Научная электронная библиотека

Монографии, изданные в издательстве Российской Академии Естествознания

Естествознание постнеклассической науки

Шепель О. М.,

§ 1.2.4. Бозоны

Помимо рассмотренных выше фермионов (кварков и лептонов), обладающих спином ±1/2ħ, были открыты частицы, обладающие целым значением спина (0ħ; ±1ħ; ±2ħ; ±3ħ…). Такие частицы называют бозонами.

К фундаментальным бозонам относятся: фотон, глюон, W-бозон (weak), Z-бозон (zero), бозон Хиггса (табл. 1.3).

Таблица 1.3

Свойства фундаментальных бозонов

Теория струн разрабатывается именно для фундаментальных бозонов. Теория суперструн – для всех фундаментальных частиц.

Таким образом, согласно современным научным представлениям весь материальный мир состоит из 12 фермионов (6 кварков и 6 лептонов) и 5 бозонов, непрерывно движущихся в пространстве и времени (рис. 1.24).

Рис. 1.24. Простейшая классификация фундаментальных частиц

При этом, фундаментальные бозоны являются носителями взаимодействий.

Например, электромагнитное взаимодействие между двумя покоящимися, одноимённо заряженными частицами, приводящее к их отталкиванию, обусловлено обменом фотонами между этими частицами (рис. 1.25).

Рис. 1.25. Обмен фотонами между одноимённо заряженными частицами

Обмен фотонами между разноимённо заряженными частицами представлен на рис. 1.26.

Рис. 1.26. Обмен фотонами разноимённых зарядов

При этом линии, символизирующие движение фотонов на рис. 2, 3, на самом деле условны и не являются траекториями их движения, потому что эти фотоны движутся в соответствии с принципом неопределённости Гейзенберга, согласно которому невозможно одновременно точно определить координаты (х) и импульс (р = m∙v) одной и той же частицы. Точное определение одной из величин приводит к полной неопределённости значения другой:

Δx∙Δpx ≥ ħ/2.

Следует уточнить, что фермионами и бозонами могут быть не только фундаментальные, но и составные элементарные частицы. Например, протон также является фермионом, потому что состоит из трёх кварков, два из которых обладают противоположными спинами.

Нулевое значение массы для фотона и глюона означает, что эти частицы не бывают в состоянии покоя. Они имеют волновую природу (рис. 1.5; 1.7) и могут существовать только в движении, полёте со скоростью света.

При этом они обладают энергией E, подчиняющейся равенству

Е = h∙ν,

где h – постоянная Планка (h = 6,6∙10–34 Дж/Гц); ν – частота волновых колебаний, связанная с длиной волны λ соотношением

λ∙ν = с,

где с – скорость света.

Но согласно одной из формул теории относительности А. Эйнштейна

Е = m∙c2,

где m – масса. Поэтому, для фотона и глюона можно рассчитать массу по формуле

Масса, рассчитанная по такой формуле для фотона и глюона, называется релятивистской массой. То есть, эти частицы, хотя и считаются безмассовыми, но обладают релятивистской массой.

Со временем выяснилось, что не только безмассовые частицы подчиняются равенству Е = h∙ν, но и любые элементарные частицы, обладающие импульсом. То есть, в процессе движения элементарные частицы (корпускулы) приобретают волновые свойства. Таким образом, был сформулирован принцип корпускулярно-волнового дуализма, согласно которому любая частица обладает одновременно и корпускулярными и волновыми свойствами. Волны движущихся элементарных частиц назвали волнами де Бройля по имени Французского физика Луи де Бройля, который впервые высказал гипотезу о том, что не только фотон, но и все элементарные частицы обладают волновыми свойствами.

В табл. 3 подразумевается, что слабое взаимодействие осуществляется с помощью W- и Z-бозонов.

Например, слабое взаимодействие (определение на стр. 8) осуществляется при распаде свободного нейтрона на протон, электрон и электронное антинейтрино:

через образование W-бозона:

На первый взгляд последние два превращения протекают с грубым нарушением законов сохранения масс и энергии (m(d) = 5,2∙10–3 а.е.м.;
m(u) = 2,5∙10–3 а.е.м.; m(W) = 58 а.е.м.; m(е–) = 5,5∙10–4 а.е.м.; m(νе) = 2,1∙10–9 а.е.м.).

Однако, согласно теориям струн и суперструн, для образования W-бозона берётся на очень короткое время (3∙10–25 с) энергия из дополнительных пространственных измерений, после чего эта энергия возвращается назад. Теория струн предполагает общее число измерений на уровне фундаментальных частиц 28, теория суперструн – 10. Законы сохранения массы и энергии не нарушаются, хотя в пределах непосредственно наблюдаемого 3-мерного пространства подобные процессы воспринимаются как кратковременное нарушение этих законов.

Очень коротко живущие элементарные частицы, моментально поглощаемые после испускания другими частицами или превращающиеся в другие частицы, называются, в отличие от реальных частиц, виртуальными, именно из-за:

– способности не подчиняться законам сохранения в пределах 3-мерного пространства;

– движения в 3-мерном пространстве в соответствии с принципом неопределённости Гейзенберга.

Некоторые частицы в разных условиях могут быть и реальными и виртуальными. Например, фотон испускаемый Солнцем и летящий к Земле, является реальной частицей, подчиняющейся всем классическим законам физики и механики, а фотон, испускаемый зарядом, взаимодействующим с другим зарядом, является виртуальным.

Взаимодействие, которое в табл. 3 названо «поле Хиггса» – это взаимодействие между частицами, имеющими массу, и бозоном Хиггса.

Принято считать, что:

– электромагнитное взаимодействие (определение на стр. 8) осуществляется посредством электромагнитного поля (определение на стр. 12);

– сильное взаимодействие (определение на стр. 8) осуществляется посредством глюонного поля, представляющего собой свойство пространства объединять кварки в нуклоны, а нуклоны в ядра атомов;

– слабое взаимодействие (определение на стр. 8) осуществляется посредством поля W- и Z-бозонов, представляющего собой свойство пространства инициировать распад элементарных частиц.

Свойство пространства придавать фундаментальным частицам инертную массу называется полем Хиггса.

Именно инертную! Потому что масса может быть инертной и гравитационной.