‌گذارند: نیروی گرانش که زمین و آب را به پایین می‌کشد و نیروی سبکی تحت تأثیر. که از آن آتش و هوا به سمت بالا گرایش دارند. این رویکرد به ساختار جهان، زمانی که همه چیز به ماده و نیرو تقسیم می شود، تا به امروز ادامه دارد.

به گفته ارسطو، ماده پیوسته است، یعنی هر قطعه ماده را می توان به طور بی پایان به قطعات کوچکتر و کوچکتر خرد کرد و هرگز به آن دانه ریز نمی رسد که دیگر تقسیم نشود. با این حال، برخی دیگر از فیلسوفان یونان، مانند دموکریتوس، بر این عقیده بودند که ماده ذاتاً دانه دانه است و همه چیز در جهان از تعداد زیادی اتم مختلف تشکیل شده است (کلمه یونانی "اتم" به معنی تقسیم ناپذیر است). قرن ها گذشت، اما مناقشه بدون هیچ مدرک واقعی که حقانیت یک طرف یا طرف دیگر را تأیید کند ادامه یافت. سرانجام، در سال 1803، جان دالتون شیمیدان و فیزیکدان انگلیسی نشان داد که این واقعیت که مواد شیمیایی همیشه در نسبت های معینی با هم ترکیب می شوند را می توان با فرض ترکیب شدن اتم ها در گروه هایی به نام مولکول توضیح داد. با این حال، تا اوایل قرن ما، اختلاف بین دو مکتب هرگز به نفع اتمیست ها حل نشد. انیشتین سهم بسیار مهمی در حل این اختلاف داشت. در مقاله ای که در سال 1905، چند هفته قبل از مقاله معروفش در مورد نسبیت خاص، انیشتین به این موضوع اشاره کرد که پدیده ای به نام حرکت براونی - حرکت نامنظم و آشفته ذرات ریز معلق در آب - را می توان با برخورد اتم های مایع در اطراف توضیح داد. این ذرات

در آن زمان دلایلی وجود داشت که فکر کنیم اتم ها نیز تقسیم ناپذیر نیستند. چند سال قبل، جی جی تامسون از کالج ترینیتی، کمبریج، ذره جدیدی از ماده به نام الکترون را کشف کرده بود که جرم آن کمتر از یک هزارم جرم سبک ترین اتم بود. تنظیمات آزمایشی تامسون کمی شبیه یک لوله تصویر تلویزیونی مدرن بود. یک نخ فلزی داغ به عنوان منبع الکترون عمل می کرد. از آنجایی که الکترون ها دارای بار منفی هستند، در میدان الکتریکی شتاب گرفتند و به سمت صفحه پوشیده شده با یک لایه فسفر حرکت کردند. هنگامی که الکترون ها به صفحه نمایش برخورد کردند، فلاش های نور روی آن ظاهر شد. به زودی مشخص شد که این الکترون‌ها باید از اتم‌ها پرواز کنند، و در سال 1911، فیزیکدان انگلیسی، ارنست رادرفورد، سرانجام ثابت کرد که اتم‌های ماده واقعاً ساختاری درونی دارند: آنها از یک هسته کوچک با بار مثبت تشکیل شده‌اند و الکترون‌هایی که به دور آن می‌چرخند. رادرفورد با مطالعه چگونگی انحراف ذرات آلفا (ذرات با بار مثبت که از اتم های رادیواکتیو ساطع می شوند) در هنگام برخورد با اتم ها به این نتیجه رسید.

در ابتدا تصور می شد که هسته یک اتم از الکترون ها و ذرات با بار مثبت تشکیل شده است که به آنها پروتون (از کلمه یونانی "protos" - اولیه) می گویند، زیرا پروتون ها بلوک های اساسی هستند که ماده از آنها تشکیل شده است. . با این حال، در سال 1932، جیمز چادویک، همکار رادرفورد در دانشگاه کمبریج، کشف کرد که ذرات دیگری نیز در هسته وجود دارد - نوترون ها که جرم آنها تقریباً برابر با جرم پروتون است، اما باردار نیستند. برای این کشف، چادویک برنده جایزه نوبل شد و به عنوان رئیس کالج Conville and Caius، دانشگاه کمبریج (کالجی که اکنون در آن کار می کنم) انتخاب شد. سپس به دلیل اختلاف نظر با کارمندان مجبور شد این پست را رها کند. از آنجایی که پس از جنگ، پس از جنگ، گروهی از جوانان بازگشته به حفظ کارکنان قدیمی در سمت‌هایی که قبلاً برای سال‌ها در اختیار داشتند، رای منفی دادند، کالج موضوع مناقشات تلخ دائمی بود. همه اینها قبل از من اتفاق افتاد. من در سال 1965 در کالج شروع به کار کردم و زمانی که رئیس دیگر کالج، نویل مات، برنده جایزه نوبل، نیز مجبور به استعفا شد، پایان مبارزه را دیدم.

فقط بیست سال پیش، پروتون‌ها و نوترون‌ها ذرات «بنیادی» در نظر گرفته می‌شدند، اما آزمایش‌ها روی برهم‌کنش پروتون‌ها و الکترون‌هایی که با سرعت بالا با پروتون‌ها حرکت می‌کردند نشان داد که پروتون‌ها در واقع از ذرات کوچک‌تری تشکیل شده‌اند. موری گل مان، نظریه پرداز موسسه فناوری کالیفرنیا، این ذرات را کوارک نامید. در سال 1969، گل مان به خاطر تحقیقاتش در مورد کوارک ها جایزه نوبل را دریافت کرد. نام "کوارک" از شعر هوشمندانه جیمز جویس گرفته شده است: "سه کوارک برای استاد مارک!" کلمه کوارک قرار است مانند کوارت تلفظ شود و t در انتها با k جایگزین شود، اما معمولاً طوری تلفظ می شود که با لارک هم قافیه باشد.

انواع مختلفی از کوارک ها شناخته شده است: اعتقاد بر این است که حداقل شش "طعم" وجود دارد که مربوط به کوارک u، کوارک d، کوارک عجیب، کوارک جذاب، کوارک b و کوارک تی است. یک کوارک از هر "طعم" نیز می تواند دارای سه "رنگ" باشد - قرمز، سبز و آبی. (لازم به تاکید است که اینها فقط نشانه گذاری هستند، زیرا اندازه کوارک ها بسیار کوچکتر از طول موج نور مرئی است و بنابراین رنگی به معنای معمول کلمه ندارند. نکته این است که فیزیکدانان مدرن دوست دارند بیایند. با نام‌هایی برای ذرات و پدیده‌های جدید، بدون محدود کردن بیشتر فانتزی آنها در الفبای یونانی). یک پروتون و یک نوترون از سه کوارک با «رنگ‌های» متفاوت تشکیل شده‌اند. یک پروتون دارای دو کوارک u و یک کوارک d، یک نوترون دارای دو کوارک d و یک کوارک یو است. ذرات را می توان از کوارک های دیگر (عجیب، جذاب، b و t) ساخت، اما همه این کوارک ها جرم بسیار بیشتری دارند و خیلی سریع به پروتون و نوترون تجزیه می شوند.

ما قبلاً می دانیم که نه اتم ها و نه پروتون ها و نوترون های درون یک اتم تقسیم ناپذیرند، و بنابراین این سؤال مطرح می شود: ذرات بنیادی واقعی - آن آجرهای اولیه که همه چیز از آنها تشکیل شده است چیست؟ از آنجایی که طول موج های نور به طور قابل ملاحظه ای بزرگتر از اندازه یک اتم است، ما هیچ امیدی به «دیدن» اجزای تشکیل دهنده یک اتم به روش معمول نداریم. برای این منظور، طول موج های بسیار کوتاه تری مورد نیاز است. در فصل قبل یاد گرفتیم که طبق مکانیک کوانتومی، همه ذرات در واقع موج هستند و هر چه انرژی یک ذره بیشتر باشد، طول موج مربوطه کوتاهتر است. بنابراین، پاسخ ما به این سوال بستگی به این دارد که انرژی ذرات در اختیار ما چقدر است، زیرا تعیین می کند که مقیاس طول هایی که می توانیم مشاهده کنیم چقدر کوچک است. واحدهایی که انرژی ذرات معمولاً در آنها اندازه گیری می شود الکترون ولت نامیده می شوند. (تامسون در آزمایشات خود از میدان الکتریکی برای شتاب دادن به الکترون ها استفاده کرد. الکترون ولت انرژی است که یک الکترون در میدان الکتریکی 1 ولت به دست می آورد). در قرن نوزدهم، زمانی که آنها فقط می‌توانستند از ذرات با انرژی چندین الکترون ولت آزاد شده در واکنش‌های شیمیایی مانند احتراق استفاده کنند، اتم‌ها کوچک‌ترین بخش‌های ماده در نظر گرفته می‌شدند. در آزمایش های رادرفورد، انرژی ذرات آلفا به میلیون ها الکترون ولت می رسید. سپس یاد گرفتیم که از میدان های الکترومغناطیسی برای شتاب دادن ذرات، ابتدا به انرژی های میلیون ها و سپس هزاران میلیون الکترون ولت استفاده کنیم. اینگونه بود که فهمیدیم ذراتی که بیست سال پیش تصور می شد ابتدایی هستند در واقع از ذرات کوچکتری تشکیل شده اند. چه می شود اگر در حین انتقال به انرژی های حتی بالاتر، معلوم شود که این ذرات کوچکتر به نوبه خود از ذرات حتی کوچکتر تشکیل شده اند؟ البته، این یک وضعیت کاملاً محتمل است، اما ما اکنون دلایل نظری داریم که معتقدیم قبلاً یا تقریباً اطلاعاتی در مورد "آجرهای" اولیه داریم که همه چیز در طبیعت از آنها ساخته شده است.

هر چیزی که در کیهان وجود دارد، از جمله نور و گرانش، را می توان بر اساس ایده ذرات، با در نظر گرفتن دوگانگی ذره-موج که در فصل قبل مورد بحث قرار دادیم، توصیف کرد. ذرات دارای ویژگی چرخشی خاصی هستند - چرخش.

بیایید ذرات را به شکل بالاهای کوچک در حال چرخش حول محور خود تصور کنیم. درست است، چنین تصویری می تواند گمراه کننده باشد، زیرا در مکانیک کوانتومی ذرات دارای یک محور چرخش کاملاً مشخص نیستند. در واقع، چرخش یک ذره به ما می گوید که وقتی از زوایای مختلف به آن نگاه کنیم، چه شکلی به نظر می رسد. یک ذره با اسپین 0 مانند یک نقطه است: از همه طرف یکسان به نظر می رسد (شکل 5.1، I). یک ذره با چرخش 1 را می توان با یک فلش مقایسه کرد: از طرف های مختلف متفاوت به نظر می رسد (شکل 5.1، II) و تنها پس از یک چرخش کامل 360 درجه به همان شکل می رسد. یک ذره با چرخش 2 را می توان با یک فلش تیز شده در دو طرف مقایسه کرد: هر یک از موقعیت های آن پس از نیم چرخش (180 درجه) تکرار می شود. به همین ترتیب، ذره ای با اسپین بالاتر زمانی که از طریق کسری حتی کوچکتر از یک چرخش کامل بچرخد به حالت اولیه خود باز می گردد. همه اینها کاملاً واضح است، اما آنچه شگفت آور است این است که ذراتی وجود دارند که پس از یک چرخش کامل، به شکل قبلی خود باز نمی گردند: آنها باید دو بار کاملاً بچرخند! گفته می شود که چنین ذرات دارای چرخش 1/2 هستند.

تمام ذرات شناخته شده در کیهان را می توان به دو گروه تقسیم کرد: ذرات با اسپین 1/2 که ماده در کیهان از آنها ساخته شده است و ذرات با اسپین 0، 1 و 2 که همانطور که خواهیم دید، نیروهایی ایجاد می کنند که بین ذرات ماده ذرات ماده از اصل به اصطلاح طرد پائولی پیروی می کنند که در سال 1925 توسط فیزیکدان اتریشی ولفگانگ پاولی کشف شد. در سال 1945، پائولی برای کشف خود جایزه نوبل را دریافت کرد. او نمونه ایده آل یک فیزیکدان نظری بود: می گویند صرف حضور او در شهر پیشرفت همه آزمایش ها را مختل کرد! اصل پائولی بیان می کند که دو ذره یکسان نمی توانند در یک حالت وجود داشته باشند، یعنی نمی توانند مختصات و سرعت های یکسانی با دقت مشخص شده توسط اصل عدم قطعیت داشته باشند. اصل پائولی بسیار مهم است، زیرا این امکان را فراهم می کند که توضیح دهیم چرا، تحت تأثیر نیروهای ایجاد شده توسط ذرات با اسپین 0، 1، 2، ذرات ماده به حالتی با چگالی بسیار بالا فرو نمی ریزند: اگر ذرات ماده دارای مقادیر مختصات بسیار نزدیک است، بنابراین سرعت آنها باید متفاوت باشد، و بنابراین، آنها نمی توانند برای مدت طولانی در نقاطی با این مختصات باقی بمانند. اگر اصل پائولی در آفرینش جهان شرکت نمی کرد، کوارک ها نمی توانستند به ذرات منفرد و کاملاً تعریف شده - پروتون ها و نوترون ها - ترکیب شوند که به نوبه خود نمی توانستند با الکترون ها ترکیب شوند و اتم های جداگانه و کاملاً تعریف شده را تشکیل دهند. بدون اصل پائولی، همه این ذرات فرو می ریزند و به یک "ژله" کم و بیش همگن و متراکم تبدیل می شوند.

تا سال 1928 که پل دیراک نظریه ای برای توصیف این ذرات ارائه کرد، درک درستی از الکترون و سایر ذرات اسپین 1/2 وجود نداشت. متعاقباً، دیراک کرسی ریاضیات را در کمبریج دریافت کرد (که زمانی نیوتن در اختیار داشت و اکنون من آن را دارم). نظریه دیراک اولین نظریه در نوع خود بود که هم با مکانیک کوانتومی و هم با نسبیت خاص سازگار بود. توضیحی ریاضی در مورد اینکه چرا اسپین الکترون برابر با 1/2 است، ارائه داد، یعنی چرا وقتی الکترون یک بار می‌چرخد، شکل قبلی خود را نمی‌گیرد، اما وقتی دوبار می‌چرخد، می‌چرخد. نظریه دیراک همچنین پیش بینی کرد که الکترون باید یک شریک داشته باشد - یک پادالکترون، یا به عبارت دیگر، یک پوزیترون. کشف پوزیترون در سال 1932 نظریه دیراک را تایید کرد و در سال 1933 جایزه نوبل فیزیک را دریافت کرد. اکنون می دانیم که هر ذره ای یک پادذره دارد که با آن می تواند از بین برود. (در مورد ذراتی که برهمکنش ایجاد می کنند، ذره و پاد ذره یکی هستند). ممکن است کل ضد واژه ها و ضد مردم متشکل از ضد ذرات وجود داشته باشد. اما اگر با یک ضد خود ملاقات کردید، حتی به دست دادن با او فکر نکنید! یک فلش نور کور کننده وجود خواهد داشت و هر دو ناپدید خواهید شد. یک سوال بسیار مهم این است که چرا تعداد ذرات در اطراف ما بسیار بیشتر از پادذرات است. بعداً در این فصل به آن باز خواهیم گشت.

در مکانیک کوانتومی، تمام نیروها یا فعل و انفعالات بین ذرات ماده توسط ذراتی با اسپین عدد صحیح 0، 1 یا 2 در نظر گرفته می شود. ذره ای از ماده، مانند الکترون یا کوارک، ذره ای را ساطع می کند که حامل آن است. نیرو در نتیجه پس زدن، سرعت یک ذره از ماده تغییر می کند. سپس ذره حامل با ذره دیگری از ماده برخورد کرده و جذب آن می شود. این برخورد سرعت ذره دوم را تغییر می دهد، گویی نیرویی بین دو ذره ماده وارد می شود.

ذرات حامل برهمکنش یک ویژگی مهم دارند: آنها از اصل طرد پائولی پیروی نمی کنند. این بدان معنی است که هیچ محدودیتی در تعداد ذرات مبادله شده وجود ندارد، بنابراین نیروی برهمکنش حاصل می تواند زیاد باشد. اما اگر جرم ذرات حامل بزرگ باشد، در فواصل دور ایجاد و تبادل آنها مشکل خواهد بود. بنابراین نیروهایی که آنها حمل می کنند کوتاه برد خواهند بود. اگر ذرات حامل جرم خاص خود را نداشته باشند، نیروهای دوربرد ایجاد می شوند. ذرات حامل رد و بدل شده بین ذرات ماده مجازی نامیده می شوند زیرا بر خلاف ذرات واقعی، نمی توان آنها را مستقیماً با استفاده از آشکارساز ذرات شناسایی کرد. با این حال، ما می دانیم که ذرات مجازی وجود دارند زیرا اثرات قابل اندازه گیری ایجاد می کنند: ذرات مجازی بین ذرات ماده نیرو ایجاد می کنند. تحت شرایط خاص، ذرات با اسپین های 0، 1، 2 نیز به عنوان ذرات واقعی وجود دارند. سپس آنها را می توان به طور مستقیم ثبت نام کرد. از دیدگاه فیزیک کلاسیک، چنین ذراتی به صورت امواج، مثلاً نور یا گرانشی، برای ما رخ می دهد. آنها گاهی اوقات در طول برهمکنش ذرات یک ماده منتشر می شوند که به دلیل تبادل ذرات حامل برهمکنش رخ می دهد. (به عنوان مثال، نیروی الکتریکی دافعه متقابل بین دو الکترون از تبادل فوتون های مجازی ناشی می شود که مستقیماً قابل تشخیص نیستند. اما اگر الکترون ها از کنار یکدیگر عبور کنند، فوتون های واقعی می توانند منتشر شوند که به صورت امواج نوری تشخیص داده می شوند. )

ذرات حامل را می توان به چهار نوع تقسیم کرد، بسته به میزان برهمکنشی که دارند و با چه ذرات برهمکنش دارند. ما تأکید می کنیم که چنین تقسیم بندی کاملاً مصنوعی است; این یک طرح مناسب برای توسعه نظریه های خاص است، احتمالاً هیچ چیز جدی تر در آن وجود ندارد. اکثر فیزیکدانان امیدوارند که در نهایت امکان ایجاد یک نظریه واحد وجود داشته باشد که در آن هر چهار نیرو تغییراتی از یک نیرو باشند. حتی بسیاری این را هدف اصلی فیزیک مدرن می دانند. اخیراً تلاش ها برای اتحاد نیروهای سه گانه با موفقیت همراه بوده است. من قصد دارم در این فصل بیشتر در مورد آنها صحبت کنم. ما کمی بعد در مورد چگونگی وضعیت با گنجاندن گرانش در چنین وحدت صحبت خواهیم کرد.

بنابراین، اولین نوع نیرو، نیروی گرانشی است. نیروهای گرانشی جهانی هستند. این بدان معنی است که هر ذره تحت تأثیر یک نیروی گرانشی است که بزرگی آن به جرم یا انرژی ذره بستگی دارد. گرانش بسیار ضعیف تر از هر یک از سه نیروی باقی مانده است. این یک نیروی بسیار ضعیف است که اگر به خاطر دو ویژگی خاص آن نباشد، اصلاً متوجه آن نمی‌شویم: نیروهای گرانشی در فواصل بزرگ عمل می‌کنند و همیشه نیروهای جاذبه هستند. در نتیجه، نیروهای گرانشی بسیار ضعیف برهمکنش بین ذرات منفرد در دو جرم بزرگ، مانند زمین و خورشید، می‌توانند به یک نیروی بسیار بزرگ اضافه شوند. سه نوع دیگر تعامل یا فقط در فواصل کوتاه عمل می کنند، یا دافعه یا جذاب هستند که به طور کلی منجر به جبران می شود. در رویکرد مکانیک کوانتومی به میدان گرانشی، نیروی گرانشی بین دو ذره ماده توسط یک ذره اسپین-2 به نام گراویتون در نظر گرفته می‌شود. گراویتون جرم مخصوص به خود را ندارد و بنابراین نیرویی که حمل می کند دوربرد است. برهم کنش گرانشی بین خورشید و زمین با این واقعیت توضیح داده می شود که ذرات تشکیل دهنده زمین و خورشید گراویتون ها را مبادله می کنند. با وجود اینکه فقط ذرات مجازی در تبادل شرکت می کنند، تاثیری که ایجاد می کنند قطعا قابل اندازه گیری است، زیرا این اثر چرخش زمین به دور خورشید است! گراویتون های واقعی به صورت امواج منتشر می شوند که در فیزیک کلاسیک به آنها امواج گرانشی می گویند، اما بسیار ضعیف هستند و ثبت آنها به قدری دشوار است که هنوز هیچکس موفق به انجام این کار نشده است.

نوع بعدی برهمکنش توسط نیروهای الکترومغناطیسی ایجاد می شود که بین ذرات باردار الکتریکی مانند الکترون ها و کوارک ها عمل می کنند، اما مسئول برهم کنش ذرات بدون بار مانند گراویتون ها نیستند. برهمکنش‌های الکترومغناطیسی بسیار قوی‌تر از برهمکنش‌های گرانشی هستند: نیروی الکترومغناطیسی که بین دو الکترون عمل می‌کند حدود یک میلیون میلیون میلیون میلیون میلیون میلیون (یکی به دنبال چهل و دو صفر) برابر بیشتر از نیروی گرانشی است. اما دو نوع بار الکتریکی وجود دارد - مثبت و منفی. بین دو بار مثبت، همانطور که بین دو بار منفی، نیروی دافعه و بین بارهای مثبت و منفی یک نیروی جاذبه وجود دارد. در اجرام بزرگ مانند زمین یا خورشید، محتوای بارهای مثبت و منفی تقریباً برابر است و بنابراین نیروهای جاذبه و دافعه تقریباً یکدیگر را خنثی می کنند و نیروی الکترومغناطیسی خالص بسیار کمی باقی می ماند. با این حال، در مقیاس کوچک اتم ها و مولکول ها، نیروهای الکترومغناطیسی غالب هستند. به دلیل جاذبه الکترومغناطیسی بین الکترون‌های با بار منفی و پروتون‌های با بار مثبت در هسته، الکترون‌های اتم دقیقاً به همان شکلی به دور هسته می‌چرخند که جاذبه گرانشی زمین را به دور خورشید می‌چرخاند. جاذبه الکترومغناطیسی به عنوان نتیجه تبادل تعداد زیادی از ذرات بدون جرم مجازی اسپین-1 به نام فوتون توصیف می شود. همانطور که در مورد گراویتون ها، فوتون هایی که تبادل را انجام می دهند مجازی هستند، اما زمانی که یک الکترون از یک مدار مجاز به مدار دیگر که نزدیکتر به هسته قرار دارد، حرکت می کند، انرژی آزاد می شود و در نتیجه یک فوتون واقعی ساطع می شود که در یک طول موج مناسب را می توان با چشم انسان به عنوان نور مرئی یا با استفاده از نوعی آشکارساز فوتون مانند فیلم عکاسی مشاهده کرد. به طور مشابه، هنگامی که یک فوتون واقعی با یک اتم برخورد می‌کند، یک الکترون می‌تواند از یک مدار به مداری دیگر که دورتر از هسته است، حرکت کند. این انتقال به دلیل انرژی فوتون است که توسط اتم جذب می شود. سومین نوع تعامل، تعامل ضعیف نامیده می شود. این ماده مسئول رادیواکتیویته است و بین تمام ذرات ماده با اسپین 1/2 وجود دارد، اما ذرات با اسپین 0، 1، 2 - فوتون ها و گراویتون ها - در آن شرکت نمی کنند. قبل از سال 1967، خواص نیروهای ضعیف به خوبی درک نشده بود، و در سال 1967، عبدالسلام، نظریه پرداز از امپریال کالج لندن، و استیون واینبرگ از دانشگاه هاروارد، به طور همزمان نظریه ای را ارائه کردند که نیروی ضعیف را با نیروی الکترومغناطیسی ترکیب می کند. صد سال قبل ماکسول الکتریسیته و مغناطیس را با هم ترکیب کرد. واینبرگ و سلام پیشنهاد کردند که علاوه بر فوتون، سه ذره اسپین-1 که مجموعاً بوزون های بردار سنگین نامیده می شوند، وجود دارند که نیروی ضعیف را حمل می کنند. این بوزون‌ها W+، W– و Z0 نام‌گذاری شدند و جرم هر کدام 100 GeV بود (GeV مخفف گیگا الکترون ولت، یعنی هزار میلیون الکترون ولت است). نظریه وینبرگ-سالم دارای خاصیت به اصطلاح شکستن تقارن خود به خودی است. این بدان معناست که ذراتی که در انرژی های پایین کاملاً متفاوت هستند، در انرژی های بالا در واقع همان ذره هستند، اما در حالت های مختلف. این از جهاتی شبیه رفتار توپ هنگام بازی رولت است. در تمام انرژی های بالا (یعنی با چرخش سریع چرخ)، توپ همیشه تقریباً یکسان رفتار می کند - بدون توقف می چرخد. اما با کاهش سرعت چرخ، انرژی توپ کاهش می یابد و در نهایت در یکی از سی و هفت شیار روی چرخ می افتد. به عبارت دیگر، در انرژی های کم، توپ می تواند در سی و هفت حالت وجود داشته باشد. اگر بنا به دلایلی فقط می توانستیم توپ را با انرژی کم مشاهده کنیم، فکر می کردیم که سی و هفت نوع توپ مختلف وجود دارد!

نظریه Weinberg-Salam پیش‌بینی کرد که در انرژی‌های بسیار بالاتر از 100GeV، سه ذره جدید و فوتون باید یکسان رفتار کنند، اما در انرژی‌های ذرات پایین‌تر، یعنی در بیشتر موقعیت‌های معمولی، این «تقارن» باید از بین برود. توده‌های بوزون‌های W+، W– و Z0 بزرگ پیش‌بینی می‌شدند تا نیروهایی که ایجاد می‌کنند دامنه عمل بسیار کوتاهی داشته باشند. وقتی واینبرگ و سلام تئوری خود را مطرح کردند، افراد کمی آنها را باور کردند، و با شتاب دهنده های کم توان آن زمان، دستیابی به انرژی 100 گیگا ولت مورد نیاز برای تولید ذرات W+، W– و Z0 واقعی غیرممکن بود. با این حال، ده سال بعد، پیش‌بینی‌های به‌دست‌آمده در این نظریه در انرژی‌های پایین آنقدر به‌خوبی تأیید شد که واینبرگ و سلام همراه با شلدون گلاشو (همچنین از هاروارد) جایزه نوبل سال 1979 را دریافت کردند، که نظریه واحد مشابهی از الکترومغناطیسی و ضعیف را ارائه کرد. فعل و انفعالات هسته ای کمیته جایزه نوبل از شرمساری در امان ماند اگر نشان داده می شد که در سال 1983 با کشف سه شریک عظیم فوتون با جرم صحیح و سایر ویژگی های پیش بینی شده در CERN اشتباه کرده است. کارلو روبیا، که تیم صدها فیزیکدانی را رهبری کرد که این کشف را انجام دادند، جایزه نوبل 1984 را که به طور مشترک با مهندس سرن، سیمون ون در میر، نویسنده حلقه ذخیره‌سازی ضد ذرات مورد استفاده در آزمایش به او اعطا شد، دریافت کرد. (این روزها به شدت دشوار است که در فیزیک تجربی نشان دهید، مگر اینکه قبلاً در اوج باشید!).

نیروی هسته ای قوی نیرویی از نوع 4 است که کوارک ها را در داخل پروتون و نوترون و پروتون ها و نوترون ها را در داخل هسته اتم نگه می دارد. حامل برهم کنش قوی ذره دیگری با اسپین 1 در نظر گرفته می شود که گلوئون نامیده می شود.

گلوئون ها فقط با کوارک ها و سایر گلوئون ها برهم کنش دارند. کنش متقابل قوی یک خاصیت خارق‌العاده دارد - محصور کردن (حصر - محدودیت، حفظ (انگلیسی). - Ed.).

محصور شدن به این معنی است که ذرات همیشه در ترکیبات بی رنگ نگهداری می شوند. یک کوارک به تنهایی نمی تواند وجود داشته باشد، زیرا در این صورت باید رنگی (قرمز، سبز یا آبی) داشته باشد. بنابراین، کوارک قرمز باید از طریق یک "جت" گلوئون (قرمز + سبز + آبی = سفید) به سبز و آبی جفت شود. معلوم می شود که چنین سه گانه ای یک پروتون یا نوترون است. احتمال دیگری وجود دارد، زمانی که یک کوارک و یک آنتی کوارک جفت شوند (قرمز + ضد قرمز، یا سبز + ضد سبز، یا آبی + ضد آبی = سفید). چنین ترکیباتی ذراتی به نام مزون را می سازند. این ذرات ناپایدار هستند زیرا کوارک و آنتی کوارک می توانند یکدیگر را نابود کرده و الکترون ها و ذرات دیگر را تشکیل دهند. به همین ترتیب، یک گلوئون منفرد به دلیل محصور بودن نمی تواند به تنهایی وجود داشته باشد، زیرا گلوئون ها نیز رنگ دارند. بنابراین، گلوئون ها باید به گونه ای گروه بندی شوند که رنگ آنها به سفید برسد. گروه توصیف شده از گلوئون ها یک ذره ناپایدار - یک گلوله چسب را تشکیل می دهند.

ما نمی توانیم یک کوارک یا گلوئون را به دلیل محصور شدن مشاهده کنیم. آیا این بدان معنا نیست که ایده کوارک ها و گلوئون ها به عنوان ذرات تا حدودی متافیزیکی است؟ خیر، زیرا تعامل قوی با ویژگی دیگری به نام آزادی مجانبی مشخص می شود. به لطف این خاصیت، مفهوم کوارک ها و گلوئون ها کاملاً مشخص می شود. در انرژی های معمولی، برهم کنش قوی در واقع قوی است و کوارک ها را محکم به هم فشار می دهد. اما، همانطور که آزمایش‌ها در شتاب‌دهنده‌های قدرتمند نشان می‌دهند، در انرژی‌های بالا، برهم‌کنش قوی به‌طور محسوسی ضعیف می‌شود و کوارک‌ها و گلوئون‌ها تقریباً مانند ذرات آزاد رفتار می‌کنند. در شکل شکل 5.2 عکسی از برخورد پروتون و آنتی پروتون با انرژی بالا را نشان می دهد. ما می بینیم که چندین کوارک تقریباً آزاد که در نتیجه تعامل به وجود آمده اند، "جت های" آهنگ هایی را تشکیل می دهند که در عکس قابل مشاهده است.

اتحاد موفقیت‌آمیز برهمکنش‌های الکترومغناطیسی و ضعیف منجر به تلاش‌هایی برای ترکیب این دو نوع برهم‌کنش با برهم‌کنش قوی شد و در نتیجه نظریه موسوم به یکپارچگی بزرگ ایجاد شد. در این نام اغراق وجود دارد: اولاً، نظریه های یکپارچه بزرگ آنقدرها هم عالی نیستند، و ثانیاً، آنها همه نیروها را کاملاً متحد نمی کنند زیرا گرانش را در بر نمی گیرند. علاوه بر این، تمام این نظریه ها در واقع ناقص هستند زیرا دارای پارامترهایی هستند که نمی توان آنها را به صورت نظری پیش بینی کرد و باید با مقایسه نتایج نظری و تجربی محاسبه شوند. با این وجود، چنین نظریه‌هایی می‌توانند گامی به سوی یک تئوری یکپارچگی کامل باشد که همه تعاملات را پوشش می‌دهد. ایده اصلی پشت ساخت نظریه‌های یکپارچه بزرگ به شرح زیر است: همانطور که قبلاً ذکر شد، برهمکنش‌های قوی در انرژی‌های بالا ضعیف‌تر از انرژی‌های پایین می‌شوند. در عین حال، نیروهای الکترومغناطیسی و ضعیف مجانبی آزاد نیستند و در انرژی های بالا افزایش می یابند. سپس، در مقدار بسیار زیاد انرژی - در انرژی اتحاد بزرگ - این سه نیرو می توانند با یکدیگر برابر شوند و به سادگی به انواعی از همان نیرو تبدیل شوند. تئوری های وحدت بزرگ پیش بینی می کنند که در این انرژی، ذرات مختلف ماده اسپین-1/2، مانند کوارک ها و الکترون ها نیز دیگر متفاوت خواهند بود، که گام دیگری به سوی وحدت خواهد بود.

ارزش کل انرژی یکپارچه چندان شناخته شده نیست، اما باید حداقل یک هزار میلیون گیگا ولت باشد. در شتاب دهنده های نسل فعلی، ذرات با انرژی حدود 100 گیگا ولت با هم برخورد می کنند و در پروژه های آینده این مقدار باید به چند هزار گیگا ولت افزایش یابد. اما شتاب دادن ذرات به انرژی یکپارچه بزرگ به شتاب دهنده ای به اندازه منظومه شمسی نیاز دارد. بعید است در شرایط اقتصادی فعلی کسی تصمیم به تامین مالی آن بگیرد. به همین دلیل است که آزمایش تجربی مستقیم نظریه‌های یکپارچه بزرگ غیرممکن است. اما در اینجا، مانند نظریه یکپارچه الکتروضعیف، پیامدهای کم انرژی وجود دارد که می توان آنها را آزمایش کرد.

جالب‌ترین این پیامدها این است که پروتون‌ها، که بیشتر جرم ماده معمولی را تشکیل می‌دهند، می‌توانند خود به خود به ذرات سبک‌تری مانند پادالکترون تجزیه شوند. دلیل آن این است که در انرژی یکپارچه بزرگ تفاوت معنی داری بین کوارک و پادالکترون وجود ندارد. سه کوارک درون یک پروتون معمولاً انرژی کافی برای تبدیل شدن به پادالکترون ندارند، اما یکی از کوارک ها ممکن است به طور کاملاً تصادفی روزی انرژی کافی برای این تبدیل دریافت کند، زیرا به دلیل اصل عدم قطعیت، ثبت دقیق انرژی غیرممکن است. از کوارک های درون یک پروتون سپس پروتون باید واپاشی شود، اما احتمال اینکه کوارک انرژی کافی داشته باشد آنقدر کم است که انتظار برای آن باید حداقل یک میلیون میلیون میلیون میلیون (یکی به دنبال آن سی صفر) سال باشد، که بسیار بیشتر از زمانی که از مهبانگ گذشته است که از ده هزار میلیون سال یا چیزی شبیه به آن (یک به دنبال آن ده صفر) فراتر نمی رود. این نتیجه گیری را نشان می دهد که امکان واپاشی خود به خودی پروتون را نمی توان به طور تجربی تأیید کرد. با این حال، می توان با مطالعه تعداد بسیار زیادی از پروتون ها، احتمال مشاهده واپاشی پروتون را افزایش داد. (برای مثال، با مشاهده 1 با سی و یک پروتون صفر در طول یک سال، می توان امیدوار بود که طبق یکی از ساده ترین نظریه های وحدت بزرگ، بیش از یک فروپاشی پروتون را تشخیص دهد).

چندین آزمایش از این دست قبلاً انجام شده است، اما اطلاعات قطعی در مورد فروپاشی پروتون یا نوترون ارائه نکردند. یکی از آزمایش‌ها که از هشت هزار تن آب استفاده می‌کرد، در یک معدن نمک در اوهایو انجام شد (به منظور از بین بردن تداخل کیهانی که ممکن است با واپاشی پروتون اشتباه گرفته شود). از آنجایی که هیچ واپاشی پروتون در طول کل آزمایش شناسایی نشد، می توان محاسبه کرد که طول عمر پروتون باید بیشتر از ده میلیون میلیون میلیون میلیون (یکی به دنبال آن سی و یک صفر) سال باشد. این نتیجه از پیش‌بینی‌های ساده‌ترین نظریه یکپارچه بزرگ فراتر است، اما نظریه‌های پیچیده‌تری نیز وجود دارند که تخمین بالاتری ارائه می‌دهند. برای تأیید آنها، آزمایش‌های دقیق‌تری با مقادیر حتی بیشتر از این ماده مورد نیاز است.

علیرغم مشکلات مشاهده واپاشی پروتون، ممکن است وجود ما نتیجه فرآیند معکوس باشد - تشکیل پروتون ها یا حتی ساده تر، کوارک ها در همان مرحله اولیه، زمانی که کوارک های بیشتری از آنتی کوارک ها وجود نداشت. این تصویر از آغاز جهان به نظر طبیعی ترین است. ماده زمین عمدتاً از پروتون ها و نوترون ها تشکیل شده است که به نوبه خود از کوارک ها ساخته شده اند، اما هیچ پادپروتون یا ضد نوترون که از آنتی کوارک ساخته شده اند وجود ندارد، به جز موارد معدودی که در شتاب دهنده های بزرگ تولید شده اند. آزمایش‌ها با پرتوهای کیهانی تأیید می‌کنند که همین امر برای همه مواد در کهکشان ما صادق است: هیچ پادپروتون یا پادنوترونی وجود ندارد، به جز تعداد کمی از پادذراتی که در نتیجه ایجاد جفت‌های ذره-پادذره در برخورد ذرات در انرژی‌های بالا به وجود می‌آیند. . اگر نواحی وسیعی از پادماده در کهکشان ما وجود داشته باشد، آنگاه می‌توان انتظار تابش قوی در سطح مشترک بین ماده و پادماده را داشت، جایی که برخوردهای زیادی از ذرات و پادذرات رخ می‌داد که در صورت نابودی، تشعشعات پرانرژی ساطع می‌کردند.

ما هیچ نشانه مستقیمی نداریم که آیا ماده کهکشان های دیگر از پروتون و نوترون یا از پادپروتون و ضد نوترون تشکیل شده است، اما باید از ذرات یک نوع تشکیل شده باشد: در یک کهکشان نمی توان مخلوطی از ذرات و پادذرات وجود داشته باشد، زیرا به عنوان یک در نتیجه نابودی آنها تشعشعات قدرتمندی ساطع می شود. بنابراین ما معتقدیم که همه کهکشان ها از کوارک ها ساخته شده اند، نه آنتی کوارک ها. بعید است که برخی کهکشان ها از ماده و برخی دیگر از پادماده تشکیل شده باشند.

اما چرا باید تعداد کوارک ها بسیار بیشتر از آنتی کوارک ها باشد؟ چرا تعداد آنها یکسان نیست؟ ما بسیار خوش شانس هستیم که چنین است، زیرا اگر تعداد مساوی کوارک ها و آنتی کوارک ها وجود داشت، تقریباً همه کوارک ها و آنتی کوارک ها در اوایل جهان یکدیگر را نابود می کردند و آن را پر از تشعشع می کردند، اما به سختی ماده ای از خود باقی می گذاشتند. هیچ کهکشانی، هیچ ستاره ای، هیچ سیاره ای وجود نخواهد داشت که زندگی بشر در آن رشد کند. تئوری‌های یکپارچه بزرگ می‌توانند توضیح دهند که چرا اکنون باید تعداد کوارک‌ها در جهان بیشتر از آنتی‌کوارک‌ها باشد، حتی اگر در همان ابتدا تعداد آنها برابر بود. همانطور که قبلاً می دانیم، در نظریه های یکپارچه بزرگ در انرژی های بالا، کوارک ها می توانند به پادالکترون تبدیل شوند. فرآیندهای معکوس نیز ممکن است، زمانی که آنتی کوارک ها به الکترون، و الکترون ها و پادالکترون ها به آنتی کوارک ها و کوارک ها تبدیل می شوند. روزی روزگاری، در مراحل اولیه توسعه کیهان، آنقدر داغ بود که انرژی ذرات برای چنین دگرگونی هایی کافی بود. اما چرا این منجر به کوارک های بیشتری نسبت به آنتی کوارک ها شد؟ دلیل آن در این واقعیت نهفته است که قوانین فیزیک دقیقاً برای ذرات و ضد ذرات یکسان نیست.

تا سال 1956، اعتقاد بر این بود که قوانین فیزیک تحت سه تبدیل تقارن - C، P و T ثابت هستند. تقارن C به این معنی است که همه قوانین برای ذرات و ضد ذرات یکسان هستند. تقارن P به این معنی است که قوانین فیزیک برای هر پدیده و برای بازتاب آینه ای آن یکسان است (تصویر آینه ای یک ذره که در جهت عقربه های ساعت می چرخد، ذره ای خواهد بود که در خلاف جهت عقربه های ساعت می چرخد). در نهایت، منظور از تقارن T این است که وقتی جهت حرکت همه ذرات و پاد ذرات معکوس شود، سیستم به حالت قبل برمی‌گردد. به عبارت دیگر، قوانین یکسان هستند، چه حرکت به جلو یا عقب در زمان.

در سال 1956، دو فیزیکدان آمریکایی، تزوندائو لی و ژنینگ یانگ، پیشنهاد کردند که برهمکنش ضعیف در واقع تحت تبدیل P ثابت نیست. به عبارت دیگر، در نتیجه تعامل ضعیف، توسعه کیهان ممکن است متفاوت از توسعه تصویر آینه ای آن باشد. در همان سال، Jinxiang Wu، همکار لی و یانگ، توانست ثابت کند که فرض آنها درست است. او با مرتب کردن هسته های اتم های رادیواکتیو در یک میدان مغناطیسی به گونه ای که اسپین های آنها در یک جهت باشد، نشان داد که الکترون های بیشتری در یک جهت نسبت به جهت دیگر گسیل می شوند. سال بعد، لی و یانگ برای کشف خود جایزه نوبل دریافت کردند. معلوم شد که فعل و انفعالات ضعیف نیز از تقارن C پیروی نمی کنند، این بدان معناست که یک جهان متشکل از پادذرات رفتاری متفاوت از جهان ما خواهد داشت. با این حال، برای همه به نظر می رسید که تعامل ضعیف هنوز باید از تقارن CP ترکیبی پیروی کند، یعنی توسعه جهان باید به همان روشی که توسعه انعکاس آینه ای آن اتفاق می افتد، رخ دهد، اگر با انعکاس آن در آینه، همچنین هر ذره را با یک پاد ذره جایگزین کنید! اما در سال 1964، دو آمریکایی دیگر، جیمز کرونین و ول فیچ، کشف کردند که حتی تقارن CP در فروپاشی ذرات به نام مزون K شکسته می شود.

در نتیجه، در سال 1980، کرونین و فیچ جایزه نوبل را برای کارهای خود دریافت کردند. (چه تعداد زیادی جوایز به آثاری تعلق گرفته است که نشان می دهد جهان به آن سادگی که ما فکر می کنیم نیست).

یک قضیه ریاضی وجود دارد که بیان می کند که هر نظریه ای که از مکانیک کوانتومی و نسبیت پیروی می کند باید همیشه تحت تقارن CPT ترکیبی ثابت باشد. به عبارت دیگر، اگر ذرات را با ضد ذرات جایگزین کنید، همه چیز را در آینه منعکس کنید و همچنین جهت زمان را معکوس کنید، رفتار جهان تغییر نخواهد کرد. اما کرونین و فیچ نشان دادند که اگر ذرات را با پادذرات جایگزین کنید و تصویری آینه ای ایجاد کنید، اما جهت زمان را معکوس نکنید، کیهان رفتار متفاوتی خواهد داشت. در نتیجه، وقتی زمان معکوس می شود، قوانین فیزیک باید تغییر کنند، یعنی از نظر تقارن T ثابت نیستند.

واضح است که در اوایل کیهان تقارن T شکسته شد: وقتی زمان به جلو می رود، جهان منبسط می شود و اگر زمان به عقب می رفت، جهان شروع به انقباض می کرد. و از آنجایی که نیروهایی وجود دارند که نسبت به تقارن T ثابت نیستند، نتیجه می شود که با انبساط جهان تحت تأثیر این نیروها، پادالکترون ها باید بیشتر به کوارک تبدیل شوند تا الکترون ها به آنتی کوارک. سپس، با انبساط و سرد شدن جهان، آنتی‌کوارک‌ها و کوارک‌ها از بین می‌رفتند، اما از آنجایی که کوارک‌ها بیشتر از آنتی‌کوارک‌ها بودند، کوارک‌ها کمی بیش از حد بودند. و آن‌ها همان کوارک‌هایی هستند که ماده امروزی را تشکیل می‌دهند که ما می‌بینیم و خودمان از آنها خلق شده‌ایم. بنابراین، وجود ما را می توان به عنوان تاییدی بر نظریه وحدت بزرگ، هرچند تنها به عنوان یک تایید کیفی، در نظر گرفت. عدم قطعیت‌ها به این دلیل به وجود می‌آیند که نمی‌توانیم پیش‌بینی کنیم که چند کوارک پس از نابودی باقی می‌مانند، یا حتی اینکه آیا ذرات باقی‌مانده کوارک یا آنتی‌کوارک خواهند بود. (درست است، اگر مقدار زیادی آنتی کوارک باقی می ماند، نام آنها را به سادگی به کوارک ها تغییر می دادیم، و کوارک ها را - آنتی کوارک ها).

نظریه های یکپارچه بزرگ شامل تعامل گرانشی نمی شوند. این چندان مهم نیست، زیرا نیروهای گرانشی آنقدر کوچک هستند که می‌توان از تأثیر آن‌ها به سادگی غفلت کرد

ارسطو ماده را پیوسته می دانست، یعنی. هر تکه ای از ماده را می توان به طور بی پایان به قطعات کوچکتر و کوچکتر خرد کرد و هرگز به آن دانه ریز که بیشتر تقسیم نشود، نرسید. با این حال، سایر فیلسوفان یونان باستان، مانند دموکریتوس، بر این عقیده بودند که ماده دارای ساختار دانه ای است و همه چیز در جهان از تعداد زیادی اتم مختلف تشکیل شده است. قرن ها گذشت، اما مناقشه بی دلیل از هر دو طرف ادامه یافت. این اختلاف تا اوایل قرن ما ادامه داشت تا اینکه فیزیکدان انگلیسی جوزف تامسون(1856-1940) در سال 1897 باز نشد. ساده ترین ذره بنیادی ماده، الکترون است. به زودی مشخص شد که الکترون ها باید از اتم ها ساطع شوند. در سال 1911 فیزیکدان انگلیسی ارنست رادرفورد، ثابت کرد که اتم های ماده در واقع ساختار داخلی دارند: آنها از یک هسته با بار مثبت و الکترون هایی با بار منفی تشکیل شده اند.

در ابتدا فرض بر این بود که هسته یک اتم از الکترون ها و ذرات با بار مثبت تشکیل شده است که به آنها گفته می شود. پروتون هابا این حال، در سال 1932 جیمز چادویککشف کرد که ذرات دیگری در هسته وجود دارد - نوترون ها،که جرم آنها تقریباً برابر با جرم یک پروتون است، اما باردار نیستند.

همانطور که در بالا ذکر شد، ذرات می توانند مانند یک موج رفتار کنند (دوگانگی موج-ذره).کشف ماهیت موجی الکترون، دنیای جدیدی از پدیده ها را آشکار کرد. یک نظریه ظریف از الکترون توسط یک فیزیکدان نظری برجسته ارائه شد پی دیراکدر سال 1928. این نظریه به ما اجازه می دهد تا تعیین کنیم که یک الکترون چه زمانی شبیه یک ذره و چه زمانی شبیه به یک موج است. یکی از مقدمات نظریه دیراک در مورد الکترون این بود که باید یک ذره بنیادی وجود داشته باشد که خواصی مشابه الکترون داشته باشد، اما با بار مثبت. چنین ذره ای (یا پاد ذره) کشف و نامگذاری شد پوزیترونهمچنین از نظریه دیراک نتیجه گرفت که یک پوزیترون و یک الکترون با یکدیگر برهمکنش دارند (واکنش نابودی)یک جفت تشکیل دهید فوتون ها، یعنی کوانتومی تابش الکترومغناطیسیفرآیند معکوس (فرایند تولید) نیز ممکن است، زمانی که یک فوتون، در تعامل با هسته، به یک جفت تبدیل شود. الکترون پوزیترونعلاوه بر این، یک الکترون و یک پوزیترون می توانند نه تنها با هم، بلکه به طور جداگانه نیز ظاهر شوند و ناپدید شوند - در طول تبدیل متقابل نوترون ها و پروتون ها یا آنها. ضد ذرات، یعنی آنتی نوترون هاو آنتی پروتون ها

ویژگی مکانیک موجی (مکانیکی که ذره ای را موج در نظر می گیرد) توزیع احتمال ذرات مورد نظر (هر ذره با تابع موج،مربع دامنه آن برابر با احتمال تشخیص ذره در حجم معین است) نه تنها برای الکترون صدق می کند. در مورد هسته های اتم، اجازه می دهد تا اجزای تشکیل دهنده این هسته ها نوکلئون ها(یعنی پروتون ها و نوترون ها) از طریق یک مانع بالقوه که برای آنها غیرقابل عبور است به بیرون "نشت" می کنند - این به اصطلاح است. اثر تونل زنی مکانیکی کوانتومی

فقط بیست و پنج سال پیش، پروتون ها و نوترون ها مورد توجه قرار گرفتند ذرات بنیادی،اما آزمایش‌ها بر روی برهمکنش پروتون‌ها (نوترون‌ها) و الکترون‌هایی که با سرعت بالا حرکت می‌کنند نشان داد که در واقع پروتون‌ها و نوترون‌ها هر کدام از سه ذره حتی کوچک‌تر تشکیل شده‌اند. این ذرات اولین بار توسط یک فیزیکدان نظری آمریکایی مورد مطالعه قرار گرفتند M.Gell-Mann.آنها را صدا زد کوارک ها

چندین نوع کوارک شناخته شده است: اعتقاد بر این است که حداقل شش مورد وجود دارد عطرها،که با یو کوارک، دی کوارک، اس کوارک، سی کوارک، ب کوارک و تی کوارک مطابقت دارند. یک کوارک از هر طعم نیز می تواند یکی از این سه طعم را داشته باشد گل ها- قرمز، سبز، آبی.. اینها فقط نام گذاری هستند و رنگ به معنای معمول کلمه ندارند. بنابراین، ما آموخته‌ایم که نه اتم‌ها و نه پروتون‌ها و نوترون‌های درون یک اتم تقسیم‌ناپذیر نیستند، و بنابراین این سؤال مطرح می‌شود: "ذرات بنیادی واقعی چیست؟"

از آنجایی که طول موج های نور بسیار بزرگتر از اندازه یک اتم است، امیدی به «دیدن» اجزای تشکیل دهنده یک اتم به روش معمول نداریم. برای این منظور، طول موج های بسیار کوتاه تری مورد نیاز است.

بر اساس مکانیک کوانتومی، همه ذرات نیز موج هستند و هر چه انرژی یک ذره بیشتر باشد، طول موج مربوطه کوتاهتر است. بنابراین، پاسخ به سوال مطرح شده بستگی به این دارد که انرژی ذرات در اختیار ما چقدر است، زیرا این انرژی تعیین می کند که مقیاس آن طول هایی که می توانیم مشاهده کنیم چقدر کوچک است.

بنابراین، ذرات شتاب دهنده در شتاب دهنده ها (به عنوان مثال، در
سینکروفازوترون) انرژی های قابل توجهی به دست خواهیم آورد. تعامل با
ذرات دیگر، این ذرات پرانرژی به ما این امکان را می دهند که «نگاه کنیم
در اعماق آن ذراتی که ابتدایی تلقی می شوند. فیزیکدانان اینگونه یاد گرفتند
که ذراتی که بیست سال پیش ابتدایی در نظر گرفته می شدند در واقع هستند
در واقع از ذرات کوچکتری تشکیل شده اند. چه می شود اگر، وقتی به حتی بالاتر بروید
انرژی ها، معلوم می شود که این ذرات کوچکتر نیز به نوبه خود شامل
حتی کوچکتر؟ کی این زنجیره پاره میشه؟ درست است، دانشمندان در حال کار در
حوزه فیزیک ذرات، معتقدند که علم در حال حاضر مالک یا
تقریباً اطلاعاتی در مورد "آجر" اصلی که از آن ساخته شده است دارد
همه چیز در طبیعت: اینها کوارک ها و الکترون ها هستند.

حالا بیایید در مورد صحبت کنیم برخی از ویژگی های ابتدایی
ذراتآنها یک ویژگی چرخشی دارند - چرخش. مفهوم پشت را می توان از چنین ایده ساده ای به دست آورد: یک اسباب بازی کودکان را بردارید - یک تاپ (بالا چرخان)، آن را به صورت عمودی قرار دهید و رها کنید، قسمت بالا می افتد. اما اگر ابتدا قسمت بالایی باز شود، به صورت عمودی قرار می گیرد. این نشان می دهد که یک جسم دوار دارای خاصیت جدیدی است، یک کیفیت جدید - توانایی حفظ جهت محور چرخش در فضا. این ویژگی جدید با مفهوم اسپین مشخص می شود.

تمام ذرات شناخته شده در کیهان، بسته به چرخش ذره، می توانند به دو گروه تقسیم شوند: فرمیون ها- ذراتی با اسپین 1/2، که هر ماده ای در کیهان از آنها تشکیل شده است (نوترون، پروتون، کوارک، ذرات سبک - لپتون هاو ذرات سنگین - هایپرون ها)و بوزون ها- ذراتی با اسپین 0، 1 و 2، که نیروهایی را بین ذرات ماده (فوتون ها و ذرات تحت نام عمومی) ایجاد می کنند. مزون ها).ذرات ماده (فرمیون ها) اطاعت می کنند اصل طرد پائولیدر سال 1925 توسط یک فیزیکدان اتریشی کشف شد ولفگانگ پائولی.اصل پائولی بیان می کند که دو ذره یکسان نمی توانند در یک حالت وجود داشته باشند، یعنی. نمی تواند مختصات و سرعت های یکسانی با دقت مشخص شده توسط اصل عدم قطعیت داشته باشد. اگر ذرات ماده دارای مقادیر مختصات بسیار نزدیک باشند، سرعت آنها باید متفاوت باشد و بنابراین، نمی توانند برای مدت طولانی در نقاطی با این مختصات بمانند. اگر اصل پائولی در هنگام ظهور کیهان در نظر گرفته نمی شد، کوارک ها نمی توانستند به ذرات منفرد و کاملاً مشخص - نوترون ها و پروتون ها ترکیب شوند، و آنها نیز به نوبه خود نمی توانستند همراه با الکترون ها جدا از هم تشکیل شوند. اتم های به خوبی تعریف شده بدون اصل پائولی، همه این ذرات فرو می ریزند و به یک "ژله" کم و بیش همگن تبدیل می شوند.

در مکانیک کوانتومی، تمام نیروها یا فعل و انفعالات بین ذرات ماده توسط ذراتی با اسپین عدد صحیح 0، 1 یا 2 در نظر گرفته می شود. این کار به شرح زیر است. ذره ای از ماده، مانند الکترون یا کوارک، ذره دیگری را که حامل نیرو است (مثلاً یک فوتون) ساطع می کند. در نتیجه پس زدن، سرعت یک ذره از ماده تغییر می کند. سپس ذره حامل بر روی ذره دیگری از ماده "پرواز" می کند و توسط آن جذب می شود. این برخورد سرعت ذره دوم را تغییر می دهد، گویی نیرویی بین دو ذره ماده وارد می شود. ذرات حاملکه توسط آن ذرات ماده مبادله می شوند نامیده می شوند مجازی،زیرا، بر خلاف موارد "واقعی"، آنها را نمی توان مستقیماً با استفاده از آشکارساز ذرات شناسایی کرد. با این حال، آنها وجود دارند زیرا اثرات قابل اندازه گیری ایجاد می کنند.

ذرات حامل را می توان بسته به میزان برهمکنشی که انجام می دادند و با چه ذرات برهمکنش داشتند به چهار نوع طبقه بندی کرد.

1. نوع اول - نیروی گرانشیاین بدان معناست که هر اجسامی با جرم با یکدیگر تعامل دارند. این یک نیروی بسیار ضعیف است، بسته به جرم اجسام در حال تعامل و فاصله بین آنها، که اگر به خاطر دو ویژگی خاص آن نبود، اصلا متوجه آن نمی شدیم: نیروهای گرانشی در فواصل زیاد عمل می کنند و همیشه نیروهای جاذبه هستند.

در رویکرد مکانیک کوانتومی به میدان گرانشی، نیروی گرانشی که بین دو ذره ماده اعمال می‌شود توسط یک ذره اسپین-2 به نام حمل می‌شود. گراویتونگراویتون جرم خاص خود را ندارد و بنابراین نیرویی که حمل می کند دوربرد است. برهم کنش گرانشی بین خورشید و زمین با این واقعیت توضیح داده می شود که ذرات تشکیل دهنده زمین و خورشید گراویتون ها را مبادله می کنند. علیرغم این واقعیت که فقط ذرات مجازی در تبادل نقش دارند، تأثیری که ایجاد می کنند قطعا قابل اندازه گیری است، زیرا این اثر چرخش زمین به دور خورشید است. گرچه گراویتون‌ها ثبت نشده‌اند، اما ذرات فرضی باقی می‌مانند، اما فیزیکدانان هیچ شکی در وجود آنها ندارند.

2. مرحله بعدی تعامل ایجاد می شود نیروهای الکترومغناطیسی،که بین ذرات باردار الکتریکی عمل می کنند، اما مسئول برهم کنش ذرات بدون بار مانند نوترون ها نیستند. برهمکنش‌های الکترومغناطیسی بسیار قوی‌تر از برهمکنش‌های گرانشی هستند: نیروی الکترومغناطیسی که بین دو الکترون وارد می‌شود، حدود ۱۰ تا ۴۰ برابر بیشتر از نیروی گرانشی است. بر خلاف نیروهای گرانشی که نیروهای جاذبه هستند، بارهای همان علامت دفع می شوند، بارهای علامت مخالف جذب می شوند. حامل های برهمکنش الکترومغناطیسی فوتون ها هستند.

3. نوع سوم تعامل نامیده می شود تعامل ضعیفمسئول فروپاشی ذرات بنیادی، رادیواکتیویته است و بین تمام ذرات ماده با اسپین 1/2 وجود دارد، اما ذرات با اسپین 0 و 2 - فوتون ها و گراویتون ها - در آن شرکت نمی کنند.

در سال 1967، یک فیزیکدان نظری انگلیسی عبدالسلامو فیزیکدان آمریکایی از هاروارد استیون واینبرگدر همان زمان آنها نظریه ای را ارائه کردند که برهمکنش ضعیف را با یک الکترومغناطیسی ترکیب می کرد. واینبرگ و سلام پیشنهاد کردند که علاوه بر فوتون، سه ذره اسپین-1 دیگر نیز وجود دارد که با هم نامیده می شوند. بوزون بردار میانیو ناقل تعاملات ضعیف هستند. این بوزون ها با نمادهای W + , W - و Z 0 مشخص شدند. توده بوزون ها بزرگ پیش بینی شده بود تا نیروهایی که ایجاد می کنند شعاع عمل بسیار کمی داشته باشند. حدود ده سال بعد، پیش‌بینی‌های به‌دست‌آمده در نظریه وینبرگ-سالم به‌طور تجربی تأیید شد.

4. نیروی هسته ای قویبرهمکنشی از نوع چهارم است که کوارک ها را درون پروتون و نوترون و پروتون ها و نوترون ها را درون هسته اتم نگه می دارد. حامل برهم کنش قوی ذره ای با اسپین 1 در نظر گرفته می شود که به آن می گویند گلوئونگلوئون ها فقط با کوارک ها و سایر گلوئون ها برهم کنش دارند. تعامل قوی یک خاصیت غیرمعمول دارد - دارای محدودیت (از انگلیسی. حصر- محدودیت، حفظ). حصراین است که هنگام تلاش برای تقسیم یک پروتون یا نوترون به کوارک های منفرد، نیروهای جذاب قدرتمندی به وجود می آیند که اجازه انجام این کار را نمی دهند. نتیجه محصور شدن این است که ما نمی توانیم یک کوارک یا گلوئون را مشاهده کنیم.

پس از ترکیب موفقیت آمیز برهمکنش های الکترومغناطیسی و ضعیف، تلاش شد تا این دو نوع با اندرکنش قوی ترکیب شوند که در نتیجه به اصطلاح نظریه وحدت بزرگچندین نسخه از چنین نظریه های "بزرگ" ارائه شده است.

البته در این نام مقداری اغراق وجود دارد: اولاً، همه نظریه های ارائه شده در واقع اصلاً عالی نیستند و ثانیاً به دلیل اینکه برهمکنش های گرانشی را در نظر می گیرند، به سادگی نمی توانند هر چهار نوع برهمکنش را با هم ترکیب کنند. با این حال، چنین نظریه هایی می تواند گامی قطعی به سوی آن باشد ایجاد یک نظریه کامل وحدت،پوشش همه تعاملات تئوری های یکپارچه بزرگ وجود ما را روشن می کند. ممکن است وجود ما نتیجه تشکیل پروتون ها باشد. این تصویر از آغاز جهان به نظر طبیعی ترین است. ماده زمین عمدتاً از پروتون تشکیل شده است، اما نه آنتی پروتون دارد و نه آنتی نوترون. آزمایش‌ها با پرتوهای کیهانی تأیید می‌کنند که این موضوع برای همه مواد موجود در کهکشان ما نیز صادق است!

همانطور که قبلاً ذکر شد، نظریه‌های یکپارچه بزرگ شامل تعامل گرانشی نمی‌شوند. نیروهای گرانشی آنقدر کوچک هستند که وقتی با ذرات یا اتم‌های بنیادی سروکار داریم، می‌توان از تأثیر آنها غفلت کرد. با این حال، این واقعیت که نیروهای گرانشی دوربرد هستند و نیروهای همیشه جذاب هستند، به این معنی است که نتایج تأثیر آنها همیشه تجمعی است. بنابراین، اگر مقدار کافی ماده وجود داشته باشد، نیروهای گرانشی می توانند از همه نیروهای دیگر بیشتر شوند. به همین دلیل است که تکامل جهان دقیقاً توسط گرانش تعیین می شود.

اکثر فیزیکدانان به ایجاد یک نظریه واحد معتقدند که در آن هر چهار نیرو تغییری از یک نیرو باشد.

هنگامی که دموکریتوس فیلسوف یونانی ساده ترین ذرات غیر قابل تقسیم را اتم نامید (کلمه اتم،به شما یادآوری می کنیم که به معنای "تقسیم ناپذیر" است)، پس، در اصل، احتمالاً همه چیز برای او خیلی پیچیده به نظر نمی رسید. اشیاء مختلف، گیاهان، حیوانات از ذرات غیر قابل تقسیم و تغییرناپذیر ساخته شده اند. دگرگونی های مشاهده شده در جهان، بازآرایی ساده اتم هاست. همه چیز در جهان جریان دارد، همه چیز تغییر می کند، به جز خود اتم ها که بدون تغییر باقی می مانند.

اما در پایان قرن نوزدهم، ساختار پیچیده اتم ها کشف شد و الکترون به عنوان بخشی جدایی ناپذیر از اتم جدا شد. سپس، در قرن بیستم، پروتون و نوترون - ذراتی که هسته اتم را تشکیل می دهند - کشف شدند. در ابتدا، به همه این ذرات دقیقاً همانطور که دموکریتوس به اتم‌ها نگاه می‌کرد نگاه می‌شد: آن‌ها ذات اولیه غیرقابل تغییر و تقسیم‌ناپذیر، بلوک‌های ساختمانی اساسی جهان در نظر گرفته می‌شدند.

وضعیت وضوح جذاب زیاد دوام نیاورد. همه چیز بسیار پیچیده تر شد:

همانطور که مشخص شد، هیچ ذره تغییر ناپذیری وجود ندارد. در خود کلمه ابتداییمعنایی دوگانه دارد

از یک طرف، ابتدایی یک امر مسلم است، ساده ترین. از سوی دیگر، منظور ما از ابتدایی، چیزی اساسی است که در اساس چیزها قرار دارد (به این معناست که آنها اکنون آن را می نامند. ذرات زیر اتمیابتدایی).

واقعیت ساده زیر ما را از در نظر گرفتن ذرات بنیادی شناخته شده کنونی مشابه اتم های تغییرناپذیر دموکریتوس باز می دارد. هیچ یک از ذرات جاودانه نیستند. اکثر ذرات که اکنون ابتدایی نامیده می شوند، حتی در غیاب هر گونه تأثیر خارجی، نمی توانند بیش از دو میلیونیم ثانیه زنده بمانند. یک نوترون آزاد (نوترون واقع در خارج از هسته اتم) به طور متوسط ​​15 دقیقه عمر می کند.

فقط فوتون، الکترون، پروتونو نوترینواگر هر یک از آنها در تمام جهان تنها باشند، بدون تغییر باقی می مانند (نوترینو فاقد بار الکتریکی است و جرم سکون آن ظاهرا برابر با صفر است).

اما الکترون ها و پروتون ها خطرناک ترین برادران را دارند - پوزیترون هاو آنتی پروتون هابا برخوردی که با آن این ذرات متقابلا از بین می روند و ذرات جدید تشکیل می شوند.

یک فوتون ساطع شده از یک چراغ رومیزی بیش از 10 تا 8 ثانیه طول نمی کشد. این مدت زمانی است که طول می کشد تا به صفحه کتاب برسد و جذب کاغذ شود. فقط نوترینوها تقریباً جاودانه هستند زیرا با ذرات دیگر تعامل بسیار ضعیفی دارند. با این حال، نوترینوها هنگام برخورد با ذرات دیگر نیز می میرند، اگرچه چنین برخوردهایی بسیار نادر است.

همه ذرات بنیادی به یکدیگر تبدیل می شوند و این دگرگونی های متقابل واقعیت اصلی وجود آنهاست.

دانشمندان تغییرات ذرات بنیادی را در هنگام برخورد ذرات پر انرژی مشاهده کرده اند.

ایده تغییرناپذیری ذرات بنیادی غیرقابل دفاع بود. اما ایده تجزیه ناپذیری آنها باقی ماند.

ذرات بنیادی دیگر تجزیه ناپذیر نیستند، اما در خواص خود پایان ناپذیر هستند.

این چیزی است که باعث می شود شما اینطور فکر کنید. اجازه دهید میل طبیعی داشته باشیم تا بررسی کنیم که آیا مثلاً یک الکترون از الکترون دیگری تشکیل شده است یا خیر ذرات زیربناییبرای تجزیه یک الکترون چه باید کرد؟ فقط یک راه وجود دارد که می توانید به آن فکر کنید. این همان روشی است که کودک اگر بخواهد بفهمد داخل یک اسباب بازی پلاستیکی چیست به آن متوسل می شود - یک ضربه قوی.

طبق مفاهیم مدرن، ذرات بنیادی ذرات اولیه و تجزیه ناپذیری هستند که تمام مواد از آنها ساخته شده است. با این حال، تقسیم ناپذیری ذرات بنیادی به این معنی نیست که آنها فاقد ساختار داخلی هستند.

در دهه 60 شک و تردید وجود داشت که همه ذراتی که اکنون ابتدایی نامیده می شوند این نام را کاملاً توجیه می کنند. دلیل شک ساده است: تعداد زیادی از این ذرات وجود دارد.

کشف یک ذره بنیادی جدید همیشه یک پیروزی برجسته علم بوده و هست. اما مدتی است که با هر پیروزی متوالی سهمی از اضطراب در هم آمیخته شده است. پیروزی ها به معنای واقعی کلمه یکی پس از دیگری شروع شد.

گروهی از به اصطلاح "عجیب"ذرات: K-me-مناطق و هایپرون ها با جرم بیش از جرم نوکلئون ها. در دهه 70 گروه بزرگی از ذرات با جرم حتی بیشتر به آنها اضافه شد "طلسم شده."علاوه بر این، ذرات کوتاه مدت با طول عمر حدود 10 تا 22 تا 10 تا 23 ثانیه کشف شدند. این ذرات نامیده شدند رزونانس ها،و تعداد آنها از دویست نفر گذشت.

پس از آن (در سال 1964) بود که M.Gell-Mannon و J. Zweig مدلی را پیشنهاد کردند که بر اساس آن تمام ذرات شرکت کننده در برهمکنش های قوی (هسته ای) هادرون هاساخته شده از ذرات اساسی (یا اولیه) - کوارک ها

کوارک ها بار الکتریکی کسری دارند . پروتون ها و نوترون ها از سه کوارک تشکیل شده اند.

در حال حاضر، هیچ کس در واقعیت کوارک ها شک ندارد، اگرچه آنها در حالت آزاد کشف نشده اند و احتمالا هرگز کشف نخواهند شد. وجود کوارک ها با آزمایش هایی بر روی پراکندگی الکترون های بسیار پر انرژی توسط پروتون ها و نوترون ها ثابت می شود. تعداد کوارک های مختلف شش عدد است. کوارک ها، تا آنجا که اکنون شناخته شده اند، ساختار درونی ندارند و از این نظر می توان آنها را واقعاً ابتدایی در نظر گرفت.

ذرات نوری که در فعل و انفعالات قوی شرکت نمی کنند نامیده می شوند لپتون هاهمچنین شش مورد از آنها مانند کوارک ها وجود دارد (یک الکترون، سه نوع نوترینو و دو ذره دیگر - یک میون و یک لپتون تاو با جرم های قابل توجهی بیشتر از جرم الکترون).

وجود دوقلو الکترون - پوزیترون - به طور نظری توسط فیزیکدان انگلیسی پی دیراک در سال 1931 پیش بینی شد. در همان زمان، دیراک پیش بینی کرد که وقتی یک پوزیترون با یک الکترون ملاقات می کند، هر دو ذره باید ناپدید می شوندتولید فوتون های انرژی بالا روند معکوس نیز ممکن است رخ دهد - تولد یک جفت الکترون-پوزیترون،به عنوان مثال، هنگامی که یک فوتون با انرژی به اندازه کافی بالا (جرم آن باید بیشتر از مجموع جرم های باقی مانده ذرات حاصل باشد) با یک هسته برخورد می کند.

دو سال بعد، پوزیترون با استفاده از یک محفظه ابری که در یک میدان مغناطیسی قرار داشت، کشف شد. جهت انحنای مسیر ذرات با علامت بار آن نشان داده شد. بر اساس شعاع انحنا و انرژی ذره، نسبت بار آن به جرم تعیین شد. معلوم شد که در مدول الکترون یکسان است. در شکل 190 اولین عکسی را می بینید که وجود پوزیترون را ثابت کرد. این ذره از پایین به بالا حرکت کرد و پس از عبور از صفحه سرب، بخشی از انرژی خود را از دست داد. به همین دلیل، انحنای مسیر افزایش یافت.

فرآیند ایجاد یک جفت الکترون-پوزیترون توسط یک کوانتوم y در یک صفحه سربی در عکس نشان داده شده در شکل 191 قابل مشاهده است. در یک محفظه ابری که در یک میدان مغناطیسی قرار دارد، این جفت ردی مشخص به شکل یک چنگال دو شاخ

ناپدید شدن (نابودی)برخی از ذرات و ظهور برخی دیگر در طی واکنش های بین ابتدایی

انرژی استراحت بزرگترین و متمرکزترین مخزن انرژی در کیهان است. و تنها در هنگام نابودی کاملاً آزاد می شود و به انواع دیگر انرژی تبدیل می شود. بنابراین، ضد ماده کامل‌ترین منبع انرژی، پرکالری‌ترین «سوخت» است. اکنون دشوار است که بگوییم آیا بشریت هرگز قادر به استفاده از این "سوخت" خواهد بود یا خیر.

هر ذره ای با یک ضد ذره مربوطه از بین می رود. هر دو ذره ناپدید می شوند و به کوانتای تابشی یا ذرات دیگر تبدیل می شوند.

به تازگی کشف شده است آنتی پروتونو - ضد نوترونبار الکتریکی آنتی پروتون منفی است. اکنون به خوبی شناخته شده است که تولد زوج ها ذره - پادذرهو نابودی آنها انحصار الکترون ها و پوزیترون ها را تشکیل نمی دهد.

اتم هایی که هسته آن ها از پادنوکلئون ها و پوسته پوزیترون ها تشکیل شده است ضد مادهدر سال 1969 برای اولین بار در کشور ما به دست آمد آنتی هلیوم