Предисловие.

Статья вышла очень объемной. Я постарался с одной стороны избежать упрощений, а с другой стороны сделать её понятной для любого неподготовленного читателя.

Также я постарался не просто описать современный взгляд науки на природу материи, но описать какой логикой руководствовались ученые, какие факты приводили их к тем или иным выводам. Надеюсь по прочтении у вас сложится более связная картина того, как от таблицы Менделеева мы пришли к электронам , кваркам и прочим "ужасам".

Краткое описание ключевых моментов статьи.

Таблица Менделеева
|
Эволюция теории атома
|
Волновая теория и электронные облака
|
Сильное ядерное взаимодействие: нуклоны и мезоны
|
Слабое ядерное взаимодействие: W бозоны и Z бозоны
|
Зоопарк частиц: каоны и гипероны
|
Теория восьмеричного пути и SU (3) симметрия
|
Кварки
|
Глюоны
|
Квантовая теория поля и Стандартная модель
|
Фундаментальные симметрии Пуанкаре
|
Внутренние симметрии U(1)+SU(2)+SU(3)
|
Открытые вопросы фундаментальной физики
|
Заключение.

Текст разбит на три вида.

Обычным текстом на белом фоне идет общее приближенное, не перегруженное деталями и формулами, описание

Мелким курсивом записаны детали, пояснения и уточнения, для желающих более детально вникнуть в тему.

Синим мелким шрифтом на бежевом фоне записаны еще более глубокие погружения в тему с пояснениями и иногда формулами либо отвлечения на смежные с основным повествованием темы.


Начало.

Все мы "знаем" , что такое материя. Она повсюду вокруг нас. Бетонные стены, стеклянные окна, деревья в парке, вода в озере, земля под ногами, воздух, которым мы дышим.

Также мы знаем, что все состоит из чего-то. Машины - это набор деталей. Джинсы -это ткани, нитки, клепки и молнии. А из чего состоит сама материя? У каждого вида материи свой состав или все можно свести к какой-то общей базе?

Люди издревле интересовались этим вопросом.

Каббала позиционирует материю как низшую форму проявления божественного света.

Алхимия рассматривает материю как живую субстанцию, трансформирующуюся от несовершенных состояний к совершенным через взаимодействие с духом.

Есть идеи формирования материи из первородных стихий огня, земли, воды и воздуха.

Есть идея о том, что материя это свет, замедленный и свернутый нашим сознанием.

Есть идея, что основа всей материи эфир - невесомая невидимая субстанция, пронизывающая всю Вселенную.

Идей множество. Я намеренно не называю их теориями, поскольку они теориями не являются. В обиходе люди с легкостью обращаются с этим термином, называя теорией любое предположение.

Но теория - это нечто иное. Есть несколько вполне конкретных признаков, по которым те или иные утверждения можно удостоить рангом теории.

Системность: теория представляет собой не набор разрозненных фактов и утверждений, а упорядоченную структуру взаимосвязанных концепций.

Обоснованность: базируется не на голословных утверждениях, а на совокупности фактов, многократно подтвержденных наблюдениями и экспериментами.

Предсказательная сила: теория позволяет предсказывать явления.

Вышеперечисленные идеи теориями не являются, поскольку большинство из них не соответствует критерию системности и абсолютно все они не соответствуют критериям обоснованности и предсказательной силы.

Если кто-то уверен, что я ошибаюсь и недооцениваю вышеперечисленные или иные идеи, то я буду рад получить информацию о проведенных экспериментах или о возможностях применения той или иной идеи в качестве предсказательной модели. Моя электронная почта указана в конце статьи.

Мы же поговорим именно о теориях о природе материи, где-то наивных, в чем-то ошибочных, но старавшихся следовать научному принципу обоснованности и ставших кирпичиками, сформировавшими основание для современного понимания природы материи.

Всю материю можно условно разделить на две категории: составную и однородную.

Первое, что удалось выяснить людям, это то, что большинство видов материи можно разделить на другие виды материи. Назовем такую материю составной. Но также выяснилось, что есть такие виды материи, которые сколько бы мы ни делили, в результате получалась все та же материя, но в меньших количествах. Назовем ее однородной материей.

Например, вода представляет собой соединение водорода и кислорода. При желании ее можно разделить обратно на кислород и водород. А вот водород и кислород - это уже однородная материя. Сколько бы вы ни делили кислород, вы будете в результате получать просто все более мелкие порции кислорода.

В итоге полный перечень известных нам видов однородной материи был систематизирован в виде всем известной таблицы Менделеева.

Таблица Менделеева включает в себя всю однородную материю, встречающуюся нам во Вселенной. Можно также сказать, что эта однородная материя является первичной, поскольку любая составная материя по итогу раскладывается на составляющие однородные элементы.

На сегодняшний день в таблице 118 элементов: от водорода (#1) до оганесона (#118), разбитые на семь групп (называемых в таблице периодами).
Причем в природе мы находили только первые 94 элемента (от водорода до плутония). Остальные виды материи люди синтезировали искусственно, разобравшись в законах природы, на основании которых материя создается в принципе.

Сейчас люди работают над синтезом элементов восьмой группы: номера 119 (унуненния) и 120 (унбинилия).

Предполагается, что синтезировать новые виды однородной материи бесконечно невозможно из-за определенных ограничений а именно:

1) гипотеза о том, что пределом синтеза станут элементы с порядковыми номерами между 120 и 130 в связи с тем, что будет достигнут предел стабильности ядер атомов.

2) гипотеза о том, что предел синтеза материи будет достигнут на номере 137 из-за того, что энергетический заряд столь крупного ядра разгонит электроны на нижних орбиталях до предельной скорости - скорости света. Другая гипотеза утверждает , что такой предел будет достигнут на номере 173.

Но чтобы подробно разобраться в этих гипотезах о максимальном пределе видов однородной материи во Вселенной нам следует сначала разобрать то, как в принципе устроена любая материя внутри на мельчайших уровнях.

Молекулы.

Разделяя какое-либо вещество на все более маленькие порции вы, в конце концов, доберетесь до мельчайшей порции, которая еще сохраняет в себе химические свойства этого вещества. Такая мельчайшая порция названа учеными молекулой.

У молекулы нет конкретных единых характеристик. Все зависит от вещества. Молекула это просто мельчайшая порция вещества, сохраняющая его физико-химические свойства.

Есть молекулы очень маленькие, как, например, молекула кислорода. Но бывают и огромные молекулы. Например, самая длинная из известных человеку молекул - это молекула ДНК (дезоксирибонуклеиновая кислота).
Длина молекулы ДНК человека составляет около 2 метров. А длина молекулы ДНК одного из видов папортника достигает 100 метров.

Но надо понимать , что ДНК - это сложноорганизованый вид составной материи. Если эту молекулу разделить, то выяснится, что она состоит из объединения молекул других веществ, обладающих по отдельности другими свойствами, отличными от свойств ДНК. Это такие вещества как различные азотистые основания, сахар (дезоксирибоза) и остаток фосфорной кислоты.

По отдельности они представляют собой разные виды материи, но, объединившись, создают новую материю с новыми свойствами, материю под названием ДНК.

Видов составной материи огромное количество. Все они обладают своими уникальными химическими и физическими свойствами. Но, как я уже писал выше, добравшись до молекулы любого составного вещества, вы увидите, что она состоит из объединения молекул других более простых веществ со своими свойствами.

Возьмем, к примеру, сахар дезоксирибозу, входящий в состав ДНК. И начнем его делить на все более мелкие порции.

В итоге мы доберемся до молекулы этого сахара, состоящей из более простых однородных веществ: углерода, водорода и кислорода.

Давайте теперь займемся этими однородными веществами из таблицы Менделеева. Например, кислородом.

Кислород - это газ, жизненно необходимый для человека. Давайте начнем делить этот газ. Сколько бы мы ни делили кислород мы будем получать все тот же газ, но в более мелких порциях, пока не доберемся до мельчайшей порции - молекулы кислорода (О₂)

Но что будет если разделить эту мельчайшую порцию? Что мы получим?

Мы получим отдельные мельчайшие частицы этого вещества - атомы. Сами по себе атомы кислорода не обладают его химическими свойствами, но объединение двух атомов кислорода уже образуют молекулу - химическое вещество кислород , которым мы дышим.

Атомы.

Еще в Древней Греции философы предполагали, что материю нельзя делить бесконечно. В конце концов останутся мельчайшие неделимые кусочки материи, которые древние греки называли "атомосами", что в переводе означало "неразрезаемые". По их мнению атомосы - это неделимые мельчайшие частицы вещества. Атомосы, с точки зрения древних греков, бывают разных типов, а характеристики веществ зависят от типов атомосов, из которых эти вещества состоят.

Это были философские идеи об устройстве мироздания, не имевшие каких-либо количественных теорий.

В таком виде древнегреческие идеи атомарного устройства материи просуществовали многие сотни лет.

Подвижки наметились лишь в конце 18 века, когда ученые открыли два важных химических закона.

Первый - это закон сохранения массы, гласящий, что масса в химической реакции неизменна (т.е. при химической реакции массы исходных реагентов будут равны массам полученных продуктов).

Второй закон - это закон постоянства состава.
Он гласил, что в любом химическом соединении всегда будут сохраняться одинаковые пропорции составляющих соединение элементов. Это верно для всех молекулярных химических соединений и для любых количеств вещества. Неважно возьмете вы килограмм или тонну, пропорции составных компонентов всегда будут одинаковыми. Неважно каким путем вы получите вещество (например воду: то ли путем конденсации пара, то ли путем сжигания водорода в кислородной среде, то ли путем соединения уксусной кислоты с пищевой содой), пропорции компонентов полученного вещества воды всегда будут одинаковы.

Сейчас эти законы нам кажутся очевидным фактом, но в те времена это было открытием.

На основании этих двух законов был выведен третий химический закон: закон кратных отношений.

Он гласил, что если одни и те же два элемента могут быть объединены, чтобы образовать ряд разных соединений, то соотношение масс двух элементов во всех соединениях будут представлены небольшими целыми числами.
Это означало, что химические вещества вступают в реакцию не в произвольном количестве, а в количестве, кратном какой-то базовой неделимой единице массы вещества. Вот тогда ученые в 19 веке вспомнили про труды древнегреческих философов и назвали эту базовую единицу массы атомом.

Атомарная концепция использовалась учеными для расчета пропорций химических реакций, вводились понятия атомарных масс, однако вплоть до 20 века атомы считались многими учеными не реально существующими физическими объектами, а лишь математической концепцией, удобной в расчетах масс и пропорций веществ.

Однако ряд открытий рубежа 19го и 20го веков привели ученых к убеждению в физической реальности атомов.

Решающую роль сыграли исследования Эйнштейном броуновского движения - хаотичного движения мелких частиц в жидкой или газообразной среде.

В первой половине 19 века Роберт Броун обнаружил, что микроскопические твердые частички, растворенные в капле воды, непрерывно и хаотично двигаются, хотя никаких предпосылок для движения в неподвижной капле не было.
Поначалу он подумал, что это какие-то живые микроорганизмы, но последующие эксперименты показали, что любые мелкие твердые частицы (например пылинки) все равно не лежат неподвижно в воде, а находятся в "необъяснимом и беспричинном" хаотичном движении.

Много лет ученые строили, проверяли и опровергали гипотезы, объясняющие это явление. И лишь в начале 20 века Эйнштейну удалось разработать непротиворечивую теорию, позже подтвержденную экспериментально.

Эйнштейн предложил рассматривать удобную математическую абстракцию (атом) как реально существующий физический объект. Т.е. Н₂О это не просто математическая формула, а реальное объединение реальных атомов, формирующее вполне реальную сущность под названием молекула воды. И хаотичное движение пылинок вызвано тем, что их беспрерывно толкают в разные стороны эти самые молекулы воды.

В соответствии с предложенным допущением Эйнштейн вывел формулу рассчета среднего квадрата смещения частицы, позже проверенную и подтвержденную экспериментально.

Невидимые глазу атомы перестали быть математической абстракцией и превратились для ученых в реальные физические объекты.

Следует оговориться, что атомы настолько малы, что увидеть их в принципе невозможно.

Логика некоторых людей "раз мы не можем что-то увидеть, то откуда мы можем знать , что это существует" достаточно порочна, хотя и была распространена даже в среде ученых в прошлые века.

Вы не можете увидеть ветер, но вы не сомневаетесь в его существовании. О ветре вы судите по косвенным признакам, по последствиям его взаимодействия с другими объектами. Ветер несет пакет по улице, поднимает клубы пыли, хлещет по вашей коже. Та же ситуация и с другими невидимыми объектами. Мы определяем их существование по другим косвенным признакам, по их взаимодействию с другими объектами.

Просто в отличие от будничного ветра, с проявлениями которого люди регулярно сталкиваются в повседневности и потому не сомневаются в существовании ветров, с проявлениями атомов люди в повседневности не сталкиваются и от того некоторым из них кажется, что атомов может и не существовать.

Почему атом нельзя увидеть или сфотографировать (о так называемых фотографиях атомов разлетающихся регулярно по пабликам, я напишу чуть ниже)?

Все дело в самой физической природе визуального восприятия. Увидеть что-то глазом или объективом фотокамеры означает воспринять электромагнитную волну, излученную или отраженную каким-то предметом (видимый свет - это тоже электромагнитная волна определенного диапазона)

Но чтобы электромагнитная волна отразилась от чего-то и попала к нам в глаз или в объектив, необходимо, чтобы объект был достаточно крупный. Средняя длина волн видимого света находится в диапазоне 380-740 нанометров.

Нанометры это очень маленькие величины (1нм=0,000000001м), но атомы еще меньше.

Атомы в тысячи раз меньше волн видимого света. Волны проходят сквозь столь малые объекты подобно тому как морская волна пройдет сквозь одну маленькую песчинку, незамечая ее. Чтобы морская волна отразилась, необходимо огромное количество песчинок, объединившихся в песчанную стену. Также и в случаях с атомами, необходимо огромное количество атомов, объединившихся в кусок материи, чтобы свет мог отразиться.

Поэтому увидеть в прямом смысле атом невозможно. Но можно увидеть и даже сфотографировать косвенно.

Выше я писал, что мы видим лишь то, что излучает или отражает свет. Отразить свет атом не может. А излучить? А излучить при определенных обстоятельствах может и этот момент можно запечатлеть.

Лучшие пример этого - знаменитая фотография Девида Надлингера под названием "Одиночный атом в ионной ловушке", взявшая главный приз на национальном конкурсе научной фотографии Великобритании.

Это фото сделано на обычную цифровую камеру. На снимке атом стронция, зафиксированный в ловушке электрического поля. В атом закачивается энергия лазером, вследствие чего он при переходе от возбужденного состояния к основному (об этих состояниях пойдет речь позже) испускает излишки энергии в виде фотонов - света, зафиксированного камерой. Расстояние между электродами всего лишь 2мм.
На крупном плане вы можете видеть светящуюся точку между электродами - это и есть свет, излученный атомом стронция. Это маленькая точка света гораздо больше самого атома, но это максимум из того , что можно подвести под категорию "увидеть атом".

Что же до других изображений атома, которыми пестрят паблики, то это либо графические модели, построенные на базе формул, либо визуализация не визуальных данных детекторов (туннельных микроскопов, электронных микроскопов, атомно-силовых и т.д.)

Например, знаментый мультфильм IBM Research "Мальчик и его атом" (2013г.) не является фактическим изображением атомов.
Мультик снят в режиме "стоп-моушн", где чередуются кадры , складывающиеся в иллюзию движения. На каждом кадре изображение складывается из шариков, визуализирующих расположение молекул оксида углерода, состоящих из атома углерода и атома кислорода и размещенных на медной подложке.

Для детектирования атомов использовался сканирующий туннельный микроскоп, а уже на основании цифровых данных строилась искусственная визуализация. Формы, цвета этой визуализации являются просто фантазией авторов (надо же было выбрать какие-то формы и цвета для генерации изображения).

Принцип действия сканирующего туннельного микроскопа следующий: при сближении иглы с образцом на расстояние нескольких ангстрем (это одна десятимиллиардная часть метра) под напряжением электроны начинают преодолевать расстояние между иглой и исследуемой поверхностью, создавая туннельный ток, который экспоненциально зависит от расстояния, что позволяет фиксировать рельеф поверхности с атомным разрешением. Изменения в электрическом напряжении в цифровом виде передаются на компьютер, который на основании этих данных реконструирует рельеф.

Вот еще одно мифотворческое изображение.

Журналисты и блогеры активно распространяли это изображение с комментариями, о том что физикам удалось сфотографировать ядро атома (центральные круги). На самом деле это визуализация экспериментов по получению кварк-глюонной плазмы. Конкретно это изображение является визуализацией результатов эксперимента по столкновению ионов золота, полученных детектором STAR на Релятивистском коллайдере тяжелых ионов RHIC.
Множественные полосы - это треки (следы) разлетающихся частиц, образовавшихся в результате столкновения. А круги и многоугольники, которые журналисты назвали ядром атома, на самом деле являются графической вставкой, изображающей поперечный разрез экспериментальной установки. Это схематическое изображение физических слоев и границ измерительных приборов. Внешний многоугольник - это конструктивные границы детектора, внутренние окружности - это непосредственно вакуумная трубка в разрезе, по которой разгоняют ионы, и трековые детекторы. Черное пространство это разрез пространства TPC - время-проекционной камеры. Вот так с легкой руки некомпетентных людей оборудование в разрезе стали массово именовать изображением ядра атома.

Другое популярное изображение, выдаваемое пабликами за фотографию атома -это изображение атома водорода, созданное при помощи квантового микроскопа.

После облучения лазерными импульсами, ионизированные (заряженные) электроны вытягивались из атомов электрическим полем в сторону детектора. Один электрон , вытянутый из атома оставлял просто точечный след на детекторе.

Для создания изображения выше, которое в пабликах называют фотографией атома водорода, использовались миллионы атомов.

Из каждого вытягивался электрон, оставляющий свой след на детекторе. Потом все эти результаты совместили в одно общее изображение, на котором образовались кольца - электронные облака (орбитали) , о существовании которых нам говорит уравнение волновой функции Шредингера. Позже мы поговорим и об этом , а пока вернемся к основной теме - открытию атома как физического объекта.

Итак, мы остановились на том, что формулы Эйнштейна окончательно убедили ученых в физическом существовании микроскопических частиц - атомов, которые в принципе нельзя увидеть, но можно детектировать по их взаимодействию с внешней средой.

Конечно же люди задались вопросом, а что из себя предствляет атом, есть ли у него форма, составные части, поверхность?

Как устроен атом.

Следует начать с того, что кроме эйнштейновского объяснения броуновского движения на рубеже 19 и 20 веков было сделано еще несколько немаловажных открытий. Некоторые из них не имели прямого отношения к самим атомам, но оказали ключевое влияние на понимание учеными структуры атома - мельчайшей частички материи.

Что же это за открытия?

Во-первых, следует упомянуть об открытии электронов в процессе изучения электричества.

В 19 веке, изучая действие электричества в различных средах обнаружили ионы - частицы переносящие электрический заряд между электродами.
В частности был обнаружен ион водорода, переносящий положительный электрический заряд.

Также в середине 19 века ученые обнаружили, что при пропускании электрического тока через разреженную газовую среду напротив плюсового электрода (катода) возникает свечение, вызываемое неизвестным излучением. Это излучение назвали катодными лучами.

Позже в процессе экспериментов с этим явлением ученые установили , что эти лучи распространяются прямолинейно, несут некоторую энергию, способны приводить в движение небольшие предметы (вертушки) и еще отклоняются магнитным полем.

Ключевую роль в изучении катодных лучей сыграл Д. Томпсон, который экспериментально установил, что катодные лучи представляют из себя поток отрицательно заряженных частиц, которые он назвал корпускулами, позже переименованными в электроны (е^-).

Поскольку в вакуумной трубке не было ничего кроме разреженного газа, то источником этих частиц могла быть только сама газовая среда. Томпсон работал с различными средами: воздухом, углекислым газом, водородом. В процессе исследований он установил, что заряд электрона равен заряду иона водорода, но противоположен по знаку, при этом масса электрона значительно меньше массы самого иона водорода (примерно в 2000 раз).

Исходя из полученных данных Томпсон предложил первую модель устройства атома.

Первая модель атома - пудинговая модель.

Томпсон предположил, что атом представляет собой сферу некоего вещества с положительным зарядом, в которую вкраплены электроны с отрицательным зарядом. Общий отрицательный заряд всех электронов в атоме равен положительному заряду сферы, что обеспечивает электрическую нейтральность всех веществ. Если же электроны покидают сферу атома, то положительный заряд начинает преобладать и атом ионизируется. Его коллеги сравнили модель с пудингом с изюмом в нем, что и дало название модели Томпсона.

Однако эксперименты Резерфорда в начале 20 века выявили недостатки в модели Томпсона.

Все начиналось с исследования радиоактивности. В спектрах радиоактивного излучения Резерфорд выделил высокоионизированное (положительно заряженное) излучение, которому дал название альфа-лучи. Альфа-частицами оказались ионизированные (положительно заряженные) частицы гелия.

Резерфорд направил поток альфа-частиц на золотую фольгу, чтобы определить степень их рассеивания.
Оказалось, что почти все альфа-частицы пролетают фольгу насквозь и лишь примерно 1 из 20 000 отклоняется под углом более 90 градусов, а некоторые из альфа-частиц отражаются обратно.

В атомах золота и гелия явно присутствовали пустоты, позволяющие положительным зарядам ионов пролетать мимо друг друга и лишь в редких случаях отклоняться.

Это противоречило пудинговой модели, где вся сфера атома заполнена положительно заряженным веществом. Исходя из результатов экспериментов Резерфорд предложил свою модель строения

Модель атома Резерфорда.

Резерфорд предположил, что положительный заряд атома сосредоточен в небольшом плотном ядре, на которое приходится почти вся масса атома. Вокруг этого ядра, подобно планетам вокруг Солнца, летают отрицательно заряженные электроны.

Эта революционная идея о том, что атомы на 99% состоят из пустоты была необычна, но не было никаких других вариантов, кроме больших расстояний, для объяснения причин того, что положительно заряженные частицы пролетали насквозь друг друга.

Однако у модели Резерфорда были свои недостатки, требующие объяснения. Кратко проблема его модели звучит так:
По существующим в макромире законам электродинамики и механики движения электрон должен почти мгновенно растратить энергию и упасть на ядро.

Чтобы понять суть проблемы следует отвлечься на физические принципы орбитального движения.

Любое движение по орбите - это движение с ускорением.

Решение этих несостыковок модели Резерфорда предложил Н. Бор.

Модель атома Нильса Бора.

Но прежде чем говорить об идее , предложенной Бором, следует снова отвлечся от атома и упомянуть о других открытиях в физике, на которые опирался Бор в своих рассуждениях.

Первое - это решение Планка для "проблемы излучения абсолютно черного тела". Подробно о проблеме излучения "абсолютно черного тела" я напишу отдельную статью. Сейчас лишь скажу, что решение этого парадокса нашел Макс Планк предположивший, что энергия не непрерывна, а на мельчайших маштабах имеет свои минимальные дискретные порции.
По ассоциативному ряду это как сравнить пологий непрерывный подъем и ступеньки. Если раньше энергию воспринимали как непрерывный пологий подъем, то после решения Планка выяснилось, что энергия не непрерывна, а порционна как подъем по ступенькам. Есть минимальная порция энергии, а следующая это уже двойная порция энергии и между этими значениями ничего нет.

Второе - это решение Эйнштейна для объяснения фотоэффекта. Из него следовало, что электромагнитная волна (свет) - это не непрерывный поток, как было принято считать, а также дискретная порция электромагнитной энергии (читай частица) именуемая фотоном.

Опираясь на эти открытия Планка и Эйнштейна, Бор сделал следующие допущения:

Бор предложил отказаться от классических принципов электродинамики и механики движения.

Здесь начинается та граница, за которой находятся процессы не имеющие аналогов в нашем макромире. Физическое описание квантовых событий сложно представить по той причине, что не с чем сравнить. Но тем не менее именно квантовый способ описания микромира дал самую точную модель, подтвержающуюся миллионы раз в экспериментах и имеющую доселе невиданную предсказательную точность.

Начало квантовому взгляду на атом положил Нильс Бор. Как я уже написал выше, он предложил отказаться от классических представлений о механике движения и электродинамики.

Вместо этого он постулировал , что строение атома и движение электронов определяется иными квантовыми (читай порционными) ограничениями.

Он предложил принять за данность, что обриты электронов определяются их энергией и электрон, находясь на орбите, не излучает энергию. Наоборот именно энергия электрона определяет его орбиту и он находится на ней столь долго, сколь долго сохраняется постоянство его энергии.

Орбиты и энергии электронов могут быть не любые, а только кратные Постоянной Планка (минимальной порции энергии).

В случае получения дополнительной энергии, например при попадании в электрон фотона, он перемещается на другую более высокоэнергетическую орбиту. В случае потери энергии путем излучения электромагнитной энергии (читай фотона) , он перемещается на меньшую орбиту, соответствующую новой меньшей энергии электрона.

Такая модель объясняла постоянство и стабильность атомов, а также объясняла причины различных спектров излучений у атомов различных веществ.

У разных веществ разные положительные заряды ядер и соответственно разное количество электронов, уравновешивающих своим суммарным отрицательным зарядом положительный заряд ядра.

Эти электроны, находясь на разных орбитах, соответствующих их энергиям, поглощают и излучают фотоны только определенной частоты и длины волны (читай определенной энергии), соответствующей энергиям электронов.

Это соответствовало экспериментальным наблюдаемым данным применительно к водороду и модель Бора получила признание среди физиков, несмотря на то, что была не совсем точна для более тяжелых элементов. Идею Бора приняли концептуально с пониманием того, что теория нуждается в доработке, чтобы быть более точной для других элементов таблицы Менделеева.

Открытие протонов и нейтронов.

В 20х годах прошлого века , уже упоминавшийся мною Резерфорд, предложил конкретизировать понятие положительно заряженного ядра атома. Хотя ионы водорода экспериментально получали и ранее, но именно Резерфорд спустя почти 10 лет после получения учеными первых ионов водорода предложил концепцию протона.

В ходе экспериментов с открытыми им альфа-частицами Резерфорд, бомбардируя атомы азота альфа-частицами смог разбить их, выделив из атомов азота положительно заряденные ядра (ионы) водорода.

Резерфорд предположил, что ядра атомов состоят из одинаковых частиц с положительным зарядом, равным по силе отрицательным зарядам электронов. И различия между атомами заключаются только в количестве этих частиц в ядре. Он назвал эти частицы протонами (p)

У самого легкого вещества водорода 1 протон в ядре и 1 электрон на орбите. У следующего за ним гелия 2 протона и 2 электрона. У следующего лития 3 протона и 3 электрона. И так далее, более тяжелые атомы образовывались путем увеличения количества протонов в ядре и электронов на орбитах.

Его идея отлично согласовывалась с ростом зарядов , но не совпадала с экспериментальными данными по массам ядер. Массы ядер экспериментально оказывались больше суммы масс положительно заряженных протонов.

Тогда Резерфорд предположил, что существуют еще частицы без заряда, он назвал их нейтронами (n), которые образуются от слияния протонов и электронов и также присутствуют в ядрах.

Поскольку никто не мог экспериментально вычленить из атома нейтрон, идея Резерфорда оставалась гипотетической и спорной, пока спустя 12 лет, в 1932 году другому ученому, Чедвику, удалось таки выделить нейтроны.

На основании его открытия Иваненко и Гейзеберг одновременно предложили новую модель атома протон-нейтронную, обьяснив через нейтроны, долгоиграющую проблему протонной атомной модели.

Проблема заключалась в том, что ученым было непонятно почему положительно заряженные протоны в ядре не отталкиваются друг от друга.

Они постулировали, что протоны и нейтроны это разные формы существования одной частицы - нуклона (от латинского "нуклеус" - ядро)

Между нуклонами по их теории действует некая гипотетическая сила притяжения (не гравитационная, а новая доселе неизвестная гораздо более мощная сила), которая и преодолевает взаимное электрическое отталкивание положительно заряженных протонов. Роль нейтронов в ядре заключается в том, чтобы разделять протоны, отдаляя их друг от друга, и при этом добавлять свой вклад во взаимное нуклонное притяжение, тем самым обеспечивая стабильность атомного ядра.

Теперь, я полагаю, вам легко будет понимать смысл содержания таблицы Менделеева.

Все элементы таблицы располагаются по мере их усложнения от самого простого водорода, у которого один протон в ядре и один электрон на орбите и далее.
Число протонов всегда равно числу электронов в основном состоянии атома, т.е. не ионизированном, электрически нейтральном.

Добавление одного протона в ядро означает добавление одного электрона на орбиту и также означает образование нового вещества.

Соответственно порядковый номер элемента в таблице сразу говорит вам сколько в атоме протонов и электронов.

водород #1 (у него 1 протон и 1 электрон)
гелий #2 (у него 2 протона и 2 электрона).
литий #3 (у него 3 протона и 3 электрона)
берилий #4 (у него 4 протона и 4 электрона)
и так далее.

Но с увеличением числа протонов в ядре для поддержания его стабильности в ядро добавляются также нейтроны. Общее количество протонов и нейтронов называется массовым числом атома и тоже отображается в таблице в виде маленькой цифры в верхнем левом углу.

Для меня по прежнему остается одной из самых удивительных вещей в этом мире - это то, как меняются свойства материи от добавления "кирпичиков" в атомы. Протоны и электроны просты и неразличимы. Все протоны во Вселенной абсолютно одинаковы и невозможно отличить один протон от другого. Это же касается всех электронов.

И вот, объединяясь в общую систему два протона и два электрона образуют атом. Эти атомы складываются в газ гелий без цвета и без запаха. Но если вы объедините в систему не по два протона и электрона, а по три, то на выходе будет уже совсем другое вещество - литий, металл серебристо-белого цвета. Всего лишь плюс один протон и плюс один электрон и это уже не газ, а металл. Вот где истинная "магия". Но вернемся к теме природы материи.


Волна или частица (корпускулярно-волновой дуализм).

Прежде чем продожить речь о развитии понимания устройства материи и атома, следует подробнее остановиться на одном противоречии в физике тех лет.

Речь пойдет о свете.
Свет изначально рассматривался как сплошная среда волнообразно распространяющаяся в пространстве, что нашло свое отражение в трудах Гюйгенса о волновой природе света в 17м веке.

В противопоставление ему Ньютон на рубеже 17го и 18го веков предложил идею света как потока множества отдельных частиц.
Он в ходе экспериментов обнаружил, что белый свет на самом деле состоит из смешения других цветов (спектров) и может быть разложен на составляющие цвета (подобно тому как я описывал в начале статьи возможность разложения составной материи на однородную). Белый свет при пропускании через призму раскладывался на отдельные потоки красного, оранжевого, желтого, зеленого, голубого, синего и фиолетового. Обратное же смешение этих потоков вновь давало общий поток белого света.

Ньютон предположил, что световые потоки это не однородные волновые субстанции, раз их можно разложить на компоненты, а состоят из мельчайших отдельных частиц (корпускул) разного размера и размер этих частиц определяет цвет каждого светового потока.

Однако в начале 19 века Юнг поставил первые двухщелевые эксперименты со светом, которые наглядно показывали, что свет имеет волновую природу.

Многие из вас слышали про двухщелевые эксперименты в канве обсуждения "эффекта наблюдателя". Эту тему я подробно рассмотрю в отдельной статье, а пока поговорим о самых первых экспериментах Юнга с пропусканием света через щели.

В чем суть эксперимента? Поток света направлялся на светонепроницаемый лист, в котором вырезались две щели, а за ним размещался светочувствительный экран. Если свет - это поток частиц, то попавшие в щели частицы, должны были продолжить движение по своей прямой траектории и оставлять линейные следы на экране напротив щелей.
Если же свет это некая однородная среда, то он должен был двигаться к преграде сплошной волной, а при просачивании сквозь щели распространяться также волнообразно, образуя вторичные волны по количеству щелей. Распространяющиеся вторичные волны пересекались бы в пространстве гася друг друга там, где "гребень" одной волны попадал на "впадину" другой, и усиливая друг друга там где "гребени" обеих волн схлестывались.

Эксперимент Юнга показал волновую природу распространения света.
Максвел же разработал волновую теорию электромагнетизма, чьи уравнения очень точно совпадали с наблюдаемыми экспериментальными данными. Также Максвел вывел в своей теории электромагнитную природу света.

История о том, как Максвел взял разрозненные электрические формулы, сделал допущение , которое он назыал "смещением тока", и введя новый член в уравнения вывел волновую природу электромагнитизма в виде самоподдерживающихся волн , распространяющихся со скоростью света, что навело его на революционную мысль о том, что свет это и есть электромагнитные волны, заслуживает отдельной статьи, которую я обязательно напишу.

Подобно противопоставлению идей Гюйгенса и Ньютона сотней лет ранее, Эйнштейн разработал в противопоставление идеи Максвела концепцию света как потока частиц - фотонов, которая очень точно объясняла такое явление как фотоэффект (выбивание светом электронов из металла), необъясняемое в рамках волновой теории.

Решение этого противоречия предложил Луи де Бройль. Он развил идею двойственной природы микрочастиц.

Модель атома де Бройля.

По идее де Бройля свет, электроны , да и все микроскопические частицы материи имеют двойственную природу.

С одной стороны с частицами связаны такие корпускулярные характеристики как энергия и импульс, с другой с ними же связаны такие волновые характеристики как частота и длина волны.

Он постулировал , что микрообъекты имеют двойственную природу и вывел соотношения между корпускулярными и волновыми характеристиками, введя понятие волн де Бройля.

Если не вдаваться в детали , то суть в том, что чем массивнее объект, тем меньше его дебройлевская длина волны.

Объект ведет себя как частица если длина его дебройлевской волны значительно меньше характерных размеров в его окружении и в то же время ведет себя как волна, если характерные размеры окружения эквивалентны длине дебройлевской волны объекта или больше её.

Он вывел формулу, связывающую импульс частицы с длиной ее волны.
Если вы забыли, напоминаю, что импульс - это мера движения объекта. Импульс расчитывается по формуле произведения массы на скорость. Де Бройль вывел формулу рассчета длины волны частицы равной постоянной Планка деленной на импульс частицы.

Допустимые орбиты для электронов определялись длиной волны, умноженной на целый коэффициент (квантовое число) , т.е. допустимы для электрона только те орбиты, в которые укладывается целое число дебройлевских волн. Волны замыкаясь сами на себя, формируют поле стоячих электронных волн вокруг ядра.

Я столь детально описываю все эти подробности, чтобы вы поняли, что современное описание структуры атома, успешно описывающее все экспериментальные наблюдения, не имеет никакого отношения к планетарным моделям, как привыкли многие полагать.

Революционные идеи де Бройля развил и окончательно оформил Шредингер, выведя уравнение волновой функции частиц.

Модель Шредингера.

Не вдаваясь в излишние детали уточню, что главное, что важно понимать: сам физический смысл волн, выраженных в волновой функции Шредингера не имеет в виду, что отдельная частица физически распространяется волнообразно в пространстве. Волновая функция -это математическое понятие. Ее можно назвать волнами распределения вероятности, они определяют вероятность нахождения частиц в той или иной точке пространства.

Если быть до конца точным, то выводя уравнение Шредингер рассматривал частицу как физически размазанную в пространстве волну. Однако подобная интерпретация не совпадала с результатами экспериментов, в которых отдельная частица всегда оставляла только точечный след. Тогда Бор дал уточненную интерпретацию уравнению, где речь уже шла о волне вероятности, в которой квадрат модуля волновой функции определял плотность вероятности местоположения частицы. Теперь это называют правилом Бора.

В такой революционно новой концепции взгляда на частицы получалось, что электроны не движутся по орбитальной траектории вокруг ядра, а как бы размазаны вокруг него по орбиталям сложных форм (формы орбиталей рассчитываются из уравнения волновой функции) и представляют собой устойчивое волновое поле вокруг ядра. А возможность обнаружения электрона как корпускулярного (точечного) объекта, повторюсь, определяется волновой функцией , квадрат модуля, которой, определяет плотность вероятности нахождения электрона в заданном объеме пространства.

Звучит сложно, но именно такое понимание устройства атома позволило объяснить все экспериментальные наблюдения, а предсказательная точность рассчетов в соответствии с этой теорией оказалась максимально точной.

Итак, понятие траекторий и орбит у электронов в атомах окончательно ушли в прошлое. На смену им пришло понятие орбитали электрона. Термин орбиталь специально введен в противопоставление орбите, чтобы подчеркнуть отсутствие каких-либо круговых поступательных траекторий электрона, на смену которым пришло понимание орбитали как облака высокой вероятности (выше 90%) нахождения электрона в заданной области пространства.

Выделяют несколько типов орбиталей электронов, которым дали буквенные обозначения: S, P, D, F, G и т.д.

В целом же состояние электрона в атоме описывается четырьмя квантовыми числами: n, l, m (она же m_l), s (она же m_s), которые являются прямым следствием решений уравнения Шредингера (за исключением спина s, который был определен через спектроскопию).

Подробно о получении квантовых чисел напишу в статье о квантах, а пока ограничусь их перечислением.

n - главное квантовое число. Оно принимает целочисленные значения начиная с 1. Оно определяет общую энергию электрона , его энергетический уровень и степень его удаленности от ядра. Чем больше это число, тем дальше от ядра он находится (т.е. его орбиталь его вероятностного расположения большего размера) и тем выше его энергия (т.е. он менее связан с ядром и выше шанс покинуть атом).
Теоретически нет ограничений для основного квантового числа и оно может уходить в бесконечность. Фактически в основном состоянии атома максимальное число n электрона соответствует периоду в таблице Менделеева. На сегодняшний день в таблице заполнено 7 периодов элементов (над созданием элементов из 8го периода ученые трудятся в настоящее время, как я писал выше).

l - орбитальное квантовое число. Определяет форму орбитали электрона. Представляет из себя целочисленные значения от 0 до n-1 (n - это основное квантовое число).

Для n=1 , l=0 форма орбитали имеет сферическую форму , обозначается буквой S.

Для n=2 , l принимает значения 0 и 1. Т.е. сначала электроны заполняют орбиталь S, затем орбиталь P.
Орбиталь P имеет форму гантели.

Поскольку в отличии от орбитали S орбиталь P не полностью симметрична, то её фактическая ориентация в пространстве опрелеляется третьим квантовым числом m (m_l)

m (m_l) - магнитное квантовое число определяет ориентацию орбитали в пространстве. m может принимать значения -1...0...1.
Для орбитали формы S значение m может быть только 0 поскольку S имеет сферическую форму и не может изменить пространственную ориентацию. Для орбитали формы P допустимы три значения -1. 0. 1.

По идее еще на рисунки следует добавить плюсы и минусы, обозначающие фазы волновой функции электрона, но это превратит и без того усложнившуюся статью в совсем непроходимый лес. Поэтому я сейчас пройдусь кратко по остальным формам орбиталей, чтобы у вас сложились визуальные образы и растаяла иллюзия аналогии атома с солнечной системой, и двинемся дальше в разбор структуры материи.

Итак, при n=3 добавляется l=2 и новые формы орбиталей, формы D.

Здесь возможные значения магнитного квантового числа m -2 , -1, 0 , 1 , 2. Отсюда пять вариантов ориентации.

Вообще количество возможных ориентаций рассчитывается исходя из последовательности отталкивающейся от орбитального квантового числа l.
-l, -(l-1),... 0 ...,+(l-1), +l
Число возможных значений 2×l+1. Отсюда и число возможных орбиталей 5.

Далее для n=4 добавляется l=3 ,
m -3, -2, -1, 0, 1, 2, 3.
7 вариантов ориентаций орбиталей типа F.

Для n=5 добавляется l=4 и, как вы уже можете сами рассчитать, 9 вариантов (2×4+1) ориентации орбитали типа G.

Надо отметить , теоретического ограничения для количества возможных орбиталей нет. Типы так дальше и обозначаются по буквам алфавита. Но даже тип G крайне редко встречающийся для чрезвычайно возбужденных электронов и сверхтяжелых элементов. А всего человечеству удалось синтезировать элементы до периода 7 (n=7) в периодической таблице Менделеева.

Добавлю вам для развлечения модификации ориентаций орбиталей типа H и перейдем к последнему четвертому квантовому числу электрона.

Итак, мы определились с тремя характеристиками электрона:

Главное квантовое число n, определяющее энергию электрона и его расстояние от ядра. Орбитальное квантовое число l, определяющее орбиталь электрона - область пространства, где вероятность обнаружения электрона превышает 90%
Магнитное квантовое число m (оно же m_l) , определяющее позиционирование орбитали в координатах трехмерного пространства.

Четвертым квантовым числом, характеризующим электрон является s (оно же m_s), определяющее спин электрона.

Что такое спин?
Тема сложная и контринтуитивная, заслуживающая отдельной статьи. Сейчас же ограничимся кратким обзором.

Спин - это собственный момент импульса электрона.

В привычном нам макромире момент импульса - это количество вращательного движения вокруг своей оси. Любое тело может двигаться в пространстве двумя способами: поступательным и вращательным.

Для электрона (и других частиц) не применяется концепция физического вращения. Если даже допустить, что у электрона есть конкретная форма характерного размера и допустить ее вращение, то получится, что он должен вращаться со сверхсветовыми скоростями, что не возможно.
Поэтому постулируется, что у частицы отсутствует вращательное движение в привычном нам понимании, но есть фундаментальная характеристика, ведущая к следствиям аналогичным вращательному движению объекта в макромире. В макромире вращение заряженного объекта приводит к возникновению магнитного поля. У электрона, момент импульса назван собственным моментом импульса, чтобы подчеркнуть специфику отсутствия физического пространственного вращения, и он формирует собственный магнитный момент электрона.

Спин - это неотъемлимая его характеристика, неубывающая и не увеличивающаяся, такая же как заряд электрона или масса.

Спин электрона имеет фиксированное значение 1/2 (редуцированная постоянная Планка, деленная на 2) и может различаться лишь вектором (направлением). Он может быть ориентирован либо вверх, либо вниз, соответственно значения спин может принимать либо 1/2, либо -1/2.
Следует уточнить , что имеются в виду не какие-то абсолютные понятия верха или низа, коих не существует. Имеется ввиду ориентация относительно оси, которую задает измерительный прибор.

Следует отметить, что данный тезис, как и прочие не является чисто теоретическим. Он проверен экспериментально. Например, при пропускании потока электронов через прибор Штерна-Герлаха (это прибор, состоящий из двух магнитов , формирующих неоднородное магнитное поле) электроны всегда отклоняются магнитным полем либо вверх, либо вниз относительно оси прибора.

Все эти значения имеют практические следствия для материи в макромире. Например, наличие спина у электрона, является причиной ферромагнетизма, а формы и расположения орбиталей определяют форму, прочность и реакционную способность химических соединений.

Промежуточные итоги.

Итак, мы разобрались в том, что все многообразие материи сводится к комбинациям небольшого набора базовых элементов, перечисленных в таблице Менделеева.

Сами же атомы элементов, предсталяют собой различные комбинации двух типов частиц: нуклонов, формирующих положительно заряженное ядро атома и электронов, формирующих отрицательно заряженную внешнюю оболочку на базе орбиталей причудливых форм.

На уровне атома осуществляется переход от классических законов макромира к квантовым законам микромира.

В квантовом мире невозможно строить работающие теории на базе классических представлений о движении. Квантовые же теории оперируют очень небольшим ограниченным количеством параметров и вероятностями, которые формируют модели, не имеющие никаких аналогов в макромире, однако позволяющие эффективно объяснять и столь же эффективно предсказывать результаты экспериментов с материей.

Сильное ядерное взаимодействие.

Вернемся к открытым вопросам.

Выше я упоминал о протонно-нейтронной модели ядра. Она объясняла излишки массы в ядрах, но оставалась проблема электромагнитного отталкивания положительно заряженных протонов.

Гейзенберг предложил гипотезу, что нуклоны (протоны и нейтроны) удерживаются вместе засчет обмена зарядом. В качестве такой частицы - переносчика заряда он предложил электрон.

По его версии нуклоны обмениваются электронами. Испуская электрон нуклон становится положительно заряженным протоном (p), поглощая электрон (e) нуклон становится нейтроном (n) без заряда, поскольку поглощенный им отрицательный заряд электрона уравновешивает его положительный заряд.

(n⁰) - (е^-) 》(p⁺) + (е^-) 》(n⁰)

В этом непрерывном обмене электронами протоны и нейтроны превращаются постоянно друг в друга и удерживаются вместе, образуя ядро атома.

Однако эта гипотеза вскоре столкнулась с противоречиями.

В 1940г. Паули доказал теорему о связи спина со статистикой.
Если кратко, суть в том, что частицы с полуцелыми спинами (1/2, 3/2, 5/2...) не могут находиться в идентичных квантовых состояниях, а частицы с целыми спинами (1, 2, 3...) могут.

Теорема Паули - это фундаментальная теорема, ставшая одним из ключевых разграничений между частицами материи (фермионами), такими как электроны, нуклоны и частицами - переносчиками взаимодействия (бозонами), такими как фотоны. Но об этом позже.

Объем ядер чрезвычайно мал, и согласно "запрета Паули" следующего из его теоремы, электроны, обладающие полуцелыми спинами, упакованные в столь малом объеме должны были занимать все более высокие энергетические уровни, чтобы быть не в одинаковых квантовых состояниях.
Теоретически это приводило к огромным значениям энегии (Е) в ядре, но экспериментальные данные давали гораздо более низкие значения энергий.

Противоречила гипотеза и спиновым значениям некоторых ядер.

Например, ядро дейтерия, именуемое дейтрон согласно экспериментов имело целый спин 1.
Однако, если принять гипотезу Гейзенберга об обмене электронами, то спин дейтрона, состоящего из двух нуклонов и одного электрона, должен быть полуцелым:
1/2+1/2+1/2=3/2
или
1/2-1/2+1/2=1/2
в зависимости от ориентации спина.

Количество расщеплений определяется простой формулой n=2J+1, где n - количество расщеплений, J - спин частицы.

Как появилась эта формула?

Из особенностей квантования момента импульса в микромире. Об этом, я вскользь упоминал выше.
Повторюсь.
Если в нашем мире объект может вращаться как угодно и с разными скоростями и соответственно момент импульса может быть направлен в любую сторону, то в квантовом мире частицы ограничены только несколькими конкретными дискретными значениями спина и направлениями (векторами).

При экспериментах с дейтроном пучек расщепляется на три направления. Подставим значение в формулу.
3=2J+1
J=3/3=1
Согласно же гипотезы Гейзенберга об участии электронов в ядерном взаимодействии электронов спин дейтрона получался иным - полуцелым: два нуклона, каждый по 1/2 и электрон 1/2.

Требовался иной кандидат в качестве переносчика взаимодействия внутри ядра атома.

Мезоны.

Кандидата предложил японский физик Юкава.

Он предложил не ограничиваться имеющимися данными о частицах, а допустить, что подобно квантам электромагнитного поля - фотонам, которые являются переносчиками электромагнитного взаимодействия, могут существовать и другие аналогичные частицы, являющиеся переносчиками сильного ядерного взаимодействия

Тут имелась проблема. Электромагнитное взаимодействие дальнодействующее, а сила ядерного притяжения должна действовать лишь на очень малых расстояниях. Я уже говорил об этом, но не объяснял почему.
Это следует из наблюдаемых фактов самого существования атомов.

Назовем "А" - количество нуклонов в ядре. Если бы энергия связи между нуклонами была дальнодействующей, то она росла бы как А², потому что каждый нуклон притягивался бы к каждому другому нуклону в ядре. И чем больше ядра, тем они были бы устойчивей и не разрушимей. Но в реальности мы этого не наблюдаем. Энергия связи растет в ядре не как А², а как А. Более того, с увеличением количества нуклонов ядра сверхтяжелых элементов вообще могут распадаться - радиоактивность.

Значит сила ядерного притяжения действует только на экстремально малых расстояниях, только между соседними нуклонами и не притягивает те, что расположены за ними. А когда нуклонов становится достаточно много, то дальнодействующая сила электромагнитного отталкивания (кулоновский барьер) начинает преобладать над мощной , но короткодействующей силой ядерного притяжения.

Итак, сила ядерного притяжения явно является короткодействующей, но в то же время известные на тот момент времени типы взаимодействий (электромагнитное и гравитационное) были дальнодействующими. Они убывали с расстоянием, но никогда не сводились к нулю.

Как же может вознинуть сила, действующая только на малых расстояниях, таких , чтобы во взаимодействие вступали только соседние друг с другом протоны и нейтроны в ядре?

Тут снова следует обратиться к принципу неопределенности Гейзенберга, о котором я обещал подробно рассказать в отдельной статье.

Прямым следствием соотношения энергии и времени у Гейзенберга сопряженного с всем известным уравнением Эйнштейна Е=mc² являлось то, что чем больше масса виртуальной частицы, тем короче период ее существования.

Дабы не усложнять эту разбухшую до неприличия статью, скажу, что виртуальными частицами мы назовем частицы- переносчики фундаментального взаимодействия, такие как, например, фотоны для электромагнитного поля. Для заинтересованных ниже будет более детальная вставка о виртуальных частицах.

Виртуальныем фотоны не имеют массы, соответственно могут существовать бесконечно долго и распространяться на бесконечно далекие расстояния.

Юкава предположил, что могут существовать виртуальные частицы подобные фотонам, но имеющие массу, что сокращает срок их жизни и расстояния, на которые они могут распространяться.

Исходя из того, что они должны успевать распространяться только между соседними нуклонами в ядре, Юкава теоретически рассчитал предполагаемую массу таких частиц-переносчиков. Получилось что-то среднее между массами нуклонов и массами электронов (рассчетная масса мезона по Юкаве примерно 200 масс электронов). Поэтому эти частицы назвали мезонами ("мезон" в переводе с древнегреческого означает "средний").

Чуть более 10 лет спустя (в 1947 году) пи-мезоны были экспериментально обнаружены. Они действительно обладали массой, которая составляла 270 масс электрона.

Почему пи-мезоны, а не просто мезоны?
Дело в том, что со временем выяснилось, что существует несколько типов мезонов. Но за сильное ядерное притяжение протонов и нейтронов в ядре отвечают именно пи-мезоны (еще их называют пионы).

Радиактивность - слабое ядерное взаимодействие

Кроме проблемы математического описания электронов, проблемы стабильности положительно заряженных ядер атомов, о решении которых я писал выше, существовала еще одна проблема, требующая объяснения - радиоактивность.

В конце 19 века Беккерель обнаружил, что уран испускает собственное излучение, никак не связанное с солнечным светом, невидимое глазу, но обладающее большой проникающей способностью. Оно проникало сквозь непрозрачные материалы и засвечивало фотопластины. Это явление окрестили радиактивностью.

Изучая радиактивность супруги Кюри обнаружили два новых элемента, пополнивших таблицу Менделеева (полоний и радий). Также они обнаружили, что радиоактивность никак не зависит от химических состояний вещества и является результатом каких-то процессов , происходящих внутри атома.

Спустя пару лет Резерфорд и Пауль установили, что радиоактивное излучение складывается из нескольких разных видов излучения.

Альфа-излучение - это поток положительно заряженных ионов (ими оказались ядра гелия ⁴He, состоящие из двух протонов и двух нейтронов)

Бета-излучение - это поток отрицательно заряженных электронов.

Гамма-излучение - это поток жестких фотонов с очень высокой частотой и малой длиной волны.

Итак, исходя из характеристик излучения стало понятно, что в атомах сверхтяжелых элементов происходят некие внутренние процессы, приводящие к распаду ядер атомов с сопутствующим излучением.

Ученым удалось установить, что этот процесс распада сверхтяжелых элементов не зависит ни от температуры, ни от воздействия щелочей или кислот, или от каких-либо других внешних обстоятельств. Более того, выяснилось, что самопроизвольный распад ядер проходит по экспоненте. Из этой закономерности вывели понятие полураспада.

Суть закона полураспада.

Несмотря на то, что нельзя точно предсказать в какой именно момент времени произойдет самопроизвольный распад ядра отдельно взятого атома, можно точно рассчитать через какой промежуток времени распадется половина ядер таких атомов в веществе.

Это свойство ядерного распада активно используется в методиках датировок различных материалов, при условии наличия в веществе атомов, подверженных распаду.

Итак, ученые подробно разобрались в том, что именно происходит при радиактивном распаде, но для полноты понимания следовало разработать работающие модели механики этого процесса.

Слабое ядерное взаимодействие.

Сама суть распада ядра заключается в том, что квантовая система стремится к состоянию максимальной стабильности. Есть такой фундаментальный физический принцип, именуемый "принципом минимальной потенциальной энергии" (на языке квантовой механики это называется стремлением к основному состоянию). Любая квантовая система стремится избавиться от избытка энергии, чтобы занять наиболее устойчивое положение.
Одним из проявлений этого принципа является ядерный распад, когда высокоэнергетические ядра атомов исторгают излишки энергии через излучение и переходят в низкоэнергетическое стабильное состояние.

С альфа-распадом все оказалось достаточно просто. Суть процесса заключается в соотношении сильного ядерного притяжения нуклонов (вспоминаем все , что выше написано про сильное ядерное притяжение и мезоны) и электромагнитного отталкивания (кулоновский барьер) частиц с одинаковым зарядом.

Форма альфа-частиц в виде четырех связанных нуклонов, представляет собой максимально сильную комбинацию частиц, где притяжение распространяется только на соседние частицы.

В крупных ядрах совокупная дальнодействующая сила электромагнитного отталкивания протонов начинает преобладать над силой нуклонной связи и из ядра исторгаются кластеры 2протона+2нейтрона. Присходит это за счет эффекта квантового туннелирования. О квантовом тунелировании расскажу подробней в статье о квантах.

Разобраться в ситуации с бета-распадом оказалось гораздо сложнее.

Во-первых, согласно закона сохранения энергии и закона сохранения импульса, электроны, излучаемые ядром, должны были уносить в себе конкретные объемы энергии. Однако эксперименты показывали , что электроны несут в себе совершенно разные значения энергий и итоговая сумма энергии оставшегося ядра и энергии электронов не совпадает с энергией изначального ядра.

Вариант решения этого парадокса предложил Паули в 1930г.
Он предложил допустить, что в результате бета-распада излучаются не только электроны, но еще и другие гипотетические, доселе неизвестные частицы.

Эти частицы по гипотезе Паули не имеют электрического заряда, чрезвычайно малы и маломассивны.
Именно они уносили с собой недостающую часть энергии. Если же сложить значения электрона и этой гипотетической частицы, то закон сохранения энергии, импульса и момента импульса будет соблюдаться.

Ученые окрестили их "частицы-призраки", ну а по научному они были названы нейтрино.

А в 1956г. нейтрино были впервые экспериментально обнаружены.

Это действительно частицы-призраки. Огромные их потоки пронизывают пространство почти не взаимодействуя с материей. Рассчетно несколько миллиардов нейтрино ежесекундно пролетают через наши тела. Для их детектирования и исследования сегодня сооружаются огромные подземные уловители, самый крупный из которых Juno, расположен в Китае на грубине 700м под землей

Но вернемся к теме бета-распада.

Спустя 4 года Энрико Ферми создал математическую теорию, которая описала процесс бета-распада как превращение нейтрона в протон, электрон и антинейтрино (античастица нейтрино), либо распад протона на нейтрон, позитрон (античастица электрона) и нейтрино.

Итак, Ферми разработал точечную теорию бета-распада. Точечная означает, что все события происходят единомоментно в одной точке (к примеру взаимодействие протона, нейтрона , электрона, антинейтрино).

Теория отлично работала и объясняла наблюдаемые экспериментальные данные. Но только при низких энергиях. При высоких энергиях математически получалось из формул Ферми, что вероятность распада превышает 100%, что являлось абсурдом.

Вот формула зависимости сечения взаимодействия нейтрино с веществом по Ферми (сечением в физике называется вероятность процесса):

Из формулы следует, что вероятность процесса пропорциональна квадрату энергии столкновения (Е). При низких энергиях проблем не возникает. Но при высоких вероятность начинает превышать 1 (100%) , что нарушает принцип унитарности (принцип гласит, что вероятность какого-либо события не может превышать 100%). Энергетический предел , за которым вероятности уходили выше возможного максимума составлял порядка 300ГэВ.

Также возникала проблема перенормируемости (о перенормируемости в физике напишу отдельно, не будем превращать эту статью в неподъемную).

Такое противоречие , когда теория дает верные результаты только некоторых частных случаях, а в других выдает бессмыслицу, говорит о том, что это лишь приближение, она не может являться фундаментальной и требует доработки.

Проблема вероятностей была решена отказом от идеи прямого точечного взаимодействия частиц при бета-распаде и введением массивных частиц-переносчиков этого типа взаимодействия превращения одних частиц в другие ( W-бозонов и Z-бозонов), подобно фотонам - переносчикам электромагнитного взаимодействия.

В итоге точечный процесс прямого преобразования нейтронов, протонов, электронов и нейтрино, превратился в процесс продолженный во времени и пространставе, где нуклон выпускает массивную частицу - переносчик слабого взаимодействия (протон выпускает W⁺ бозон, нейтрон выпускает W^-бозон), которая в свою очередь распадается на электрон и антинейтрино или позитрон и нейтрино в зависимости от знака W бозона.

Математические противоречия были сняты, а в 1983г. W бозоны и Z бозоны были детектированы экспериментально.

Р-симметрия (принцип четности) и его нарушение в слабом ядерном взаимодействии.

В физике существует такое понятие как P-симметрии (принцип четности)
Этот принцип подразумевает, что природа не различает "право" и "лево".
Математически четность - это смена знака пространственных координат.
(x, y, z) -> (-x, -y, -z)

События эквивалентны вне зависимости от направления. Хорошим примером будут пиратские фильмы) часто пираты переворачивают изображение справа налево (отражают видео зеркально), чтобы алгоритмы его не распознали. Но для людей это вообще не заметно, пока в кадре не появляются надписи задом наперед).

В общем события, допустимые в определенных координатах пространства, также допустимы и при смене координат на противоположные. Координаты (x, y, z) эквивалентентны для события координатам (-x, -y, -z).

Принцип симметрии также подразумевает, что вероятность события и вероятность его зеркального отражения одинаковы.

Подтверждение этого принципа Р-симметрии (еще его называют принципом четности) мы наблюдаем в нашем макромире. Кинете вы камень в одну сторону или в другую неважно. Крутится мяч по часовой стрелке или против неважно, физические законы работают одинаково.

Этот принцип проверяли на предметах и на планетах. Всегда работал. Ученые проверяли соблюдение принципа симметрии и в законах механики Ньютона и в электромагнитных взаимодействиях и в сильных ядерных. Принцип всегда работал и в макромире и в квантовом. В итоге, хоть это и была просто гипотеза, но она стала восприниматься как фундаментальный и нерушимый принцип Вселенной.

В квантовой механике было введено еще дополнительное понятие "внутренняя четность". Оно показывает, как волновая функция частицы меняется при зеркальном отражении.
После применения оператора четности P состояние частицы может перейти в себя же, но с множителем: +1 или -1.

И все шло хорошо, но вдруг в середине 20 века в процессе выявления странных частиц (о них речь пойдет ниже в разделе про "зоопаок частиц") возникла проблема именуемая "тау-тета загадкой", связанная с распадом двух частиц. Так вот, существали две странные частицы, называемые в те времена тау-мезон и тета-мезон. Они были во всем одинаковы (масса, время жизни, заряд, способ рождения) и вроде бы их не стоило считать разными. По всем признакам это одна и та же частица. Но вот распадались они по разному: тау-мезон распадался на три пи-мезона, а тета-мезон на два пи-мезона.
И при подсчете внутренней четности итоговых пионов четности не совпадали.

Раз не совпадают четности, значит источником являются разные частицы. Ведь если в зеркале отражение одного человека подняло правую руку , а отражение другого левую, значит это отражения разных людей. С другой стороны оба человека абсолютно идентичны, вплоть до мельчайших деталей, днк, и каждой клетки. Как же они могут быть разными? Понимаю , что аналогия не совсем корректна , но передает суть растерянности научного сообщества перед проблемой.

И вот в 1956г два китайских физика Ли и Ян задались вопросом: а вообще кто-нибудь проверял соблюдение принципа четности в слабых взаимодействиях?
И оказалось, что никому и в голову не пришло, все посчитали само собой разумеющимся, что принцип четности будет соблюдаться. Тогда они предложили авангардную идею о том, что в слабых взаимодействиях не соблюдается принцип четности.

Годом спустя другой китайский физик Ву придумала как экспериментально проверить их гипотезу и их предположение подтвердилось. В слабом взаимодействии нарушается принцип четности, этот тип взаимодействия различал право и лево.

В чем заключался эксперимент?

Радиоактивный кобальт ⁶⁰Со охладили почти до абсолютного нуля и поместили в магнитное поле, что выстроило спины ядер всех атомов в одном направлении.
Согласно принципа симметрии при распаде электроны должны были вылетать с одинаковой вероятностью
как в направлении спина ядер, так и в противоположном направлении. Но электроны "предпочли" одно направление - противоположное спину.

Получалось, что электроны и нейтрино в процессе бета-распада хиральны (чувствительны к направлению). В процессах слабого ядерного взаимодействия учавствуют только левонаправленные частицы и правонаправленные античастицы. Электроны и нейтрино при распаде левохиральны (левонаправлены), а позитроны и антинейтрино правохиральны.

Проблему нарушения P-симметрии (принципа четности) разрешили, разработав V-A теорию. Если кратко, то согласно ей W бозоны взаимодействуют только с левыми фермионами, а правые просто игнорируют.

Что значит V-A?

Это векторный ток и аксиальный ток.
Ток по сути это процесс переноса заряда. Тут конечно много тонкостей и этому стоит посвятитт также отдельную статью. Попробую кратко набросать. Если, например, мы возьмем виртуальные фотоны и электромагнитное поле , то они сами не имеют не только массы, но и заряда. Они передают взаимодействие. Можно образно сказать, что фотоны сообщают носителям заряда где находятся другие носители заряда и каким образом носителям следует двигаться с учетом положения и движения других носителей заряда. То есть фотоны не меняют сам тип частицы, а только ее поведение.

В слабом взаимодействии несколько иная ситуация. W бозоны сами являются носителями электрического заряда и изоспина и соответственно при взаимодействии вносят свой вклад в перераспределение заряда, а значит приводят к изменению частиц, но главное, что они переносят изоспин (слабый заряд).

Изоспин не очень то удачное название, как и многие другие названия в физике. Он не имеет отношения к вращательным свойствам самой частицы как собственно сам спин. Изоспин относится к такому явлению как SU(2) симметрия, где частицы образуют дуплеты и расматриваются не как самостоятельные частицы, а как части единой двухчастичной системы. И смена изоспина это обмен их местами в дуплете.
В общем, это все надо писать в отдельной статье, а пока вернемся к теме нарушения четности.

Суть заключается в том, что электромагнитное взаимодействие это чисто векторный ток. Аксиальная (спиновая) часть не учитывается. Виртуальные фотоны просто переносят взаимодействия по каким-то направлениям для всех имеющих заряд частиц.
А вот W бозоны переносят и заряд и изоспин , как я писал выше, но не ко всем частицам с зарядом и изоспином, а только к левохиральным фермионам. Это и отражено в виде добавления к векторному току аксиальной компоненты (-А). Если бы W бозоны взаимодействовали только с правохиральными фермионами , то теория бы называлась V+A.
И вот в этом заключается суть нарушения принципа четности для слабых взаимодействий.

Следует отметить, что физика не знает почему симметрия нарушается. Физика фиксирует этот факт, разработала теорию, объясняющую суть происходящих процессов и имеющую совершенную предсказательную точность, но причины этого свойства Вселенной физикам не известны.
Это как если бы во Вселенной были возможны только леворезьбовые винты. Можно экспериментально зафиксировать этот факт, можно определить массы, свойства кручения и иные характеристики этих винтов, но не иметь ни малейшего представления почему во Вселенной только леворезьбовые винты.

Это одна из еще не решенных загадок мироздания.

Возможно именно это свойство материи привело к преобладанию вещества над антивеществом в ранней Вселенной. Также есть гипотеза о том, что хиральность на фундаментальном уровне материи связана с биологической хиральностью, где все аминокислоты в живой материи левоориентированы, а сахара наоборт правоориентированы.

Этой теме нарушения симметрии и существующим гипотезам стоит посвятить отдельную статью, а пока вернемся к нашей теме.

Странные частицы.

К середине 20 века казалось бы сложилась устойчивая и понятная картина устройства материи.

Атомы состоят из нуклонов (протоны и нейтроны) и электронов, связанных электромагнитным взаимодействием, реализуемым через фотоны.
Протоны и нейтроны удерживаются вместе в ядре атома сильным ядерным взаимодействием , реализуемым через пи-мезоны (пионы). Каждой частице соответствует античастица, некоторые из которых не только рассчитаны теоретически, но и обнаружены экспериментально.

Тишь да благодать в квантовой физике.

Но развитие технологий в сердине 20 века, а именно, изучение космических лучей и создание ускорителя частиц подкинули неожиданных проблем.

Изначальная идея экспериментов на адронном коллайдере заключается в разгоне и столкновении протонов или тяжелых ионов почти до скорости света для воссоздания условий, которые были в первые мгновения жизни Вселенной, и проверки фундаментальных теорий физики.

Но в процессе экспериментов ученые столкнулись с тем, что позже было названо зоопарком частиц.
Вернее вопрос начал назревать еще раньше - в процессе изучения космических лучей.

1947г было опубликовано исследование об обнаружении следов распада на два пиона некой частицы с нейтральным зарядом и массой примерно в 1000 раз тяжелее электрона. Ее окрестили V-частицей.

Через два года в космических лучах обнаружили аналогичную по массе частицу, но распавшуюся уже не на два, а на три пиона. Потом были обнаружены аналогичные частицы с отрицательными и положительными зарядами. Позже их назовут каонами, а пока ограничимся названием V-частица.

Еще через пару лет обнаружили частицу даже тяжелее нуклонов (протонов и нейтронов), распадающуюся на пион и протон.
Ее окрестили Λ-частицей.

С запуском первого ускорителя частиц в 1953г. эти странные частицы, не вписывающиеся в существующую модель, стали получать сотнями.

Почему странные?

Во-первых, они рождались только парами. Во-вторых, срок их жизни был гораздо дольше теоретически предполагаемого (по теории тех лет они должны были распадаться почти мгновенно).

Дело в том , что эти странные частицы (V-частицы и Λ-частицы) рождались из столкновения частиц - участников сильного ядерного взаимодействия: протонов, нейтронов, ионов (напоминаю , что ионы это ядра атомов, лишенные электронных оболочек, т.е. по сути комбинации тех же протонов и нейтронов).
Распадались эти необычные странные частицы, также на частицы - участники сильного ядерного взаимодействия: пионы и протоны.

Ученые логично полагали, что рождение и распад этих странных новых частиц это некий процесс, происходящий в рамках сильного ядерного взаимодействия.

Но (надеюсь вы помните из вышенаписанного -см. часть про мезоны) сильное ядерное взаимодействие очень короткодействующее, распространяется только на соседние протоны и нейтроны в ядре. Время сильного ядерного взаимодеймтвия по расчетам тех лет определялось отношением размера нуклона к скорости света и составляло 10^-23 секунды.
Но эти новые странные частицы жили гораздо дольше, дольше в 10 тысяч раз
(10^-10 , 10^-13 секунды).

Напрашивался вывод, что эти частицы, рожденные сильным ядерным взаимодействием распадались через слабое ядерное взаимодействие, где рассчетное время распада было гораздо больше.

Для объяснения этого процесса физик Гелл-Манн предложил допустить существование у этих странных частиц некоего квантового свойства, доселе неизвестного.
Не долго думая, он окрестил это свойство "странностью".

Уже известным частицам - участникам сильного взаимодействия (протонам, нейтронам и пионам - вместе всю эту группу частиц физики окрестили адронами) Гелл-Манн предложил присвоить значение квантового числа странности равное 0, а промежуточным частицам (V-частицы и Λ-частицы) значения странности 1 и -1.

Почему возникла необходимость введения этих квантовых числел?

Итак, "странность".

Как я уже писал выше экспериментальные данные с ускорителей явно давали понять, что V-частицы и Λ-частицы , рожденные в сильном взаимодействии, распадались в слабом.

Должен существовать некий фундаментальный запрет, который не позволяет развитие событий , начавщееся одним образов тем же образом его продолжить.

Гелл-Манн решил обратиться к одному из важнейших фундаментальных ограничений - закону сохранения.

Если ограничиться имеющимися квантовыми числами, ничто не мешает протонам, нейтронам трансформироваться в странные частицы в сильном ядерном взаимодействии, а им в свою очередь распадаться в нем же.

Что сделал Гелл-Манн?

Он предложил допустить существование некоего квантового свойства частиц, которое должно сохраняться в сильном ядерном взаимодействии, но может меняться в слабом. Что это за свойство непонятно , но назвать как-то надо. Он назвал его "станностью".

Странность уже известных адронов (протонов, нейтронов и пионов) равна 0.
Странность V-частиц и Λ-частицы равна 1 и -1.

Напоминаю, что по результатам экспериментов в столкновениях протонов и нейтронов эти странные частицы всегда рождались парами.

На самом деле есть варианты непарного рождения этих частиц, но об этом тогда еще не знали.

Если это квантовое свойство - "странность" сохраняется в сильных взаимодействиях и изменяется в слабых, тогда все сходится:

сильное взаимодействие
Рождение V(+1) и Λ(-1) из протона (0) и пиона (0).

(+1)+(-1)=(0)+(0)

Сохранение квантового числа работает. Рождение через сильное взаимодействие возможно.

Сильное взаимодействие.
Распад Λ (-1) на протон(0) и пион(0)
не работает, поскольку -1 не равно 0.

Среди уже известных квантовых чисел не было чисел со свойствами сохранения в сильном взаимодействии и изменения в слабом. Поэтому Гелл-Манн предложил ввести такое гипотетическое квантовое число, сохраняющееся в сильных взаимодействиях и изменяющееся в слабых. Оно бы не позволяло распадаться странным частицам в сильном взаимодействии и направляло бы процесс распада через слабое. Это бы объясняло наблюдаемые временные значения распада в ускорителях.

Позже характеристика "странности" будет сопоставлена с одним из типов кварков , которые так и будут названы "странные кварки".
Ниже мы еще поговорим о кварках , а пока вернемся к другим сюрпризам, подкинутым физикам ускорителем частиц.

Зоопарк частиц.

В квантовой физике к моменту начала работы ускорителя уже существовала некоторая систематизация.

Все известные частицы делились по спину на две группы:

фермионы с полуцелым спином (протоны, нейтроны, электроны, мюоны, нейтрино и их античастицы)
и
бозоны с целым спином (фотоны, пионы)

Также была сформирована группа частиц участников сильного ядерного взаимодействия - адроны (в нее входили как фермионы в виде протонов и нейтронов, формирующие ядра атомов, так и бозоны в виде пионов - переносчиков сильного взаимодействия).

Можно сказать что фермионы - это частицы, из которых складывается материя, а бозоны это частицы - переносчики разного типа взаимодействий.

Но менее чем за 10 первых лет на ускорителе было получено множество новых различных частиц, рожденных из энергии столкновений уже знакомых физикам частиц.

Были обнаружены частицы в 1,3 раза тяжелее протонов. Положительные, нейтральные и отрицательные.
Положительные распадались на протон и нейтральный пион, либо на нейтрон и положительный пион с вероятностью примерно 50/50.
Нейтральные распадались на Λ-частицу и фотон. Отрицательные распадались на нейтрон и отрицательный пион.
Их назвали сигма-гиперонами.

Были обнаружены частицы в 2,5-3 раза тяжелее протонов, отрицательные и нейтральные.
Отрицательно заряженные распадались на Λ-частицу и отрицательный пион. Нейтральные
распадались на Λ-частицу и нейтральный пион. Их назвали кси-гиперонами.

В дополнение к V-частице обнаружили аналогичные ей с положительными и отрицательными зарядами. Распадались они десятками разных вариантов. Весь ассортимент этих частиц назвали к-мезонами (каонами).

Нейтральные каоны и антикаоны распадались в основном либо на нейтральные пионы, либо на пары положительного и отрицательного пиона.
Положительные распадались на положительные и нейтральные пионы, иногда на положительный антимюон и нейтрино.
Отрицательные распадались на отрицательные и нейтральные пионы, либо на отрицательный мюон и нейтрино.

Все это бессистемное многообразие новых частиц и их взамодействий, выходящее за рамки простых существующих моделей было названо "зоопарком частиц".

Зоопарк требовал осмысления.

Осмысление началось с его систематизации.

Легкие частицы, близкие к массе электрона объединили в общую группу лептонов (в переводе с др.греческого - легкие). В нее вошли электрон, нейтрино, мюон - частица схожая с электроном , но тяжелее него в 200 раз.
Также в эту группу включили их античастицы - позитрон, антинейтрино и антимюон.

Вторую группу образовали из протонов, нейтронов и частиц тяжелее них (такие частицы тяжелее нуклонов называли гиперонами). Группу назвали барионами ( в переводе с др.греческого - тяжелый). В нее вошли протоны, нейтроны и различные гипероны (лямбда, сигма, кси)

Третья группа расположилась между этими двумя по массе. Название мезоны (в переводе с др.греческого - средний) уже существовало, им решили и назвать всю группу. В нее вошли пионы, каоны и эта-мезоны.

Барионы и мезоны вместе складывались в группу адронов (частиц - участников сильного ядерного взаимодействия)

Фотон как не имеющий массы вообще не включили никуда и он остался в сторонке отдельной частицей.

Сгрупировать сгрупировали, но это не сильно приблизило ученых к пониманию причин такого разнообразия частиц.

Если лептонная группа выглядела вполне прилично (три поколения легких частиц различающихся массами), то адронная представляла из себя жуткое сборище. Требовался новый подход к осмыслению этой группы.

И он нашелся. Гелл-Ман предложил систематизацию адронов в виде концепции "восьмеричного пути". Название взято в честь буддистского восьмеричного пути духовного развития.
Да, физики бывают романтиками.

Восьмеричный путь.

Суть идеи заключалась в совершенно новом взгляде на группу адронов. Все множество барионов и мезонов , обнаруженых в экспериментах очевидным образом распадалось на несколько групп родственных частиц со схожими характеристиками.

Октет мезонов. (от лат. Окто - восемь)

Три пиона.
Легкие.
Положительный, отрицательный, нейтральный.
Странность S=0

Четыре каона.
Тяжелые.
Положительный каон, нейтральный каон со странностью S=+1 и их античастицы - отрицательный каон, нейтральный антикаон со странностью S=-1.

Эта-мезон.
Полностью нейтральная частица. Заряды отсутствуют. Странность S=0.

Вот как это выглядит.

Как видите, члены группы октета мезонов имеют внутреннюю группировку: горизонтальные группы по значению странности (S) и диагональные по значению заряда (q)

Октет барионов.

Два нуклона (протон и нейтрон)
положительный и нейтральный.
Странность S=0

Три сигма-гиперона
положительный, отрицательный и нейтральный
Странность S=-1

Два кси-гиперона
отрицательный и нейтральный
Странность S=-2

Лямбда-гиперон (то, что выше я именовал Λ-частицей)
Нейтральный.
Странность S=-1

Как видите, здесь внутри октета есть такие же подгруппы: горизонтальные по значению странности (S) и диагональные по значению заряда (q)

Декуплет барионов (от лат. Децем - десять)

Но еще в зоопарке обнаруживались барионы, аналогичные тем, что составляют октет, но в возбужденном высокоэнергетическом состоянии. Их назвали резонансами.
Они на 30% тяжелее обычных. Кроме этого у них спин не 1/2 как у обычных барионов, а 3/2.

Главной особенностью этих частиц являлось то, что при распаде у них сохранялись и заряды и странности , а значит распад происходил очень быстро через сильное взаимодействие, в отличии от обычных барионов.

Резонансы сгрупировали в отдельный декуплет.

Получился не шестиугольник , а треугольник из 10 частиц.

Четыре дельта-резонанса.
Это частицы образующиеся из протонов и нейтронов.

Отрицательный дельта-резонанс образовывался из взаимодействия нейтрона и отрицательтного пиона.

Нейтрон + положительный пион или протон + нейтральный пион рождают положительный дельта-резонанс.

Протон + положительный пион рождают дельта-резонанс с двойным положительным зарядом.

Протон и отрицательный пион рождают нейтральный дельта-резонанс.

Распад дельта-резонансов идет по тем же каналам, что и выше описанное образование. Они распадаются на те же частицы, из столкновения которых образовались. Странность S=0 сохраняется во всех трансформациях, а значит распаду нет необходимости менять канал и распадаются дельта-резонансы через сильное взаимодействие. Это совпадает с экспериментальными данными. Распад дельта-резонансов происходит за 10^-23 секунды.

Три сигма-резонанса.
Положительный, нейтральный и отрицательный.
Странность S=-1.

Чтоб не перечислять все опишем на примере образования и распада положительного сигма-резонанса.

При столкновении протона с отрицательтным каоном образуется положительный сигма-резонанс и отрицательный пион.

Заряды сохраняются
{-каон (q=-1)} + {протон (q=+1)} 》
{+сигма-резонанс (q=+1)} + {-пион(q=-1)}

Странность сохраняется
{-каон (S=-1)} + {протон (S=0} 》
{+сигма-резонанс (S=-1)} + {-пион(S=0)}

Распад +сигма-резонанса.

{+сигма-резонанс q=+1, S=-1} 》{лямбда-гиперон q=0, S=-1} + {+пион q=+1, S=0}

И заряд и странность сохраняются. Распад через сильное взаимодействие. Это совпадает с экспериментальными данными. Распад сигма-резонансов происходит за 10^-23 секунды.

Два кси-резонанса.
Отрицательный и нейтральный.
Странность S=-2.

Один омега-гиперон.
Особенность этой частицы в том, что на момент формирования теории восьмеричного пути такой частицы экспериментально не обнаруживали.

Гелл-Манн предсказал ее существование как вершину треугольника и, исходя из принципов симметрии , лежащих в основе группировки, рассчитал её массу заряд и странность.

Спустя несколько лет в 1964г. эта частица была обнаружена экспериментально, что стало триумфом теории систематизации восьмеричного пути.

Кварки.

Полученные симметрии частиц наводили на мысль о том, что эта симметрия может быть вызвана тем, что эти частицы подобно элементам в таблице Менделеева, состоят из комбинаций более фундаментальных частиц.

Математически формирование таких симметрий могло образоваться из трехкомпонентных комбинаций.

Такие математические закономерности, выявленные при систематизации зоопарка частиц очевидным образом приводили к мысли о том, что эти частицы не являются фундаментальными, а состоят из комбинаций каких-то трех фундаментальных частиц.

В 1964г. Гелл-Манн опубликовал статью "Схематическая модель барионов и мезонов", в которой озвучил, что вся наблюдаемая симметрия бозонов и мезонов (в физике она называется симметрия SU(3)), допускает, что они образуются из комбинации трех частиц-фермионов с дробными значениями зарядов: 2/3, -1/3, -1/3.

Дробные значения заряда, с одной стороны звучали очень странно, но с другой стороны математика диктовала именно такие выводы.

Отдельно в статье о квантах, я опишу на примере волновой функции протона каким образом вышеописанный тензор дает соотношения различных его характеристик с характеристиками составляющих его частиц.

Сейчас лишь скажу, что рассчет в соответствии с его моделью, например, отношения магнитного момента нейтрона и протона дал показатель -0,666.
При лабораторном измерении получилось значение -0,685.

Сверка его модели с экспериментами показывала очень точные совпадения значений, и позволяла делать эффективные прогностические рассчеты. Поэтому кварковая модель была принята научным сообществом.

Как я уже сказал, Гелл-Ман назвал эти частицы кварками, присвоив им значения u, d , s.

u - верхний кварк
d - нижний кварк
s - странный кварк

По его схеме все известные барионы образовывались из комбинаций трех кварков, а мезоны из комбинацией кварк-антикварк.

Занятно, что кварки могли называться и иначе.
Параллельно с Гелл-Манном другой физик Цвейк предложил аналогичную схему, только в его схеме эти частицы именовались тузами.

Но исторически закрепилось название кварки.

Идея не сразу прижилась. Концепция существования частиц с дробным зарядом казалась многим ахинеей и ничего подобного не наблюдалось экспериментально.

Кроме этого существовали и более фундаментальные возражения. В частности уже упоминавшийся мной ранее "запрет Паули" (недопустимость одинаковых квантовых состояний для фермионов).
Ведь тензорные комбинации подразумевали нахождение пар частиц одного типа в ограниченном пространстве барионной частицы.
Например кварковый состав протона uud, а нейтрона udd.

Такое соседство возможно при наличии у этих частиц наличия дополнительных квантовых характеристик (квантовых чисел), которыми бы эти частицы отличались.

Российские физики предложили обозначить эти дополнительные квантовые характеристики цветами по аналогии с цветовой палитрой RGB (red, green, blue), где все цвета палитры образуются через смешение трех основных цветов.
Их античастицы - антикварки, соответственно имеют противоположные цветовые заряды: анти-красный , анти-синий и анти-зеленый.

Буквенные обозначения зарядов:
r, g, b.

Для анти-зарядов добавляется черта над буквой, но у меня в клавиатуре нет такого знака и я буду использовать минус "-".
Позже этот раздел квантовой физики назовут квантовой хромодинамикой (КХД).

Такая градация вовсе не означает , что частицы имеют какие-то цвета. Просто нужно было выбрать какую-то систему кодировки различных квантовых состояний кварков, выбрали такую, подобно как когда-то выбрали символы "+" и "-" для обозночения разных состояний электрического заряда.

Почему именно три цветовых заряда?

Таково минимальное математические решение необходимых квантовых состояний для объяснения структуры барионов.

Исходя из имеющейся модели (см. выше часть о тензоре декуплета) ++ дельта-резонанс образовывался из взаимодействия трех u-кварков).

Отсюда следует, что дополнительное квантовое число должно иметь минимум три разных значения, чтобы не нарушался "запрет Паули".

Понятно, что минимум три. Но почему не больше? Почему не пять или не семь?

Ответ дали экспериментальные наблюдения. Например, наблюдение на распадом нейтрального пиона.
Скорость распада пиона зависит электрических зарядов кварков и количества их возможных состояний. Наблюдаемые сроки распада полностью совпадают с расчетами только при подстановке возможных состояний в количестве 3, ни больше ни меньше.

И тем не менее, долгое время кварковая теория воспринималась многими не более чем математическое решение, объясняющее состояния и ассортимент адронов. Ведь никто еще не наблюдал экспериментально частиц с дробными зарядами. Это напоминало ситуацию 19 века, когда атомы воспринимались как чисто математические единицы для рассчетов масс веществ и их реакций.

Ситуация изменилась в конце 60х годов 20 века. Физики придумали способ проверить присутствует ли в барионах внутренняя структура на примере протона.

Протон было решено обстреливать высокоэнергетическими электронами. Электроны для этой цели тем хороши, что сами по себе являются фундаментальными частицами, не имеющими внутренней структуры.

Электроны накачивали энергией, чтобы сократить длину волны электрона, до степени, когда рассчетно длина волны становится меньше размера протона и могла проникнуть внутрь протона.
Далее протоны обстреливали такими электронами. В случае отсутствия внутренней структуры у протона, при столкновении должно было иметь место упругое рассеивание, однородная частица отлетала бы от однородной частицы.
Однако результаты показали наличие неупругого процесса. Электроны резко меняли угол отскока и импульс как будто внутри протона находились некие частицы, с которыми сталкивался электрон. По результатам экспериментов выяснилось, что внутри протона находятся три частицы, с которыми сталкивался электрон.

Так кварки из математической модели изменили статус на статус реально существующих физических частиц.

По мере развитя мощности ускорителей частиц, физикам удавалось получать новые более тяжелые и более высокоэнергетические частицы, а также новые типы кварков, из которых они состоят. Разные типы кварков, решили называть ароматами.

Всего выделяют 6 ароматов кварков, разделенных на три поколения:

I поколение: u-верхние и d-нижние
Самые легкие кварки. Из них состоят протоны, нейтроны и вся обазующаяся из них привычная нам материя

II поколение: s-странные и c-очарованные (или очаровательные).
Более тяжелые кварки. Когда добавляются они , образуются более экзотические частицы, такие как каоны, д-мезоны, лябда-гипероны. Редко встречающиеся (в основном в космических лучах) частицы.

III поколение: b-прелестные и t-истинные.
Самые тяжелые кварки, формирующие самые короткоживующие и нестабильные частицы. В природе практически не встречаются и образуются на очень короткие сроки в высокоэнергетических ускорителях.

Каждый кварк имеет свой антикварк. Каждый кварк и антикварк может пребывать в одном из трех возможных цветовых состояний (иметь цветовой заряд).

Комбинации трех цветовых зарядов, дают нулевой цветовой заряд как комбинация зеленого , красного и синего цветов дают белый цвет.

Также комбинации противоположных по знаку цветовых зарядов у кварков и антикварков дают нулевой цветовой заряд.

Этим обьясняется почему частицы, образующиеся из кварков имеющих цветовые заряды, сами никогда цветового заряда не имеют.

Комбинации из трех кварков образуют барионы.

Комбинации кварк-антикварк образуют мезоны.

Причины почему кварки делятся на три группы по массам пока неизвестны. Это передовой край науки. На сегодняшний день кварки считаются фундаментальными точечными частицами, не имеющими внутренней структуры.
Однако наличие группировки по массам позволяет некоторым физикам предположить, что кварки могут сами состоять из более фундаментальных частиц (преонная теория). Но не будем отвлекаться на неподтвержденные теории.

Глюоны.

С введением кварков в физический мир возникли вопросы как они взаимодействуют и почему не встречаются по отдельности в свободном виде

Естественным предположением было продолжить аналогию с уже известными фундаментальными частицами-переносчиками (фотонами, W-бозонами, Z-бозонами).

На эту роль были предложены глюоны (от англ. клей).

Поскольку особеностью кварков является цветовой заряд, глюоны теоретически были введены как частицы-переносчики цветового заряда.

Правда в голом виде теория и формулы не работали. Поэтому глюонную теорию дополнили одним важным пунктом. В отличие от фотонов, которые являясь переносчиками электромагнитного взаимодействия сами заряда не имеют, глюоны сами по себе являются носителями заряда (подобно W бозонам) , причем двойного (цвет+антицвет)

Касательно цветовых зарядов следует понимать , что прямые аналогии с электромагнитными зарядам не корректны. Источник электромагнитных зарядов симметрия U(1) , а источник многокомпонентного цветового заряда симметрия SU(3). Подробнее о том, что это значит я напишу чуть ниже в разделе про Квантовую теорию поля.

Сейчас лишь скажу , что здесь не будет корректным говорить в терминах притягивания-отталкивания как в случае с электромагнитным зарядом. О взаимодействии цветовых зарядов правильнее говорить как о взаимодействии векторов в некотором условном цветовом пространстве, об изменении цветового состояния системы, об измененни "цветовой энергии" поля, которая может увеличиваться, уменьшаться или вообще переходить в другие цветовые состояния.

Асимптотическая свобода и кофайнмент.

Также в теорию было введено понятие асимптотической свободы.

Суть заключается в том, что в отличие от тех же фотонов, которые, являясь переносчиками электромагнитного взаимодействия, сами не имеют заряда, глюоны являются носителями цветового заряда, поэтому сами участвуют в создании и перестройке цветового поля.

Их взаимодействие описывается нелинейной структурой поля SU(3), в которой глюоны могут обмениваться цветом, сливаться, расщепляться и изменять цветовые состояния друг друга.

Это приводит к так называемому явлению антиэкранировки заряда: эффективные заряды кварков и глюонов велики на большом расстоянии, а при его уменьшении становятся малыми.

Наверное, стоит на этом моменте остановиться чуть подробнее.

Я выше уже упоминал о виртуальных частицах как частицах-переносчиках взаимодействия. Это, конечно, очень обобщенное определение. Давайте чуть детализируем. Для этого нам придется чуть глубже залезть в квантовую электродинамику (КЭД) и Квантовую теорию поля (КПТ).

Согласно КТП любое квантовое поле, в том числе электромагнитное, в своем базовом невозбужденном состоянии находится в около нулевом квантовом состоянии (за исключением поля Хигса). Но не ровно нулевом.

Принимать строго нулевое значение квантовое поле не может в виду ограничений, накладываемых принципом неопределенности Гейзенберга. Соответственно значение квантового поля 0 является усредненным значением складывающимся из суммирования околонулевых квантовых колебаний поля.
Эти колебания в квантовой механике называются виртуальными частицами. Виртуальными в силу того, что эти состояния поля существуют очень короткое время (примерго 10^-21 сек.) и не могут быть никак детектированы , кроме как через вносимый ими вклад.

По сути виртуальные частицы это математический термин, характеризующий околонулевые колебания квантовых состояний поля, не приводящие к изменению квантового состояния.
В литературе вы можете встретить такое название этого явления как "флуктуация вакуума". Обязательно подробней остановлюсь на этой теме в статье про кванты.

Так вот, например, электрон, имеющий отрицательный электрический заряд, одним фактом своего существования взаимодействует с виртуальными фотонами (читай с электромагнитным полем).

Описывается это непрерывное взаимодействие как то, что электрон непрерывно излучает и поглощает вокруг себя вирутальные фотоны. Фотоны с свою очередь могут порождать виртуальные электрон-позитронные пары, которые вблизи электрического заряда поляризуются (это называется поляризацией вакуума), прежде чем аннигилировать (взаимоуничтожиться).
Т.е. виртуальные позитроны притягиваются к электрону, а виртуальные электроны отталкиваются. Это формирует вокруг электрона виртуальное позитронное облако из постоянно рождающихся и гибнущих позитронов, что и называется в физике экранировкой заряда. Т.е. истинный заряд электрона на расстоянии кажется меньше из-за окружающего его виртуального позитронного облака, и лишь когда частица сближается с реальным электроном , пробиваясь сквозь облако виртуальных частиц, тогда она взаимодействует с зарядом электрона приближенным к истинному "голому" значению.

Это очень упрощенно и приближенно, но если углубляться в тему, статья никогда не закончится. Подробно опишу это все в статье о квантах.

Так вот, в глюонном взаимодействии имеется обратный эффект - эффект антиэкранировки заряда.

В чем суть?

Если в электромагнитном взаимодействии сами, рождающиеся виртуальные фотоны не имеют собственного электрического заряда и соответственно никак не влияют на эффект экранировки , возникающий из процесса рождения и гибели виртуальных электрон-позитронных пар, то глюоны имеют собственный цветовой заряд.
Таким образом , если облако виртуальных фотонов электрически нейтрально и не вносит никакого вклада в восприятие заряда реального электрона внешними частицами, то облако виртуальных глюонов , благодаря собственному заряду создает эффект усиленного заряда кварка и усиленного заряда глюона.

Но виртуальные глюоны могут возникать с различными цветовыми зарядами, почему же происходит именно антиэкранировка и услинение цветового заряда облаком виртуальных глюонов, а не экранировка и ослабление?

Иногда это обьясняют через аналогию с парамагнетизмом, когда одноименные цвета виртуальных частиц притягиваются к реальным кваркам и глюонам. Реальность намного сложнее. Антиэкранировка возникает как следствие решений, исходящих из симметрии SU(3).

Явление антиэкранировки приводит к возниновению таких явлений как асимптотическая свобода и кофайнмент в кварково-глюонном взаимодействии.

Асимптотическая свобода означает, что связь между кварками ослабевает по мере сокращения расстояния между ними. То есть если кварки жестко связаны глюонным взаимодействием на расстоянии, то по мере сближения эта связь ослабевает.

Необычное явление, ведь другие типы взаимодействий наоборот ослабевают с расстоянием и усиливаются по мере приближения.

Обусловленно такое неочевидное явление именно эффектом антиэкранировки (усиления цветового заряда) виртуальными глюонами.
Чем больше расстояние, тем больше этот вклад виртуальных глюонов. Чем меньше расстояние , тем меньше вклад. В итоге накрепко связанные друг с другом кварки на больших расстояниях, фактически начинают вести себя как свободные не взаимосвязанные частицы при близком контакте.

Это удивительное явление сильного взаимодействия, ведь на более крупных маштабах (барионов и мезонов) сильное взаимодействие характеризуется обратными свойствами - сильная связь на малых расстояниях, быстро убывающая по мере нарастания расстояния.
В то же время на фундаментальном уровне сильное взаимодействие ослабевает по мере сокращения расстояния и усиливается с его увеличением.

Есть формула описывающая явление асимптотической свободы и множество экспериментов по неупругому рассеиванию электронов подтвержающих наличие этого явления.

С конфайнментом ситуация чуть сложнее с точки зрения доказательной базы.

Суть явления в том, что невозможно наблюдать отдельный кварк. Если "растаскивать" кварки, то их невозможно разделить. Энергия связи усиливается по мере отдаления, цветовой заряд нарастает, образуется как бы трубка плотного заряда между кварками. В конце концов уровень энергии возрастает настолько, что системе становится выгодней трансформировать возросший цветовой заряд в новую кварковую пару , близлежающую к исходным кваркам с небольшими энергиями цветового заряда глюонной связи между ними.

Если проводить аналогии, то глюонную связь можно сравнить с пружиной, которая в сжатом положении не напряжена, а при растягивании напряжение возрастает и достигая определенной точки пружина рвется на две отдельные пружины, а энергия уходит на создание дополнительных пар кварков на вновь образовавшихся концах пружины.

Это явление косвенно подтверждается экспериментально тем, что до сих пор не удалось получить свободный кварк.
Это явление подтверждается расчетами методом решетчатой КХД.

Но вот строго математического доказательства пока нет.

Кстати, задача по решению этого вопроса включена в список математических задач тысячелетия, за решение которой полагается премия в 1 миллион долларов (задача доказать квантовую теорию Янга–Миллса и наличие массовой щели).

Стандартная модель. Квантовые поля.

Ну вот мы добрались и до финальной части статьи, а заодно и до границ известной нам физики частиц.

Итак, выше мы описали как научная мысль погружалась все глубже в суть устройства материи от разделения ее на составную и однородную, через молекулы и атомы, к субатомным частицам, протонам, нейтронам, гиперонам, состоящим из фундаментальных частиц кварков и частицам, переносчикам взаимодействий, фотонам, глюонам и т.д.

Вся эта известная на сегодняшний день информация систематизирована в единую таблицу, называмую Стандартной моделью.

Стандартная модель.

Это список фундаментальных (не имеющих внутренней структуры) частиц.

Давайте в нем разберемся. Оговорюсь сразу, что здесь не хватает бозона Хигса. Но давайте пока без него.

Итак, что такое фундаментальная частица?
Это безструктурная, безразмерная (точечная т.е. ее геометрические размеры равны нулю) частица, лежащая в самом основании формирования материи.

Что значит безструктурная? Она не состоит не из каких других частиц, она с точки зрения квантовой теории поля является квантом (минимальной порцией) возбуждения определенного квантового поля.

Вот картинка возбуждения электронного поля. Она конечно недостоверна графически.
Электрон не является ни холмиком, ни шариком. Ну а как с другой стороны изобразить возбуждение некоего поля?

В этом и ключевая проблема понимания квантовой физики многими людьми. Они пытаются визуализировать то, что визуализировать невозможно.
Но так уж устроен мозг человека, он взаимодействует с внешней средой, формируя некую картину мира.

Даже само название частица вызывает у людей бессознательные ассоциации с песчинками. Но это не так с точки зрения квантовой физики.

Фундаментальная частица - это не мельчайшая песчинка, это состояние.
Состояние квантового поля в определенной точке пространства-времени. У него нет формы, нет внутренней структуры, нет привычного нам размера.
Есть только понятие квантового размера. Но это не то же самое, что привычное всем геометрическое понимание размера.

Я хочу написать отдельную статью, посвященную квантам, а пока лишь ограничусь небольшим пояснением.

Согласно принципа неопределенности Гейзеберга фундаментальные частицы не могут быть зафиксированы в одной конкретной точке. Местоположение частицы это вероятностная категория. Каждая частица существует как так называемое облако вероятностей. Применительно к фундаментальной частице можно говорить об эффективном радиусе действия или «размере влияния», которые зависят от массы частицы и энергии.

Но вернемся к Стандартной модели.
Вся таблица делится на две большие категории: фермионы (слева занимают три столбца) и бозоны (красный столбец справа).

Фермионы - это весь ассортимент фундаментальных частиц , из которых состоит материя.
Бозоны - это весь ассортимент частиц - переносчиков взаимодействий разных типов.

Всего в физике обнаружено и выделено 4 типа фундаментальных взаимодействий и три из них изучены и описаны на квантовом уровне.

Четыре типа это:

электромагнитное
сильное ядерное
слабое ядерное
гравитационное

Все события, наблюдаемые нами во Вселенной сводятся к этим видам взаимодействий и объясняются через них (вообще при определенных энергиях электромагнитное и слабоетобъединяютчя в электрослабое, но сейчас не будем в это погружаться)

Надо отметить, что с квантовым описанием гравитационного взаимодействия на сегодняшний день в физике можно сказать почти по нулям.
Пока наиболее эффективное описание гравитационного взаимодействия мы имеем в Общей теории относительности Эйнштейна. Над квантовым описанием гравитации ученые бьются на сегодняшний день.

А вот три остальных типа взаимодействий описаны на квантовом уровне и представлены бозонами (частицами-переносчиками) в этой таблице.

Фотоны - переносчики электромагнитного.
Глюоны - переносчики сильного.
W бозоны и Z бозоны - переносчики слабого.

Глюоны склеивают ядра атомов, позволяя формироваться материи, W и Z бозоны позволяют материи, доходя до определенного уровня сложности распадаться, высвобождая содержащуюся в ней энергию, а фотоны переносят энергию между материей по Вселенной.

Повторюсь, есть еще бозон Хигса, отличающийся от всех вышеперечисленных бозонов тем, что он является скалярной частицей, а не векторной.
Все остальные бозоны - переносчики взаимодействия векторные, т.е. имеют направление движения и переноса взаимодействия. Бозон Хигса нет, но ему мы посвятим отдельную статью.

Если добавить бозон Хигса в стандартную модель , то она будет выглядеть так:

С бозонами в общих чертах разобрались.

Теперь перейдем к фермионам - фундаментальным частицам, образующим материю.

Их два вида: кварки и лептоны.

Объединения кварков образуют мезоны и барионы (например протоны и нейтроны), из которых в свою очередь образуются ядра атомов.

Ну а лептоны (например электроны) образуют внешнюю оболочку атомов, которая позволяет атомам объединяться между собой в привычную нам материю.

Так, пересекаясь своими электронными орбиталями, два атома принимают одни и те же электроны как принадлежащие к их ядрам и таким образом два независимых атома , формируют новую более крупную структуру через общие валентные электроны (как звенья в цепи).

В целом вся фермионная часть - это квадрат 3×3 в левой части таблицы.

Столбцы по вертикали образуют так называемые поколения фермионов.

Первый столбец - самые легкие и стабильные. Именно они и формируют всю привычную долгоживущую материю во Вселенной.

У кварков это верхний и нижний, которые образуют протоны и нейтроны. У лептонов это соответственно электроны и электронные нейтрино.

Второй столбец формирует частицы более экзотические и короткоживущие, встречающиеся, например, в космических лучах или в других высокоэнергетических процессах.

Ну а третий столбец образует совсем редкие частицы, которые мы обычно в природе и не встречаем, но которые возникают на очень короткие сроки в ускорителях на максимальных энергиях и возможно во взрывах звезд и других высокоэнергетических событиях.

Вот в общем-то и все, что удалось выяснить физике на сегодняшний день.

Исследования продолжаются, теоретически разрабатываются более сложные модели (например преонная), ищут квантовое описание гравитации и неуловимые гравитоны, придумывают экзотические частицы по типу тахионов, но все это пока предположения и допущения, которые нельзя ввести в действующую модель из-за недостаточности доказательной базы.
Ведь одно известно точно: далеко не все, что допускается математически, оказывается реализуемым физически в нашей Вселенной.

Квантовая теория поля.

Выше я описывал фундаментальные частицы как отдельные объекты. Так рассматривает частицы квантовая механика.
Но фундаментальные частицы не просто существуют. Они взаимодействуют, появляются и исчезают взаимопревращаются друг в друга.

По каким принципам взаимодействуют? Откуда и как появляются? Почему и куда исчезают?

Квантовая теория поля (КТП) призвана отвечать на эти вопросы и сформировать полноценную картину квантового мира путем объединения квантовой механики с другими областями физики: теорией поля и Специальной теорией относительности (СТО).

Сразу скажу, что картина еще не завершена полностью, но тем не менее уже достаточно проработана , чтобы остановиться на ней подробно.

Начнем с небольшого исторического обзора , имеющего мировоззренческую значимость.

До 19 века физика оперировала только отдельными объектами. Взаимодействия объектов описывались как некие действия на расстоянии. Но что есть по сути это действие, какова его пространственная и физическая реализация не обсуждалось. Одно тело воздействует на другое с такой-то силой. Одно тело притягивает или отталкивает другое с такой-то силой.

Когда физики начали погружаться в мир микрочастиц, сначала они переносили такой же подход и туда. Частицы -это просто маленькие обьекты, взаимодействующие друг с другом на расстоянии.

Начало новому, более глубокому взгляду на взаимодействия положили Фарадей и Максвелл в процессе изучения электромагнетизма.

Первый высказал идею существования силовых линий и ввел само понятие поля в физику. Второй придал этой идее точную математическую строгость , выведя уравнения электромагнитного поля.

Поле в физике - это некая физическая величина, определенная в каждой точке пространства-времени.

Например температурное поле. Это скалярное (не имеющее направления) поле, где в каждой точке пространства-времени есть какое-то значение температуры.

А электромагнитное поле - это уже векторное поле. Это такое поле , где кроме числового значения силы этого поля в каждой точке пространства-времени еще есть направление действия этой силы. Т.е. если в это поле поместить заряженный объект (объект, способный с полем взаимодействовать), то в каждой точке пространства-времени это поле будет действовать на частицу и действовать в определенном направлении.
Именно эти уравнения поля, позволяющие расчитывать с какой силой и в каком направлении будет действовать электромагнитное поле и вывел в свое время Максвел.

Теперь о вкладе Специальной теории относительности Эйнштейна (СТО).

СТО, великолепно описывающая все типы взаимодействий на макромаштабе строится на нескольких фундаментальных базах.

Метрика , в которой происходят взаимодействия, является не сугубо пространственной, а единой пространственно-временной метрикой, т.е. каждое событие имеет 4 координаты (ct, x, y, z) - три пространственных оси и одну временную.

В СТО введено фундаментальное понятие интервала как абсолютной, неизменной меры расстояния между двумя событиями в пространстве-времени. В отличие от обычного расстояния или времени по отдельности, интервал остается одинаковым для всех наблюдателей.

s²=c²t² - x² - y² - z²

Кроме этого СТО базируется на симметриях Пуанкаре, задающих фундаментальные правила, по которым физические законы остаются неизменными (инвариантными) для любых наблюдателей.

Особенность всех фундаментальных частиц в квантовой механике (которые мы описывали выше) заключается в том, что все они идентичны в своих множествах. Электрон в атоме кислорода в вашей комнате точно такой же как и электрон в атоме железа в вашей машине или в атоме углерода в клетках вашего тела или в атоме на Луне.

Из такой неразличимости фундаментальных частиц напрашивается вывод, что все они являются локальными проявлениями некой единой фундаментальной сущности, некоего поля.



Квантовая теория поля (КТП) - это представление о фундаментальных частицах как множественных проявлениях квантовых полей, взаимодействующих на основе принципов выработанных в СТО.

В ней частицы представлены не как самостоятельные объекты, а как кванты (минимальные порции) возмущения квантовых полей.

Это очень важный мировозренческий момент, который вы не должны упустить. Если до вознкновения КТП, частицы воспринимались как самостоятельные объекты, которые формируют в силу своих свойств определенные поля вокруг себя. То КТП, постулирует обратное. Первичны и фундаментальны сами квантовые поля, а то что мы воспринимаем как частицы есть не что иное как возбуждения этих полей в определенных координатах пространства-времени.

По сути все фундаментальные частицы - это кванты возбуждений соответствующего поля.

Электрон и позитрон - квант возбуждения электронного поля.
Кварк и антикварк - квант возбуждения кваркового поля.
Глюон - квант возбуждения глюонного поля.
Фотон - квант возбуждения электромагнитного поля.
и так далее.

Именно квантовые поля являются фундаментальным понятием, а фундаментальные частицы рассматриваются как возбуждения этих квантовых полей.

Особенностью квантовых полей, отличающей их от иных полей (например температурного поля), является их квантованность. Т.е. количество возбуждений такого поля имеет всегда целочисленное значение, соответствующее количеству частиц (читай квантов возбуждения).

Электронное поле не может возбудиться на половину электрона. Изменение состояния квантового поля возможно только на дискретную квантовую величину, соответствующую частице в квантовой механике.

Например электронное поле может изменить свое квантовое состояние так, что это можно интерпретировать как появление электрона, или так , что это можно интерпретировать как исчезновение электрона, или может изменить квантовое состояние так, что это можно интерпретировать как появление электрон-позитронной пары, но не бывает изменений квантового состояние поля таким образом, что это можно интерпретировать как появление половины электрона.

Можно углубиться в пояснения про околонулевые колебания полей, интерпретируемые в квантовой механике как возникновения и аннигиляция виртуальных частиц, и мы обязательно в это углубимся в отдельной статье.

Пока же вернемся к обобщенному описанию сути КТП.

Итак, принцип интерпретации частиц как возбуждений квантовых полей позволил разработать точный математический аппарат , описывающий их рождение, уничтожение и изменение через описание изменения состояния квантовых полей.

Как я упоминал выше , из СТО КТП переняло принципы симметрии (группа Пуанкаре) и связанные с ними законы сохранения величин (теорема Нётер), что позволило разработать точные математические аппараты для описания взаимодействия частиц.

Что это значит?

Группа симметрий Пуанкаре говорит, какие преобразования оставляют законы физики неизменными.

Теорема Нётер говорит, что каждой непрерывной симметрии соответствует сохраняющаяся физическая величина.

Опишем подробней.

Симметрии Паункаре.

Симметрия сдвига в пространстве (пространственная трансляция).
Допустим вы поставили эксперимент. Потом переместили лабораторию на 100м. и все остальные условия , кроме изменения координат остались теми же. Эксперимент даст тот же результат.
Суть этой симметрии в том, что все точки в пространстве эквивалентны, нет выделенных точек пространства.

Примечание: пытливый читатель , конечно же, скажет "а как же гравитация и искривление пространства-времени" Отвечаю. Очень затруднительно.
Действительно, стандартная КТП работает без учета искривления метрики-пространства времени гравитацией. КТП оперирует абсолютно плоским пространством Минковского.

Конечно же сопряжения квантовых полей с искривленным гравитацией пространством-временем проводятся физиками. И это сопряжение дает неожиданные и удивительные результаты.

Например, в Стандартной модели КТП вакуум это околонулевое состояние квантового поля для любого наблюдателя. Однако при совмещении с ОТО появляется эффект Урну и там где один наблюдатель видит отстутствие частиц , т.е. вакуум, другой (ускоренный) наблюдатель увидит тепловое излучение.

Другое следствие совмещения КТП с искривленной геометрией это излучение Хокинга для Черных дыр. Черные дыры получаются уже не абсолютно черными. Они излучают. Следствием излучения является испарение Черных дыр и информационный парадокс.
Также и возбуждение квантового поля (читай частицы) разные наблюдатели в искривленной метрике пространства-времени могут определять по разному, а отсюда теряется единое определение вакуума и следует множественное определение вакуумов в зависимости от геометрии (вакуум Урну, вакуум Минковского, вакуум Бульвара и т.д.)
Другим удивительным следствием совмещения КТП и ОТО является возможность появления частиц не только через взаимодействие квантовых полей, но из самого факта расширения Вселенной (это называется гравитационным рождением частиц) .
Не менее интересна теория о том, что квантовые флуктуации первичного поля Инфлотона в период первичной инфляции Вселенной стали зародышами галактик, скоплений галактик и всей крупномаштабной структуры Вселенной в расширяющемся пространстве.

В общем, попытки совмещения КТП и ОТО, включения гравитации в квантовую теорию -это самое ключевое поле боя, передний фронт современной фундаменталтной физики, породивший Теорию струн, Теорию петлевой квантовой гравитации и т.д.
Здесь пока нет единых проверенных решений. Надо будет посвятить этому отдельную статью, а пока вернемся к тому, что разработано достаточно детально, проверено экспериментально и хорошо работает, - это к классической Квантовой теории поля.

Вернемся к симметриям. С первой симметрией Пуанкаре симметрией сдвига в пространстве разобрались.

Следующая симметрия временная.
Проведете вы эксперимент сегодня или завтра, если все остальные условия не изменились, то результат эксперимента останется неизменным. Все временные точки эквивалентны.

Третья симметрия - это симметрия вращения.
Повернете вы лабораторию на 30° или на 90°. Результат эксперимента будет тот же. У пространства нет выделенного направления.

Четвертая симметрия - это симметрия бустов.
Это чуть сложнее.
Представьте два поезда. Один стоит. Другой едет равномерно.
Каждый пассажир считает себя покоящимся в своей системе отсчета (в своем поезде).
Законы физики должны быть одинаковыми в обоих поездах.
Это и есть симметрия относительно перехода между инерциальными системами отсчёта.
Такие преобразования называются бустами Лоренца.

Теорема Нётер выводит связи между озвученными симметриями и сохранением постоянства физических величин.

Не вдаваясь в математический аппарат приведем правила сохранений по теореме Нётер проистекающие из вышеозвученных симметрий:

Следствием однородности пространства является сохранение импульса.

Следствием отсутствия выделенного направления в пространстве (симметрии вращения) является сохранение момента импульса.

Следствием однородности времени является сохранение энергии.

Следствием симметрии бустов (симметрия перехода между инерциальными системами отсчета) является сохранение центра масс/энергии.

Сложно переоценить достижения Нётер.

Она математически доказала, что законы сохранения энергии , импульса и т.д, являются не просто принятыми аксимомами , а вытекают из принципов симметрии самого пространства-времени и, соответственно, могут нарушаться если будут нарушаться пространственно-временные симметрии (симметрии группы Пуануаре).

Таким образом законы существования и взаимодействия материи на глубинном уровне определяются характеристиками пространственно-временной метрики.

Но вернемся к нашим "баранам" , а именно КТП.

Итак, мы имеем определенный набор правил симметрий из СТО, который мы распространяем на пространственно-временную метрику.
Далее мы заполняем это пространство-время неким полем, которое может преобразовываться таким образом , чтобы соблюдались вышеозначенные симметрии.

В итоге, выводятся так называемые неприводимые группы Пуанкаре. Неприводимые означает, что упростить уже нельзя.
Это минимальный неделимый набор состояний поля, который выглядит согласованно при любых преобразованиях Пуанкаре.

Ими оказались масса и спин.

Можно сказать , что в массе и спине закодированы реакции поля на трансляции симметрий. Реакция на пространственно-временные трансляции кодируются массой, а реакции на вращения и преобразования Лоренца (бусты) кодируются спином.

Получается , что постоянство массы и спина определяются самой геометрией симметрии пространства-времени, а элементарную частицу можно описать как семейство состояний поля с фиксированной массой и спином.

Тут важно понимать, что симметрия Пуанкаре не определяет значений масс и спинов, она формирует необходимость этих характеристик, т.е определяет правила.

Если по аналогии, допустим государство обязало всех граждан иметь паспорт с характеристиками веса и роста в нем. Это не означает, что оно определило какие именно значения веса и роста будут вписаны в паспорт каждого гражданина. Оно определило условия гражданства. Гражданином государства может быть только человек с наличием таких двух характеристик как рост и вес.

Вот также и группа симметрий Пуанкаре определяет , что могут существовать объекты с такими характеристиками как масса и спин, причем характеристиками инвариантными (неизменными).

Кроме вышеизложенного симметрии Пуанкаре определяют возможные состояния движения для частицы.

Что это значит?

Что вообще такое состояние движения?

В классической механике состояние движения частицы задаётся положением и скоростью.

В квантовой теории скорость заменяют понятием импульса (р)

Импульс - это мера количества движения. Можно сказать , что эта величина показывает насколько сложно остановить объект или насколько сильный удар он может нанести.
Скорость же по своей сути является изменением координат( точка старта и точка финиша) за какой-то промежуток времени и рассчитывается как расстояние, деленное на время его прохождения.
Но применительно к частицам мы не можем точно знать расстояние, поскольку у частицы нет подтвержденной наблюдаемой траектории. Есть лишь определенные вероятности нахождения частицы в пространстве. И мы не можем знать какой именно путь прошла частица от точки A до точки B. Кроме того, сами координаты частицы также имеют ограничения по определению. Простым языком, чем точнее мы знаем где именно частица находится, тем меньше у нас точность понимания куда и с какой скоростью она движется.
Тем не менее скорости движения частиц , конечно же рассчитываются. Просто немного иначе, чем принято в макромире.
Базовый рассчет скорости в квантовой механике рассчитывается через импульс.

v=p×с²/Е

можно произвести расчет по классической формуле, приняв условно что нам известно какой путь прошла частица за временной промежуток.

v=L/t

что даст нам столь же условное значение скорости, да к тому же применимое только к одной конкретно детектированной частице.

Можно рассчитать через волновую функцию вероятностные скорости, что даст нам некий статистический набор наиболее вероятных скоростей для частицы.

Именно поэтому применительно к частицам оперируют не терминами скоростей, а терминами импульса.


Гипотетически состояний движения может быть бесконечно много, потому что импульс может принимать бесконечное число значений. Но может ли импульс принимать любые значения? Нет.
Здесь вступают в силу ограничения Паункаре.

Должно соблюдаться правило
Е²=p²c² + m²c⁴
Е - энергия частицы
р - импульс
m - масса
с - скорость света.

Это означает , что если известен импульс, энергия уже не может быть произвольной. Она автоматически определяется этой формулой.
И из этой же формулы проистекают накладываемые ограничения.

Возьмем к примеру электрон (е).
Электрон имеет массу. Тогда состояние р=0 и Е=0 невозможно.

Поэтому даже покоящийся электрон обладает энергией покоя.

По сути группа симметрий Пуанкаре устанавливает обязательную взаимозависимость энергии (Е) и импульса (р). Они не могут принимать произвольные значения, а только значения удовлетворяющие релятивистской связи , выраженной выше.

Отсюда и возникает следствие допустимых состояний движения.
Представьте пространство с двумя осями: ось энергии и ось импульса.
Симметрия Пуанкаре разрешает не всё пространство значений, а только определенное подмножество.

Для электрона невозможны состояния, которые нарушают структуру представления Пуанкаре.
Например, невозможно сверхсветовое движение для массивной частицы поскольку это приводит к нарушению релятивистской структуры состояний.

Поэтому физически можно сказать так:

Возможные состояния движения электрона - это все состояния, которые можно получить друг из друга преобразованиями Пуанкаре, не меняя его фундаментальной природы.

Масса остаётся той же, спин остаётся тем же, а энергия и импульс могут меняться только так, чтобы сохранялся релятивистский инвариант. Именно поэтому симметрия Пуанкаре одновременно разрешает бесконечное множество состояний движения и запрещает состояния, несовместимые с релятивистской структурой пространства-времени.

Итак, мы имеем гладкую метрику пространства-времени, заполненную полями, квантовые возмущения которых характеризуются двумя характеристиками: массой и спином , кроме того энергия и импульс таких возмущений могут приобретать не какие угодно значения, а значения строго соотносящиеся друг с другом. Сами эти свойства квантовых полей проистекают как следствие самой симметрии пространства-времени.

Далее мы добавляем туда дополнительные внутренние симметрии из квантовой механики: симметрии SU(3), SU(2), U(1).

Начнем с самой простой симметрии U(1)

Я уже писал выше , что квантовые системы описываются волновой функцией. Еще раз подчеркну, что когда речь идет о понятии волны приментительно к частицам, не имеется ввиду никакая физическая волна. Частица не превращается в некий растянутый волнообразный объект подобный морским волнам. Не, нет и еще раз нет. Это ошибочное понимание блогеров и журналистов сути термина. Речь идет о математическом понятии волны, о волновой функции.

Существует множество математических функций.

У волновой функции есть понятие фазы. Фаза - это аргумент функции, характеризующий конкретное состояние функции (на пике волновая функция, на спаде, или в каком-то промежуточном состоянии).

Фаза волновой функции это важный параметр. С одной стороны фаза отдельно взятой волновой функции от нас всегда скрыта, поскольку внешние познаваемые физические проявления частицы (читай кванта возбуждения поля) не зависят от фазы и волновые функции с разными фазами выглядят по отдельности для Вселенной одинаково.
С другой стороны разница фаз проявляется во взаимодействии волновых функций, когда амплитуды волновых функций увеличиваются при совпадении фаз и вычитаются при противофазах.
Именно это явление проявляется в известном двухщелевом эксперименте, о котором я упоминал ранее.

Математически смещение фазы можно отобразить как угол поворота вектора на окружности в комплексной плоскости.

Так вот, глобальная симметрия U(1) означает, что в случае смещения фазы когда в каждой точке матрицы пространства-времени происходит смещение вектора на некоторый угол, ничего не меняется. Соотношения фаз волновых функций остаются прежними.
Следствием этой внутренней глобальной симметрии по теореме Нётер , о которой я упоминал выше, является постоянство заряда. Не важно какого (условно говоря какого-то нётеровского заряда).

Но если применять симметрию U(1) локально, то в разных точках пространства может быть разный угол поворота фаз, а главное в каждой точке появляется своя комплексная плоскость со своей точкой отсчета нулевого угла на окружности вектора.
Таким образом, возникает рассогласованность. Каким образом соотносить друг с другом локальные системы отсчета?
Необходимо ввести дополнительное колибровочное поле, которое обеспечит связанность локальных симметрий, другими словами это колибровочное поле будет являться правилом связи разных локальных симметрий друг с другом.

Физический эквивалент такого калибровочного поля - электромагнитное поле.

Таким образом можно сказать, что фотоны не передают информацию заряженным частицам друг о друге, а в более глубоком смысле являются правилом пересчета для обеспечения связанности локальных симметрий U(1).

Итак, повторим до чего мы дошли.
Есть четырехмерное пространство-время устроенное так, что в нем соблюдаются определенные симметрии.
Глобальные симметрии (симметрии Пуанкаре) приводят к следующим следствиям:
- система сохраняет постоянство энергии
- система сохраняет постоянство импульса
- система сохраняет постоянство момента импульса
- система имеет ограничения на соотношения энергия-импульс

Кроме этого система имеет инвариантную (неизменную) реакцию на пространственно-временные трансляции четырехмерной метрики пространства-времени, которая выражается как масса и система имеет инвариантную (неизменную) реакцию на вращения и преобразования Лоренса, которая выражается как спин.

Квантовая внутренняя симметрия U (1) в глобальном смысле означающая неизменность при смещении фаз приводит к дополнительному следствию: что система сохраняет постоянство заряда.

При расслоении внутренней глобальной симметрии U(1) на состояния локальных симметрий, взаимодействие этих симметрий возможно только путем связанности через отдельное дополнительное калибровочное поле, которое выражено в нашем мире в виде электромагнитного поля, а сохраняемый благодаря глобальной симметрии U (1) заряд системы выражается в виде электрического заряда.

Добавим следующую симметрию квантовой механики, симметрию SU(2).

Что из себя представляет симметрия SU(2)?

В первой половине 20 века были обнаружено такое свойство как спин (подробно о том, что такое спин я писал выше) , а также установлено , что он может принимать два векторных направления (спин вверх и спин вниз), другими словами пребывать в двух состояниях.

Спустя десять лет ученые обратили внимание на очевидную схожеть протонов и нейтронов (почти одинаковые массы одинаковое участие в сильном взаимодействии, взаимопревращение друг в друга) , что навело их на мысль , что протоны и нейтроны можно рассматривать не как отдельные независимые чатицы, а как два состояния одной частицы - нуклона.

Такое сочетание взаимосвязанных частиц назвали дуплетом. А квантовое число характеризующее то, что они являются состояниями дуплета, назвали изоспином.

Такое название дали, потому что математические трансформации с этими состояниями аналогичны спиновым трансформациям, только в отличии от спинов не в пространственных плоскостях , а в условном математическом изотропическом пространстве состояний дуплетов. Отюда и название - изотропический спин (изоспин)


Позже были выявленны и иные внутренние симметрии SU(2). Например, в процессе изучения слабого взаимодействия и выявления хиральности были также обнаружены парные частицы, объединяющиеся в дуплеты (напр. электрон и электронное нейтрино). Правда с учетом хиральности слабого взаимодействия к таким декуплетам добавляется всегда буква (L) , обозначающее что в дуплет входят не любые электроны и нейтрино, а только левохиральные. Ну а квантовое число , характеризующее их симметрии и если можно так сказать "дуплетность" по аналогии с адронами назвали слабым изоспином, подчеркивая совом "слабый" их отношение к слабому хиральночувствительному взаимодействию. (О хиральности и нарушении принципа четности см. в разделе про слабое взаимодействие).

Основная суть в том, что не смотря на множество разных физических проявлений симметрии SU(2) математически они эквивалентны, это всегда один ветор столбец из комплексных чисел.

Давайте перечислим некоторые физические проявления этой симметрии:

Спиновые дуплеты (спин вверх/спин вниз):
Частицы со спином 1/2: все лептоны и кварки (см. список фермионов в таблице Стандартной модели выше).

Хиральные дуплеты слабого взаимодействия (дуплеты слабого изоспина): у верхней компонеты изоспин +1/2, у нижней -1/2.
Три поколения лептонов.

Три поколения кварков.

Дуплет поля Хигса (комплексное заряженное скалярное поле и комплексно нейтральное скалярное поле)

Адронные дуплеты по изоспину

Нуклонный дуплет

Кварковый дуплет

Каковы следствия присутствия симметрии SU(2)?

Глобально симметрия SU(2) как и в случае с U(1) по теореме Нётер приводит к сохранению заряда. В данном случае речь идет об изоспинах.

В случае локальной симметрии SU(2), опять же аналогично с U(1) возникает необходимость введения калибровочного поля по той же самой причине. Только если в симметрии U(1) только один генератор, то в симметрии SU(2) их три и соответственно нужно, образно говоря, соотносить точки отсчета по каждому генератору, что приводит к необходимости наличия трех калибровочных полей (о функциональной сущности калибровочных полей читайте выше в описании симметрии U(1)).

В квантовой механике эти три калибровочных поля представлены частицами-переносчиками слабого взаимодействия: W⁺бозоном, W^-бозоном и Z⁰бозоном.

Осталось добавить в наше пространство-время последнюю внутреннюю симметрию квантовой механики, симметрию SU(3).

Об этой симметрии я уже писал выше в разделе про "зоопарк частиц" и открытие квантов.
Добавлю лишь часть , связанную с локальностью симметрии и калибровочными полями.

Итак SU(3), родившись из попытки систематизировать все многообразие адронов, сначала привела к открытию трехкваркового состояния барионов, а потом эволюционировала до более глубокого уровня трех цветовых зарядов (r, g, b).

Симметрия имеет 8 генераторов (ну глобально 9, но девятый отвечающий за общий фазовый сдвиг ни как не меняет систему и соотношения внутри комбинации r-g-b остаются теми же.

Оставшиеся 8 генераторов состоят из:

Шести генераторов перехода между цветами.
Двух генераторов определения соотношения цветов.

Давайте чуть углубимся.
У нас есть три возможных комбинации перехода цветов друг в друга: r-g, g-b, r-b.
Поскольку мы оперируем в комплексной плоскости, то для каждого перехода у нас есть два возможных пути (по комплексной оси Re и lm)
Получается три двухвариантных перехода , итого 6 генераторов.

Два генератора определения соотношений. Почему два? Если бы у нас было только два цвета (напр. r и g) , то достаточно было бы одного генератора, который бы определял позицию на оси между 100% r и 100% g.
Но у нас три цвета.
Получается условный треугольник в вершинах которого, 100% одного цвета, а центр треугольника представдяет собой точку равного соотношения цветовых зарядов (по 1/3 каждого). Это уже цветовая плоскость, а не прямая и для определения точки смешения требуется два генератора, по двум условным осям.

Далее, как и в предыдущих симметриях , локальное применение SU(3) требует введения калибровочных полей по одному для каждого генератора.
Итого 8 калибровочных полей.

Физичечки калибровочные поля представлены глюонами с разными цветовыми зарядами.

Шесть глюонов для генераторов смешения цветов (перехода между цветами). Напоминаю, что есть два варианта смешения: путь по комлексной осям Re и lm.

r<->g глюоны: (+r,-g) (+g,-r)
r<->b глюоны: (+r,-b) (+b,-r)
b<->g глюоны: (+b-g) (+g,-b)

*примечание: антицвет принято обозначать чертой над буквой, но у меня нет на клаве такой возможности поэтому я обозначаю антицвет знаком "-").

Два глюона для диагональных генераторов определения цветовых соотношений являются суперпозицией сочетания глюонов представляющий соотношения зарядов цвет+антицвет (их еще принято называть нейтральными глюонами)

r-g (генератор определения соотношений r и g)

Глюон:
1/_/2[(+r,-r) - (+g,-g)]

r+g-2b (генератор определения соотношения усредненного r+g и b)
Цифра 2 появляется как необходимый коэффициент для бесследового оператора (общая сумма должна равняться 0).
Для r-g , сумма коэффициентов 1+(-1)=0.
Для r+g-2b
1+1-2=0.
Глюон 1/_/6[(+r,-r)+(+g,-g)-2(+b,-b)]

ЗАКЛЮЧЕНИЕ.

Вот мы и добрались до края современного понимания устройства материи - квантовой теории поля (КТП).

Теория не объясняет всего , остаются нераскрытые вопросы.
Важно понимать границу между тем, что физика описывает и что объясняет.

Физика объясняет как на основе общих и внутренних симметрий квантовые поля реализуются и взаимодействуют по опредедеденным правилам.
Но она не объясняет почему именно такие симметрии существуют в нашей Вселенной.
Возможно имеющиеся симметрии являются проявлением некой более фундаментальной суперсимметрии.

Физика не объясняет почему существуют именно два типа фермионных полей (кварковые и лептонные) и почему существует по три поколения и тех и других. Возможно поколения могут являться проявлением комбинаций неких более фундаментальных структур, а возможно что и в целом кварковые и лептонные поля могут являться расслоением некоего единого более фундаментального поля.

Возможно сами квантовые поля в принципе являются проявлением иных более фундаментальных структур, например модами одномерных струн, или проявлением геометрии дополнительных измерений, или следствием некой фундаментальной симметрии еще не обнаруженной нами.

Какова квантовая природа гравитационного взаимодействия?

Существует ли темная материя и какова её квантовая природа?

И еще множество открытых вопросов над которыми бьются физики.

А пока подведем итог и обрисуем общую картину имеющегося знания.

Симметрии.
Есть фундаментальные принципы симметрии (группа Пуанкаре) для 4х-мерного пространства-времени, в котором существуют квантовые поля (кварковые и лептонные), из которых и складывается в дальнейшем материя.

Квантовые поля (фермионные и калибровочные)
Эти поля подчиняются как общим симметриям пространства-времени так и собственным фудаментальным принципам квантовой симметрии SU(3)+SU(2)+U(1).

Проявлением этих внутренних симметрий являются дополнительные квантовые калибровочные поля , которые обеспечивают взаимодействия между собственными элементами кварковых и лептонных полей , а также взаимодействия между этими полями.

Симметрия U(1) - фотонное поле (электромагнитное взаимодействие).
Симметрия SU(2) - W и Z бозонные поля (слабое взаимодействие)
Симметрия SU(3) - глюоные поля (сильное взаимодействие).

Фундаментальные частицы
Возмущения фундаментальных квантовых полей называют фундаментальными частицами и в упрощенном виде рассматривают как отдельные объекты: кварки и лептоны, которые взаимодействуют путем обмена фотонами, глюонами, W и Z бозонами.

Элементарные частицы
Кварки, объединяясь в тройки и в двойки посредством глюонов, образуют более крупные структуры - элементарные частицы , называемые барионами (объединения трех кварков) и мезонами (объединения двух кварков)

Для дальнейшего упрощения эти крупные объединения кварков рассматриваются как самостоятельные объекты, именуемые элементарными частицами.

В частности трехкварковые протоны и нейтроны посредством обмена пи-мезонами (пионами) объединяются в еще более крупные структуры называемые атомными ядрами.

Атомы
Атомные ядра, объединяясь с электронами (разновидность лептонов) образуют еще более крупные структуры называемые атомами.

Атомы для упрощения рассматриваются как самостоятельные объекты.

Молекулы
Объединения атомов в различных комбинациях образуют молекулы различных веществ.

Материальные вещества
Молекулы различных веществ , объединяясь образуют новые вещества.

Так появляется все разнообразие материи нас окружающее: газы, жидкости, металлы, звезды, планеты, облака, моря, горы, деревья, микробы, люди, пластмассы, абсолютно всё.