0:06
День добрый, уважаемые коллеги!
Продолжаем разговор о физике.
Мы приближаемся к завершению нашего курса.
Но осталось, как всегда, под самый конец,
самое интересное.
Итак, мы выяснили, что, когда
мы говорим об объектах очень маленьких
в микромире, о том, что происходит
на уровне ядер, внутри ядра
или на уровне частиц,
представляющих из себя составные элементы
этого ядра, говорить о том,
что взаимодействие между этими элементами
описывается какими-то полями,
как мы привыкли в классической электродинамике
или в классической теории гравитации,
очень и очень получается плохо.
Ну не получается никаких,
на самом деле из этого, хороших результатов.
А вот предположить, что на этом уровне
удобнее описывать это же самое взаимодействие,
но в терминах обмена порциями энергии,
таких квантов энергии,
как это делает квантовая механика,
но только теперь перенести этот метод на
теорию поля (это называется теперь
квантовой теорией поля)
получается гораздо продуктивнее.
И результаты такого подхода
очень и очень позволили продвинуться
в понимании того, как устроена материя
на самом-самом глубоком микроуровне.
Вот здесь я уже не могу углубляться
слишком глубоко в математику
и пытаться выводить уравнения.
Здесь требуется очень изощренная математика,
связанная с квантовой теорий поля.
Потому всё, что я могу сделать
пока на том уровне, на котором
мы разговариваем, это качественно рассказать
о тех результатах, о том состоянии,
о том представлении об устройстве мира
на микроуровне, которое существует
в физике на сегодняшний день.
Ну во-первых, оказалось,
что кроме гравитационного взаимодействия
и электромагнитного взаимодействия,
которые проявляются на макроскопическом
уровне и которые достаточно заметны
и на больших расстояниях,
потому что убывают силы
и электростатические и гравитационные
обратно пропорционально ко второй степени
расстояния между объектами.
Это все-таки не очень быстро.
Существуют еще и другие типы взаимодействия.
Конкретно всего еще их два.
2:21
Первое из них и третье по счету —
гравитация электромагнитная,… — вот третье
называется взаимодействием сильным.
И я надеюсь, вы уже догадываетесь,
это то самое взаимодействие,
благодаря которому протоны и нейтроны
в ядре удерживаются вместе
и не разваливаются. Оно носит характер
притяжения и это притяжение
настолько сильнее электростатического
отталкивания положительно заряженных протонов,
что ядро удерживается вместе.
Долгое время, вот как бы казалось,
что эти протоны и нейтроны,
о которых мы говорили в одном из
предыдущих эпизодов, это,
так же как электрон, нечто совсем элементарное,
как бы исходные кирпичики,
из которых состоит материя.
Но потом, накапливаемые постепенно
многочисленные экспериментальные факты,
заставляли в этом все более и более сомневаться.
Один из таких накапливаемых фактов
стоял в том, что в разных экспериментах,
а где-то начиная с 50-х особенно годов
физика развила технику экспериментов,
использующих так называемые ускорители
заряженных частиц,
и развила ее очень и очень сильно.
Это одни из главных инструментов,
с помощью которых сейчас физика
изучает устройство микромира.
Что это такое? Это некая машина,
в которой посредством электрических
магнитных полей заряженные частицы —
электроны или те же самые протоны —
разгоняются до скоростей очень близких
к скорости света и до энергий кинетических,
которые могут превосходить
их энергии покоя в десятки, сотни,
миллионы даже раз.
И вот такие разогнанные до огромной энергии
частицы после этого, например,
направляют на какую-то мишень,
где они бьются в ядра атомов,
из которых состоит мишень,
и в этих ударах разлетаются
во все стороны самые разнообразные осколки,
которые дальше, так сказать, вот
анализируются различными датчиками,
и физики анализируют, что они из себя
эти осколки представляют.
И вот в этих осколках стали обнаруживать
все больше, и больше, и больше,
каких-то элементарных кирпичиков вот этих,
что стали называть элементарными частицами.
И количество этих элементарных частиц,
пока их было мало,
ну как-то не мешало психологически считать
их действительно элементарными.
Но пока я считал, что у меня есть отрицательно
заряженный электрон, положительно заряженный
протон, нейтральный нейтрон, и все,
стройная система:
из трех кирпичей сложен весь мир.
Но потом, когда полезли какие-то мезоны
(π-мезоны, µ-мезоны), каоны,
τ-лептоны, сейчас этот зоопарк
элементарных частиц насчитывает
сотни позиций наименований,
то так же как с таблицей Менделеева
возник вопрос: а нет ли все-таки какой-то
внутренней структуры у этих частиц,
благодаря которой,
вот их разнообразие столь велико?"
Тем более что эти частицы
явно совершенно по своим свойствам
образуют какие-то группки,
похожие друг на друга.
Я не буду больше вдаваться в историю,
как все это развивалось.
Вот на сегодняшний день представления
наши о мире таковы:
они иллюстрируются теми табличками,
которые я хочу показать.
Я начну показывать их сейчас,
и продолжим в следующем эпизоде.
5:43
Протоны и нейтроны оказались
тоже составными частицами,
имеющими достаточно сложную
внутреннюю структуру.
Эта внутренняя структура содержит
частицы двух типов,
которые называются кварки и глюоны.
Уже слова начинают напоминать
современный компьютерный какой-то такой,
знаете, блогерский язык,
как будто они выдуманные.
Выдуманные и есть. И то слово и другое — выдуманы.
Кварк — совсем выдуманное слово.
Ну глюон — от слова glue,
английское клей.
Глюоны — это так же, как фотоны —
порция электромагнитного излучения,
переносят электромагнитное взаимодействие.
Глюоны переносят взаимодействие сильное
и склеивают частицы между собой, эти кварки.
Если вы помните, когда мы говорили
о теории поля, мы говорили,
что есть гравитационное взаимодействие,
которому соответствует один тип заряда — масса.
Есть электростатическое взаимодействие,
ему соответствует два типа заряда:
положительный и отрицательный.
И очень коротко я говорил,
что можно, наверное, теоретически
представить себе какие-нибудь поля,
которым соответствует три типа заряда,
четыре типа зарядов…
Но очень трудно придумать,
как бы так между ними организовать
взаимодействие и нарисовать
их силовые линии, чтобы это было
сферически симметрично. Так вот, оказывается,
взаимодействие между кварками,
осуществляемое при помощи глюонов внутри ядра,
оно как раз вот трехзарядное.
Кварки бывают трех зарядовых типов.
А как назвать три разные вещи?
7:15
Словами плюс/минус — как-то не получится.
Их называют: красный, зеленый, синий.
Теперь у каждого красного, зеленого
и синего, вот я думаю,
что телеоператорам это должно быть
хорошо знакомо, существует анти-цвет,
то есть тот цвет, которым надо дополнить
данные, чтобы в сумме получился белый.
Красный плюс зеленый плюс синий,
если их все три соединить вместе,
получается белый.
А красный плюс антикрасный…
Что такое красный?
Вырезать из белого спектра только красный —
останется такое синевато-бурое.
Вот, значит, есть еще три кварка —
антикварка с антицветами:
антикрасный, антисиний, антизеленый.
Вместе тоже дадут белый.
И взаимодействие между ними вовсе
не сферически симметрично.
Вот оно осуществляется вот этими глюонами,
которых и вовсе много
разновидностей существует:
для каждой пары цветовых кварков
может быть несколько разных глюонов,
которые позволяют им друг другу
передавать вот это сильное взаимодействие.
При этом все происходит так,
что при каждой такой передаче глюоны
тоже обладают этим цветовым зарядом.
Цвет и кварка испустившего глюон,
и кварка, его поймавшего, меняется.
Вообще ситуация здорово начинает напоминать,
как, знаете, толпа людей, скажем 30 человек,
и мы бросили туда 15 футбольных мячиков.
Эти люди начинают этими мячиками перебрасываться.
Если назвать людей с мячиками протонами,
а людей без мячиков — нейтронами,
15 мячиков — 30 человек,
у меня в любое мгновение будет 15 человек
с мячиками, 15 человек без мячиков:
15 протонов, 15 нейтронов.
Но они все время эти мячики друг другу кидают.
И в каждое следующее мгновение
у меня 15 людей с мячиками —
это другие люди,
а 15 людей без мячиков — другие люди.
Вот нейтроны и протоны, составляющие ядро,
вот как эти люди, они зарядом
электрическим как бы перебрасываются,
как мячиками, вот этими глюонами,
которые все время меняют их природу,
превращая их из нейтронов в протоны,
из протонов в нейтроны.
И каждый нейтрон или протон,
взятый отдельно, являет собой набор
всегда трех кварков,
которые все время перебрасываются
вот этими мячиками-глюонами
и все время меняют свой цвет,
и которые нельзя разделить.
Каждому кварку, удивительная вещь,
соответствует дробный заряд.
Вплоть до последних лет 20 века казалось,
что не может быть никаких дробных зарядов.
Есть элементарный, 1,6•10–19 Кл, и дробных нет.
Есть кварки, которые имеют заряды
в 1/3, или 2/3, или –1/3, или –2/3 от элементарного,
но поодиночке не наблюдаются.
Они могут наблюдаться только группами по три,
тесно связанные, и, чтобы разорвать
эту группу по три, надо приложить
бесконечную энергию, которой ни у кого нет.
Пока прервемся и продолжим в следующий раз.