For blot et år siden modtog Peter Higgs og François Engler Nobelprisen for deres arbejde med subatomære partikler. Det kan virke latterligt, men videnskabsmænd gjorde deres opdagelser for et halvt århundrede siden, men indtil nu har de ikke fået den store betydning.
I 1964 kom yderligere to talentfulde fysikere også frem med deres innovative teori. I starten tiltrak hun sig næsten ingen opmærksomhed. Dette er mærkeligt, da hun beskrev strukturen af hadroner, uden hvilke ingen stærk interatomisk interaktion er mulig. Det var kvarkteorien.
Hvad er det her?
Forresten, hvad er en kvark? Dette er en af de vigtigste komponenter i hadronen. Vigtig! Denne partikel har et "halvt" spin, og er faktisk en fermion. Afhængigt af farven (mere om det nedenfor), kan ladningen af en kvark være lig med en tredjedel eller to tredjedele af en protons ladning. Hvad angår farver, er der seks af dem (generationer af kvarker). De er nødvendige, så Pauli-princippet ikke bliver overtrådt.
Grundlæggendedetaljer
I sammensætningen af hadroner er disse partikler placeret i en afstand, der ikke overstiger indeslutningsværdien. Dette forklares enkelt: de udveksler vektorer af målefeltet, det vil sige gluoner. Hvorfor er kvarken så vigtig? Gluonplasma (mættet med kvarker) er den stoftilstand, hvori hele universet var placeret umiddelbart efter big bang. Derfor er eksistensen af kvarker og gluoner en direkte bekræftelse på, at han virkelig var det.
De har også deres egen farve, og derfor skaber de under bevægelsen deres virtuelle kopier. I overensstemmelse hermed, når afstanden mellem kvarker øges, øges kraften af interaktion mellem dem betydeligt. Som du måske kan gætte, forsvinder interaktionen praktisk t alt på en minimumsafstand (asymptotisk frihed).
Således forklares enhver stærk interaktion i hadroner ved overgangen af gluoner mellem kvarker. Hvis vi taler om interaktioner mellem hadroner, så forklares de ved overførsel af pi-meson resonans. Simpelthen indirekte handler alt igen om udveksling af gluoner.
Hvor mange kvarker er der i nukleoner?
Hver neutron består af et par d-kvarker og endda en enkelt u-kvark. Hver proton består derimod af en enkelt d-kvark og et par u-kvarker. Bogstaver tildeles i øvrigt afhængigt af kvantetal.
Lad os forklare. For eksempel forklares beta-henfald netop ved omdannelsen af en af den samme type kvarker i sammensætningen af nukleonen til en anden. For at gøre det klarere kan denne proces skrives som en formel som denne: d=u + w (dette er neutronhenfald). Henholdsvis,proton er skrevet med en lidt anden formel: u=d + w.
Det er i øvrigt sidstnævnte proces, der forklarer den konstante strøm af neutrinoer og positroner fra store stjernehobe. Så på universets skala er der få partikler så vigtige som kvarken: gluonplasma, som vi allerede har sagt, bekræfter kendsgerningen om big bang, og undersøgelser af disse partikler gør det muligt for videnskabsmænd bedre at forstå selve essensen af den verden, vi lever i.
Hvad er mindre end en kvark?
Forresten, hvad består kvarker af? Deres partikler er præoner. Disse partikler er meget små og dårligt forståede, så selv i dag ved man ikke meget om dem. Det er, hvad der er mindre end en kvark.
Hvor kom de fra?
Til dato er de mest almindelige to hypoteser om dannelsen af præoner: strengteori og Bilson-Thompson-teori. I det første tilfælde forklares udseendet af disse partikler af strengoscillationer. Den anden hypotese antyder, at deres udseende er forårsaget af en ophidset tilstand af rum og tid.
Interessant nok, i det andet tilfælde kan fænomenet beskrives fuldt ud ved hjælp af matrixen af parallel overførsel langs kurverne af spinnetværket. Egenskaberne af netop denne matrix forudbestemmer dem for præonen. Det er dette kvarker er lavet af.
Opsummering af nogle resultater kan vi sige, at kvarker er en slags "kvanter" i sammensætningen af hadroner. imponeret? Og nu vil vi tale om, hvordan kvarken blev opdaget generelt. Dette er en meget interessant historie, som desuden fuldt ud afslører nogle af de nuancer, der er beskrevet ovenfor.
Mærkelige partikler
Umiddelbart efter slutningen af Anden Verdenskrig begyndte videnskabsmænd aktivt at udforske verden af subatomære partikler, som indtil da så primitivt simpelt ud (ifølge disse ideer). Protoner, neutroner (nukleoner) og elektroner danner et atom. I 1947 blev pioner opdaget (og deres eksistens blev forudsagt tilbage i 1935), som var ansvarlige for den gensidige tiltrækning af nukleoner i atomkernen. Mere end én videnskabelig udstilling blev viet til denne begivenhed på én gang. Quarks var endnu ikke blevet opdaget, men tidspunktet for angreb på deres "spor" nærmede sig.
Neutrinoer var endnu ikke blevet opdaget på det tidspunkt. Men deres tilsyneladende betydning for at forklare atomers beta-henfald var så stor, at videnskabsmænd ikke var i tvivl om deres eksistens. Derudover er nogle antipartikler allerede blevet opdaget eller forudsagt. Det eneste, der forblev uklart, var situationen med myoner, som blev dannet under pioners henfald og efterfølgende gik over i tilstanden af en neutrino, elektron eller positron. Fysikere forstod overhovedet ikke, hvad denne mellemstation var for noget.
Ak, sådan en enkel og uhøjtidelig model overlevede ikke det øjeblik, hvor pæoner blev opdaget i lang tid. I 1947 offentliggjorde to engelske fysikere, George Rochester og Clifford Butler, en interessant artikel i det videnskabelige tidsskrift Nature. Materialet til det var deres undersøgelse af kosmiske stråler ved hjælp af et skykammer, hvorunder de fik nysgerrig information. På et af fotografierne taget under observationen var et par spor med en fælles begyndelse tydeligt synlige. Da uoverensstemmelsen lignede det latinske V, blev det straks klart– ladningen af disse partikler er bestemt anderledes.
Forskere antog straks, at disse spor indikerer, at en ukendt partikels henfald, som ikke efterlod andre spor. Beregninger har vist, at dens masse er omkring 500 MeV, hvilket er meget større end denne værdi for en elektron. Naturligvis kaldte forskerne deres opdagelse for V-partiklen. Det var dog endnu ikke en kvark. Denne partikel ventede stadig i vingerne.
Det er lige begyndt
Det hele startede med denne opdagelse. I 1949 blev der under samme forhold opdaget et spor af en partikel, som gav anledning til tre pioner på én gang. Det blev hurtigt klart, at hun, såvel som V-partiklen, er helt forskellige repræsentanter for en familie bestående af fire partikler. Efterfølgende blev de kaldt K-mesons (kaoner).
Et par ladede kaoner har en masse på 494 MeV, og i tilfælde af en neutral ladning - 498 MeV. Forresten, i 1947 var videnskabsmænd så heldige at fange det samme meget sjældne tilfælde af henfaldet af en positiv kaon, men på det tidspunkt kunne de simpelthen ikke fortolke billedet korrekt. Men for at være helt retfærdig blev den første observation af kaonen gjort tilbage i 1943, men information om dette gik næsten tabt på baggrund af adskillige videnskabelige efterkrigspublikationer.
New weirdness
Og så ventede der flere opdagelser på videnskabsmænd. I 1950 og 1951 lykkedes det forskere fra University of Manchester og Melnburg at finde partikler, der var meget tungere end protoner og neutroner. Den havde igen ingen ladning, men henfaldt til en proton og en pion. Sidstnævnte, som det kan forstås,negativ ladning. Den nye partikel fik navnet Λ (lambda).
Jo længere tid der gik, jo flere spørgsmål havde forskerne. Problemet var, at nye partikler udelukkende opstod fra stærke atomare vekselvirkninger, der hurtigt henfaldt til de kendte protoner og neutroner. Derudover optrådte de altid i par, der var aldrig enkelte manifestationer. Derfor foreslog en gruppe fysikere fra USA og Japan at bruge et nyt kvantetal - mærkværdighed - i deres beskrivelse. Ifølge deres definition var mærkværdigheden af alle andre kendte partikler nul.
Yderligere forskning
Forskningens gennembrud skete først efter fremkomsten af en ny systematisering af hadroner. Den mest fremtrædende figur i dette var den israelske Yuval Neaman, som ændrede karrieren som en fremragende militærmand til en lige så genial vej som en videnskabsmand.
Han bemærkede, at de mesoner og baryoner, der blev opdaget på det tidspunkt, henfalder og danner en klynge af beslægtede partikler, multipletter. Medlemmerne af hver sådan forening har nøjagtig den samme mærkelighed, men modsatte elektriske ladninger. Da virkelig stærke nukleare interaktioner slet ikke afhænger af elektriske ladninger, ligner partiklerne fra multipletten i alle andre henseender perfekte tvillinger.
Forskere foreslog, at en vis naturlig symmetri er ansvarlig for udseendet af sådanne formationer, og snart lykkedes det dem at finde den. Det viste sig at være en simpel generalisering af SU(2)-spingruppen, som videnskabsmænd over hele verden brugte til at beskrive kvantetal. Herkun på det tidspunkt var 23 hadroner allerede kendt, og deres spins var lig med 0, ½ eller en heltalsenhed, og derfor var det ikke muligt at bruge en sådan klassifikation.
Som et resultat, skulle to kvantetal bruges til klassificering på én gang, på grund af hvilket klassifikationen blev betydeligt udvidet. Sådan opstod gruppen SU(3), som blev skabt i begyndelsen af århundredet af den franske matematiker Elie Cartan. For at bestemme den systematiske position af hver partikel i den, har forskere udviklet et forskningsprogram. Kvarken kom efterfølgende let ind i den systematiske serie, som bekræftede eksperternes absolutte rigtighed.
Nye kvantetal
Så videnskabsmænd kom på ideen om at bruge abstrakte kvantetal, som blev hypercharge og isotopisk spin. Men mærkelighed og elektrisk ladning kan tages med samme succes. Denne ordning blev traditionelt kaldt den ottefoldede vej. Dette fanger analogien med buddhismen, hvor før du når nirvana, skal du også igennem otte niveauer. Men alt dette er sangtekster.
Neeman og hans kollega, Gell-Mann, udgav deres arbejde i 1961, og antallet af kendte mesoner oversteg ikke syv. Men i deres arbejde var forskerne ikke bange for at nævne den høje sandsynlighed for eksistensen af den ottende meson. I samme 1961 blev deres teori geni alt bekræftet. Den fundne partikel fik navnet eta meson (græsk bogstav η).
Yderligere fund og eksperimenter med lysstyrke bekræftede den absolutte rigtighed af SU(3)-klassifikationen. Denne omstændighed er blevet stærket incitament for forskere, der har fundet ud af, at de er på rette vej. Selv var Gell-Mann ikke længere i tvivl om, at kvarker findes i naturen. Anmeldelser af hans teori var ikke for positive, men videnskabsmanden var sikker på, at han havde ret.
Her er kvarkerne
Snart blev artiklen "Skematisk model af baryoner og mesoner" offentliggjort. I den var videnskabsmænd i stand til at videreudvikle ideen om systematisering, som viste sig at være så nyttig. De fandt ud af, at SU(3) ganske tillader eksistensen af hele tripletter af fermioner, hvis elektriske ladning varierer fra 2/3 til 1/3 og -1/3, og i tripletten har en partikel altid en mærkelighed, der ikke er nul. Gell-Mann, der allerede er velkendt for os, kaldte dem "kvark elementarpartikler."
Ifølge anklagerne betegnede han dem som u, d og s (fra de engelske ord up, down and strange). I overensstemmelse med den nye ordning er hver baryon dannet af tre kvarker på én gang. Mesoner er meget enklere. De omfatter en kvark (denne regel er urokkelig) og en antikvark. Først derefter blev det videnskabelige samfund opmærksom på eksistensen af disse partikler, som vores artikel er viet til.
Lidt mere baggrund
Denne artikel, som stort set forudbestemte fysikkens udvikling i de kommende år, har en ret nysgerrig baggrund. Gell-Mann tænkte på eksistensen af denne slags trillinger længe før dens offentliggørelse, men diskuterede ikke sine antagelser med nogen. Faktum er, at hans antagelser om eksistensen af partikler med en fraktioneret ladning lignede nonsens. Men efter at have t alt med den fremtrædende teoretiske fysiker Robert Serber, erfarede han, at hans kollegadraget nøjagtig de samme konklusioner.
Desuden kom videnskabsmanden med den eneste rigtige konklusion: eksistensen af sådanne partikler er kun mulig, hvis de ikke er frie fermioner, men er en del af hadroner. Faktisk, i dette tilfælde udgør deres anklager en enkelt helhed! Først kaldte Gell-Mann dem kvarker og nævnte dem endda på MTI, men elevernes og lærernes reaktion var meget behersket. Derfor tænkte videnskabsmanden i meget lang tid på, om han skulle forelægge sin forskning til offentligheden.
Selve ordet "quark" (en lyd, der minder om ænders skrig) blev taget fra James Joyces arbejde. Mærkeligt nok, men den amerikanske videnskabsmand sendte sin artikel til det prestigefyldte europæiske videnskabelige tidsskrift Physics Letters, da han alvorligt frygtede, at redaktørerne af den amerikanske udgave af Physical Review Letters, ens niveaumæssigt, ikke ville acceptere den til offentliggørelse. Forresten, hvis du vil se i det mindste en kopi af den artikel, har du en direkte vej til det samme Berlin Museum. Der er ingen kvarker i hans udstilling, men der er en komplet historie om deres opdagelse (mere præcist, dokumentariske beviser).
Start på Quark-revolutionen
For at være retfærdig skal det bemærkes, at næsten samtidig kom en videnskabsmand fra CERN, George Zweig, til en lignende idé. Først var Gell-Mann selv hans mentor, og derefter Richard Feynman. Zweig bestemte også virkeligheden af eksistensen af fermioner, der havde fraktioneret ladninger, kun kaldte dem esser. Desuden betragtede den talentfulde fysiker også baryoner som en trio af kvarker og mesoner som en kombination af kvarker.og antikvark.
Simpelt sagt gentog eleven fuldstændigt sin lærers konklusioner og helt adskilt fra ham. Hans værk udkom endda et par uger før Manns udgivelse, men kun som et "hjemmelavet" værk af instituttet. Det var imidlertid tilstedeværelsen af to uafhængige værker, hvis konklusioner var næsten identiske, der umiddelbart overbeviste nogle videnskabsmænd om rigtigheden af den foreslåede teori.
Fra afvisning til tillid
Men mange forskere accepterede denne teori langt fra med det samme. Ja, journalister og teoretikere blev hurtigt forelskede i den for dens klarhed og enkelhed, men seriøse fysikere accepterede den først efter 12 år. Giv dem ikke skylden for at være for konservative. Faktum er, at teorien om kvarker i første omgang var i skarp modstrid med Pauli-princippet, som vi nævnte i begyndelsen af artiklen. Hvis vi antager, at en proton indeholder et par u-kvarker og en enkelt d-kvark, så skal førstnævnte være strengt taget i samme kvantetilstand. Ifølge Pauli er dette umuligt.
Det var, da der dukkede et ekstra kvantetal op, udtrykt som en farve (som vi også nævnte ovenfor). Derudover var det fuldstændig uforståeligt, hvordan elementarpartikler af kvarker generelt interagerer med hinanden, hvorfor deres frie varianter ikke opstår. Alle disse hemmeligheder blev i høj grad hjulpet til at opklare af Theory of Gauge Fields, som først blev "bragt i tankerne" i midten af 70'erne. Omkring samme tid var kvarkteorien om hadroner organisk inkluderet i den.
Men mest af alt blev udviklingen af teorien holdt tilbage af det fuldstændige fravær af i det mindste nogle eksperimentelle eksperimenter,som ville bekræfte både selve eksistensen og interaktionen af kvarker med hinanden og med andre partikler. Og de begyndte gradvist først at dukke op fra slutningen af 60'erne, da den hurtige udvikling af teknologi gjorde det muligt at udføre et eksperiment med "transmission" af protoner med elektronstrømme. Det var disse eksperimenter, der gjorde det muligt at bevise, at nogle partikler virkelig "gemte" inde i protonerne, som oprindeligt blev kaldt partoner. Efterfølgende var de ikke desto mindre overbevist om, at dette ikke var andet end en ægte kvark, men det skete først i slutningen af 1972.
Eksperimentel bekræftelse
Selvfølgelig var der behov for meget flere eksperimentelle data for endelig at overbevise det videnskabelige samfund. I 1964 foreslog James Bjorken og Sheldon Glashow (den kommende nobelprisvinder i øvrigt), at der måske også var en fjerde slags kvark, som de kaldte charmed.
Det var takket være denne hypotese, at videnskabsmænd allerede i 1970 var i stand til at forklare mange af de mærkværdigheder, der blev observeret under nedbrydningen af neutr alt ladede kaoner. Fire år senere lykkedes det to uafhængige grupper af amerikanske fysikere på én gang at rette op på forfaldet af mesonen, som kun omfattede en "charmeret" kvark såvel som dens antikvark. Ikke overraskende blev denne begivenhed straks døbt novemberrevolutionen. For første gang fik teorien om kvarker mere eller mindre "visuel" bekræftelse.
Vigtigheden af opdagelsen bevises af, at projektlederne, Samuel Ting og Barton Richter, allerede er igennemaccepteret deres Nobelpris i to år: denne begivenhed afspejles i mange artikler. Du kan se nogle af dem i originalen, hvis du besøger New York Museum of Natural Science. Quarks, som vi allerede har sagt, er en ekstremt vigtig opdagelse af vores tid, og derfor er der meget opmærksomhed på dem i det videnskabelige samfund.
Sidste argument
Det var først i 1976, at forskere fandt én partikel med ikke-nul charme, den neutrale D-meson. Dette er en ret kompleks kombination af en charmeret kvark og en u-antikvark. Her blev selv hærdede modstandere af kvarkers eksistens tvunget til at indrømme rigtigheden af teorien, som først blev udt alt for mere end to årtier siden. En af de mest berømte teoretiske fysikere, John Ellis, kaldte charme "håndtaget, der vendte verden rundt."
Snart inkluderede listen over nye opdagelser et par særligt massive kvarker, top og bund, som let kunne korreleres med den SU(3)-systematisering, der allerede var accepteret på det tidspunkt. I de seneste år har forskere t alt om eksistensen af såkaldte tetraquarks, som nogle forskere allerede har døbt "hadron-molekyler."
Nogle konklusioner og konklusioner
Du er nødt til at forstå, at opdagelsen og den videnskabelige begrundelse for eksistensen af kvarker virkelig sikkert kan betragtes som en videnskabelig revolution. Det kan betragtes som året 1947 (i princippet 1943) som dets begyndelse, og dets afslutning falder på opdagelsen af den første "fortryllede" meson. Det viser sig, at varigheden af den sidste opdagelse af dette niveau til dato er, ikke mindre, så meget som 29 år (eller endda 32 år)! Og alt dettetid blev brugt ikke kun på at finde kvarken! Som det oprindelige objekt i universet tiltrak gluonplasma snart meget mere opmærksomhed fra videnskabsmænd.
Jo mere kompleks studieområdet bliver, jo mere tid tager det at gøre virkelig vigtige opdagelser. Hvad angår de partikler, vi diskuterer, kan ingen undervurdere vigtigheden af en sådan opdagelse. Ved at studere kvarkers struktur vil en person være i stand til at trænge dybere ind i universets hemmeligheder. Det er muligt, at vi først efter en fuldstændig undersøgelse af dem vil være i stand til at finde ud af, hvordan big bang skete, og efter hvilke love vores univers udvikler sig. Under alle omstændigheder var det deres opdagelse, der gjorde det muligt at overbevise mange fysikere om, at virkeligheden omkring os er meget mere kompliceret end tidligere ideer.
Så du har lært, hvad en kvark er. Denne partikel lavede på et tidspunkt meget støj i den videnskabelige verden, og i dag er forskere fulde af håb om endelig at afsløre alle dens hemmeligheder.
