Лекция 10.

Структурные уровни материи.

Микро-, макро-, мегамир

 

(6)          3. Виртуальные частицы.

Виртуальные частицы – это частицы, существующие в промежуточных, имеющих малую длительность состояниях, для которых не выполняется обычное соотношение между энергией, импульсом и массой. Другие характеристики виртуальных частиц - электрический заряд, спин, и т.д. - такие же, как у соответствующих реальных частиц.

(7)          Понятие виртуальных частиц и виртуальных процессов занимает центральное место в современной квантовой теории поля. В этой теории взаимодействие частиц и их взаимные превращения рассматриваются как рождение или поглощение одной свободной частицей других (виртуальных) частиц. Любая частица непрерывно испускает и поглощает виртуальные различных типов. Например, протон испускает и поглощает виртуальные пи-мезоны и, благодаря этому, оказывается окружённым облаком виртуальных частиц.

(8)          С точки зрения классической физики, свободная частица (частица, на которую не действуют внешние силы, т. е. покоящаяся или движущаяся равномерно и прямолинейно) не может ни породить, ни поглотить другую частицу (например, свободный электрон не может ни испустить, ни поглотить фотон), так как в таких процессах нарушался бы либо закон сохранения энергии, либо закон сохранения импульса. Действительно, покоящийся электрон имеет минимальную возможную энергию (энергию покоя, равную, согласно теории относительности, m₀с², где m₀ - масса покоя электрона, с - скорость света). Поэтому такой электрон не может испустить фотон, всегда обладающий энергией: при этом нарушался бы закон сохранения энергии. Если электрон движется с постоянной скоростью, он также не может (за счёт своей кинетической энергии) породить фотон, так как в таком процессе нарушался бы закон сохранения импульса: потеря импульса электроном, связанная с потерей энергии на рождение фотона, была бы большей импульса фотона, соответствующего его энергии (из-за различия масс этих частиц). То же относится и к процессу поглощения фотона свободным электроном.

(10)        Виртуальные частицы, существование которых нашло экспериментальное подтверждение – это фотон, глюон и мезон.

(11)        Теория великого объединения. Согласно современным представлениям, при очень высоких температурах (и, соответственно, энергиях) все четыре взаимодействия объединяются в одно. Так, при энергии 100 ГэВ объединяются электромагнитное и слабое взаимодействия. Такая энергия соответствует температуре Вселенной через 10^-10 с после Большого Взрыва. Это открытие, сделанное в ЦЕРНе, позволяет предположить, что при энергии порядка 10¹⁵ ГэВ произойдет объединение электромагнитного, слабого и сильного взаимодействий, а при 10¹⁹ ГэВ к ним присоединится и гравитационное. Эти теории называются Теориями Великого Объединения (ТВО).

Проблема элементарных частиц связана с самыми основами естественно-научной картины мира, и изучается она  в некотором отрыве от других областей физики. Здесь особенно интересно то, что ответы на многие вопросы, связанные с элементарными частицами ищутся в современной космологии, в моделях первичного нуклеосинтеза, т.е. ядерного синтеза в первые мгновения после Большого Взрыва – гипотетического Начала Вселенной. Именно в этот период, как считается были порождены элементарные частицы. Дело еще и в том, что ускорителей, на которых можно было бы получить энергии, соответствующие энергиям объединения трех и четырех взаимодействий пока не предвидится, поэтому и обращаются к вселенной, чтобы найти в ней возможные ограничения для огромного числа элементарных частиц. Таким образом, в последние 30 лет между физикой элементарных частиц и космологией существует тесная связь. Совокупность астрофизических данных можно рассматривать как «экспериментальный материал», накопленный в результате работы Вселенной как гигантского ускорителя частиц.