Хотя большинство частиц распадаются на другие частицы, некоторые этого не делают. Но почему? В мире существует множество типов частиц, некоторые из них выглядят элементарными, другие могут быть построены из элементарных – например, протонов, нейтронов и атомного ядра – но большинство из них распадается за малую долю секунды.
В предыдущая статья Я объяснил, почему они разваливаются; на самом деле это форма дисперсии, которую мы интуитивно понимаем, исходя из нашего опыта работы с волнами и вибрациями.
Но почему некоторые типы частиц вообще не распадаются или, по крайней мере, живут гораздо дольше, чем 13,7 миллиардов лет, дольше, чем возраст Вселенной? Единственными стабильными частицами, известными в природе, являются электрон (и антиэлектрон), самый легкий из трех типов, нейтрино (и его античастица), фотон и предполагаемый гравитон (оба последних являются собственными античастицами).
Другие нейтрино, протон и многие атомные ядра (и их античастицы — здесь я прекращаю упоминать античастицы, это будет подразумеваться), вероятно, нестабильны, но живут очень, очень, очень долго.
Протоны, например, живут так долго, что очень немногие из них распались со времени Большого взрыва, поэтому для всех практических целей они стабильны.
Другая долгоживущая частица — нейтрон, которая сама по себе, вне атомного ядра, живет всего около 15 минут. Но внутри атомных ядер нейтроны могут жить дольше, чем возраст Вселенной.
Наконец, стоит добавить, что если темная материя состоит из частиц, то эти частицы также должны быть стабильными или очень, очень долгоживущими.
Почему эти частицы стабильны? Оказывается, в микромире существуют правила поведения частиц, неизвестные нам из повседневной жизни, наполненной волнами и вибрациями.
Эти законы предотвращают распад частиц, как быстрый, так и медленный.
Фундаментальные правила — это законы сохранения, гласящие, что определенные количества Вселенной не изменяются ни в каких физических процессах.
Среди них энергия, импульс, электрический заряд и ряд других.
Существует также несколько приближенных законов сохранения, которые указывают на то, что некоторые величины изменяются очень редко.
Эти законы не появились на пустом месте и не были придуманы теоретиками на пустом месте.
Они связаны с другими свойствами мира.
Например, если законы природы не меняются с течением времени, то следует (благодаря теореме математика ЭМми Нётер ), что энергия сохраняется.
Мы увидим, что стабильность материи, из которой мы состоим, позволяет нам достаточно хорошо проверять эти законы.
Сочетание этих законов со свойствами частиц дает нам несколько простых правил, которые определяют, когда частицы просто не могут распадаться или распадаются очень редко.
И этих правил (почти) достаточно, чтобы объяснить стабильность частиц, из которых мы состоим, и частиц, с которыми мы чаще всего взаимодействуем.
Фермионы и бозоны
В мире, в котором работает теория относительности Эйнштейна, пространство имеет три измерения и работает квантовая механика, все частицы должны быть либо фермионами (названными в честь итальянского физика Энрико Ферми ), или бозоны (в честь индийского физика Сатьендра Нат Бос ).Это утверждение является математической теоремой, а не результатом наблюдения.
Но данные последних 100 лет наблюдений подтверждают это: все частицы, известные в Стандартной модели, являются либо фермионами, либо бозонами.
Примером бозона является фотон.
Двум или более бозонам (частицам одного и того же типа) разрешено делать одно и то же.
Например, лазер — это машина, создающая большое количество фотонов, выполняющая одно и то же, и производящая очень яркий свет с очень точно определённым цветом и распространяющийся в определённом направлении.
Все фотоны в луче синхронизированы.
Из фермионов невозможно сделать лазер.
Примером фермиона является электрон.
Два фермиона (частицы одного и того же типа) не могут делать одно и то же одновременно.
Поскольку электрон является фермионом, никакие два электрона не могут вращаться вокруг атома одинаково.
Это связано с Принцип исключения Паули , который мы преподаем на уроках химии, имеет огромное значение для периодической таблицы элементов и для химии.
Электроны в атоме занимают разные орбиты, в разных оболочках вокруг атомного ядра, так как они не могут все попасть на одну орбиту одновременно – фермионам это запрещено.
Точнее, одну орбиту могут занимать только два электрона, и только если они вращаются вокруг оси в разные стороны, т.е.
имеют разные спины.
Если бы электроны были бозонами, химию было бы неузнаваемо! Среди известных в нашем мире элементарных частиц много фермионов: заряженные лептоны, нейтрино, кварки и множество бозонов: все носители взаимодействий и частица Хиггса.
Кроме того, бозонные поля в среднем могут существенно отличаться от нуля.
Фермионные поля не могут этого сделать.
Ненулевое в нашей Вселенной поле Хиггса, придающее массу всем элементарным частицам, — это бозонное поле (а его частица — бозон, поэтому ее и называют бозоном Хиггса).
Кроме того, бозонные частицы могут образовывать бозе-эйнштейновский конденсат, предсказанный Эйнштейном в 1920-х годах, но достигнутый только в 1990-х годах в эксперименте, получившем Нобелевскую премию.
В таких экспериментах конденсат получается путем принуждения большого количества атомов-бозонов оставаться в наиболее «спокойном» состоянии, доступном квантовому объекту, т.е.
атомы находятся в наименьших возможных квантовых состояниях, и тогда квантовые эффекты начинают проявляться при макроскопический уровень.
Все это относится к квантовой механике.
Хотя Эйнштейну не нравились последствия квантовой механики, у вас не должно сложиться впечатление, что он ее не понимал.
Напротив, его работа имела решающее значение для развития некоторых аспектов квантовой теории.
Законы природы для частиц
Вот основные правила.Их основные последствия для нашей Вселенной выделены жирным шрифтом.
Законы природы, которые по уважительным причинам должны строго соблюдаться.
1) Частица должна распасться на две или более частицы.
Поэтому при распаде каждой частицы в природе из одной частицы возникают две и более частицы.
Это следует из закона природы, согласно которому полная энергия и полный импульс должны оставаться постоянными в любом физическом процессе (физики говорят, что «энергия и импульс сохраняются»).
И именно поэтому из них следует 1-е правило: Допустим, частица 1-го типа может распасться только на частицу 2-го типа.
Докажем, что здесь имеется противоречие.
Возьмем частицу 1 и поместим ее перед собой неподвижно.
Вся его энергия будет заключена в его массе.
Теперь предположим, что он распадается на частицу 2. Закон сохранения энергии гласит, что
энергия покоя частицы 1 = энергия покоя частицы 2 + энергия движения частицы 2Поскольку энергия движения положительна, энергия покоя частицы 2 может быть меньше или равна энергии покоя частицы 1. Но энергия движения частицы 2 положительна, поэтому, если энергия покоя частицы 2 меньше энергия покоя частицы 1, то частица 2 должна двигаться.
Но частица 1 находилась в состоянии покоя, поэтому у нее не было импульса.
Частица 2 движется, а это значит, что она имеет импульс.
Но это невозможно – необходимо сохранить динамику.
Поэтому такой распад невозможен, если эти частицы не имеют массы, равные друг другу.
Но в данном случае, если частица 1 может распасться на частицу 2, то все наоборот — частица 2 может распасться на частицу 1. Но это не распад — это просто смешение двух типов частиц.
2) Масса распадающейся частицы должна превышать сумму масс, полученных при распаде частиц
Полная энергия и полный импульс сохраняются при распаде, но полная масса всегда уменьшается.«Материнская» частица с массой m1 может распасться на «дочерние» частицы 2 и 3 только в том случае, если сумма их масс меньше массы родительской: m2 + m3. < m1. This is a simple consequence of the law of nature - the total energy must remain constant in any physical process. Proof: Представьте, что вы наблюдаете частицу 1 в состоянии покоя.
Вся его энергия — это энергия покоя, м 1 с 2 .
Затем он распадается на частицы 2 и 3. Каждая из них имеет энергию покоя и энергию движения.
Поскольку энергия сохраняется,
Ээнергия покоя частицы 1 = Ээнергия покоя частицы 2 + Ээнергия покоя частицы 3 + Ээнергия движения частицы 2 + Ээнергия движения частицы 3Но энергия движения всегда больше нуля, поэтому начальная энергия покоя превышает конечную энергию покоя, поэтому m 1 с 2 > м 2 с 2 +м 3 с 2 , следовательно, м 1 > м 2 +м 3 .
Поскольку фотон, как показывают все эксперименты, не имеет массы, он не может распасться.
.
Поэтому волны света могут путешествовать через всю комнату, всё пространство от Солнца до нас, и всю Вселенную, не распадаясь по пути полностью.
Предполагается, что гравитон обладает такими же свойствами.
3) Суммарный заряд до и после распада сохраняется.
Еще одно сохранившееся свойство — электрический заряд. W-частица, очень тяжелая и отрицательно заряженная, с зарядом –e, может распасться на электрон с отрицательным зарядом –e и антинейтрино без заряда.
Но W- не может распасться на позитрон с положительным зарядом +e и нейтрино без заряда, так как общий заряд изменится с –e на +e. Также W- не может распасться на электрон с отрицательным зарядом и позитрон (антиэлектрон) с положительным зарядом, поскольку их сочетание дало бы нулевой заряд. Поскольку электрон — самая легкая частица, имеющая электрический заряд, он не может распасться ни на что другое.
.
Единственные более легкие — нейтрино, фотоны, глюоны и гравитоны, но они электрически нейтральны, поэтому любая их комбинация будет иметь нулевой заряд. Любая неизвестная частица легче электрона должна быть электрически нейтральной, иначе мы бы легко обнаружили ее в экспериментах.
Вот почему электрон стабилен .
4) Общее число фермионов до и после распада может измениться только на четное число.
Это правило следует из того факта, что угловой момент, а также энергия и импульс сохраняются (что объясняет тенденцию вращающихся объектов, таких как Земля, сохранять вращение).
Это правило запрещает нейтрону распадаться на протон и электрон.
Такой распад подпадает под действие законов 1, 2 и 3, но не под действие закона 4, поскольку все эти частицы являются фермионами.
Нейтрон распадается на протон, электрон и антинейтрино.
Тогда у нас изначально будет один фермион, а в итоге три: 3 – 1 = 2. Существует три типа нейтрино, и сейчас считается, что все они имеют массу (скорее всего, два и, вероятно, третий).
Легчайшее нейтрино — это самый легкий из известных фермионов.
, но единственные частицы легче него, на которые он мог бы распасться, — это бозоны (фотон и гравитон).
Вот почему он не разваливается : Нельзя начать с фермиона и закончить бозонами.
В принципе, оно могло бы быть неустойчивым, если бы существовали еще более легкие фермионы, с которыми мы еще не сталкивались — они взаимодействовали бы с обычным веществом еще слабее, чем нейтрино.
И мы знаем, что нейтрино живут достаточно долго, потому что видели, как они перемещались на большие расстояния во время далеких взрывов сверхновых.
Законы природы, которые, по несколько менее веским причинам, считаются почти точно соблюдаемыми.
5) Разница между общим числом кварков и полным числом антикварков не меняется при распаде.
Протон содержит три кварка, множество глюонов и пар кварк-антикварк, поэтому число кварков в протоне минус количество антикварков равно трем.
Нейтрон также имеет избыток трех кварков.
Следовательно, нейтрон, как более тяжелая частица, может распасться на протон, не нарушая правила 5 – и он это делает (генерируя электрон и антинейтрино).
Но протон — самая легкая частица, содержащая больше кварков, чем антикварков, и из этого правила вместе с правилом 2 следует, что он стабилен .
Понятно, что протон не может распасться на какую-либо комбинацию электронов, фотонов и нейтрино, поскольку они не содержат кварков.
Существует несколько адронов (частиц, состоящих из кварков, антикварков и глюонов), особенно пионов, но они отличаются от протонов и нейтронов тем, что содержат равное количество кварков и антикварков.
Поэтому тяжелый протон не может распасться на какую-либо комбинацию пионов и неадронов (фотонов, электронов, нейтрино), так как дочерние частицы будут иметь равное количество кварков и антикварков, а вот родительская частица этого не сделает. Но пионы могут загнить, не нарушая правил; например, электрически нейтральный пион (будучи бозоном) может распасться на два фотона, а положительно заряженный пион может распасться на нейтрино и антимюон, что очень полезно для создания нейтринных пучков.
Многие теоретики считают (хотя это не подтверждено экспериментом), что Это правило немного нарушено , а протон очень, очень, очень слегка нестабильен, хотя и имеет чрезвычайно долгое время жизни.
Более десяти лет наблюдая огромное количество протонов в огромном резервуаре с водой, в эксперименте Супер-Камиоканде , и не получив ни одного распада, мы знаем, что протон живет не менее 10 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 лет. Надеюсь, я не пропустил ни одного нуля.
Возраст нынешней фазы Вселенной примерно 13 700 000 000, поэтому протонов в будущем будет довольно много.
Есть и другие законы, но большая часть наблюдаемых нами эффектов вытекает только из перечисленных.
Заключение
Теперь у нас есть правила, которые нужно объяснить: • почему фотоны стабильны, • почему электроны стабильны, • почему протоны стабильны или живут очень долго, • почему хотя бы один тип нейтрино стабилен или живет очень долго.Чего вполне достаточно, чтобы объяснить обычную материю, химию, солнечный свет и многие другие процессы в жизни – кроме одного.
А как насчет нестабильного нейтрона? Нейтрон — очень удивительная вещь.
Ничто не мешает ему распасться, и примерно через 15 минут он распадается на протон, электрон и антинейтрино.
Почему он живет так долго? Частично потому, что массы протона и нейтрона очень близки.
Хотя масса покоя нейтрона близка к ГэВ, она всего на 0,0007 ГэВ больше суммы масс покоя протона, электрона и антинейтрино.
И частота распада становится очень малой, когда общая масса дочерних частиц распада оказывается очень близкой к массе родительской частицы.
Это неудивительно, поскольку Правило 2 постулирует, что распад должен полностью прекратиться, если масса дочерних частиц превышает массу родительской.
Но что странно, если поместить нейтрон в атомное ядро, оно станет стабильным! Например, у гелия есть два протона и два нейтрона.
И хотя сам нейтрон живет четверть часа, ядро гелия может жить столько, сколько существует Вселенная, и даже дольше.
Это справедливо в целом для всех стабильных элементов таблицы Менделеева.
Менделеев и их нейтроны.
Этот факт является чрезвычайно важным следствием теории относительности Эйнштейна и некоторых особенностей сильного ядерного взаимодействия, и без него наш химический мир не имел бы разнообразия.
Эта особенность заслуживает отдельной статьи.
И кстати, если темная материя состоит из неизвестных частиц, почему они стабильны? Никто точно не знает, но, вероятно, описанных мною законов для этого будет недостаточно.
Скорее всего, существует еще один закон сохранения, точный или приближенный, который еще предстоит открыть.
Теги: #Популярная наука #физика #Мэтт Страсслер #Мэтт Страсслер #Мэтт Страсслер #элементарные частицы #бозоны #фермионы
-
Видео-Товары И Что С Ними Связано
19 Oct, 24 -
Журнал «Полный Круг» №25 (Rus)
19 Oct, 24 -
10 Шагов К Yaml Zen
19 Oct, 24 -
Starcraft 2 — Последняя Волна
19 Oct, 24 -
Эволюция И Генетические Алгоритмы
19 Oct, 24
