Пространство, время, взаимодействие и элементарные частицы

Пространство, время, взаимодействие и элементарные частицы.

Ванин А.И. (Сыктывкарский госуниверситет, физический факультет)

Лекция

Классическая физика построена в абсолютном времени и относительном пространстве. Абсолютность времени – временной интервал между двумя событиями можно однозначно измерить и результат не зависит и одинаков во всех системах отсчета. Классическая механика обратима во времени. Стрела времени возникает в физиологии (старение) и термодинамике (стремление к равновесию замкнутой системы необратимо). Дополняется стрела времени космологически – разбегание галактик. Относительность пространства – отсутствие абсолютного эталона покоя. Хотя, если быть последовательными и буквально следовать 1 закону Ньютона, мы обнаружим, что инерциальные системы отсчета (локальные) – свободно падающие системы отсчета. Препятствие такому пониманию – гравитационные силы. Пространство потеряло относительность. Пространство и время относительны в свободном мире, где нет гравитации. При наличии Гравитации это приближенные понятия. Но при рассмотрении элементарных частиц, когда силы гравитационного притяжения элементарных частиц как минимум в 10⁴⁰ раз меньше сильных, слабых и электромагнитных сил, пространство и время относительны и образуют единое относительное пространство-время. В теории элементарных частиц гравитация привлекается только при построении самого великого объединения и при рассмотрении процессов рождения элементарных частиц на горизонте событий черной дыры (рождения пар частица - античастица и объяснение асимметрии мира относительно частица – античастица).

В четырехмерном пространстве-времени энергия и импульс объединяются и образуют аналогично времени и пространственным координатам четырех вектор энергии-импульса с компонентами, которые связаны соотношением:

,   , знак минус мы незаслуженно отбрасываем, ссылаясь на то, что энергия свободной частицы – положительна. Этому соответствуют хорошо знакомые формулы

 v – скорость частицы, с – скорость света, m – масса частицы.

Насколько это оправдано, отбросить решение с отрицательной энергией. В неквантовой теории такое отбрасывание оправдано, но в квантовой теории не запрещено иметь отрицательную энергию, вопрос только как ее связать с наблюдаемыми явлениями, с экспериментом. Если мы на эту проблему посмотрим с позиции амплитуды перехода и суммирования по всем возможным траекториям, тогда ясно, что отбрасывать это решение нельзя. Если его отбросить мы не получим реального мира. Есть требование – по всем возможным траекториям. Заметим, что положительные и отрицательные энергии разделены энергетической щелью равной . Первым решение нашел Поль Дирак. Он предположил, что в силу желания частиц занять низшие энергии, все состояния с отрицательными энергиями заняты (благо есть принцип Паули) и мы наблюдаем только частицы с положительными энергиями. Далее он рассмотрел гипотетическую возможность: один электрон с отрицательной энергией пропал (тогда были только электроны). Осталась дырка, которая может двигаться и имеет по отношению к вакууму с отрицательной энергией положительную энергию. Чем не частица и он предположил протон. Но, что произойдет, если в состояние с отрицательной энергией вернется электрон. Аннигиляция и нет атома из протона и электрона. Выход – антиэлектрон - позитрон. Появились античастицы. У античастиц противоположный один из зарядов. Сейчас у всех фермионов есть античастицы. Их нет только у бозонов.

Почему такая асимметрия мира? Ответ на первый взгляд достаточно прост: фермионы частицы с полуцелым спином – вещество, бозоны  частицы с целочисленным спином – взаимодействие (спин или спиновый момент количества движения измеряется в единицах ). Но только на первый взгляд. Что такое спин? Мы сразу скажем – собственный момент количества движения, который связан с вращением элементарной частицы вокруг собственной оси. Но у элементарной частицы нет определенной оси вращения, ибо наличие  определенной  оси вращения несовместимо и с координатой и импульсом (соотношение неопределенностей Гайзенберга).

Спин характеризует как выглядит частица, если на нее посмотреть со всех сторон. Частица со спином 0 – частица, на которую с какой стороны не посмотри,  увидишь ее неизменной. Частица со спином 1 это частица,  которая превращается  сама в себя в себя при повороте на  угол 2p (на плоскости это стрелка  или туз пик (С. Хокинг)).  Частица со спином 2 это частица, которая превращается  сама в себя при повороте на  угол p  (на плоскости это двунаправленная стрелка, дама червей). Это можно себе представить, но на плоскости, в пространстве легко представить себе только частицу со спином 0 – шарик. Необходимо учесть, что мир четырехмерный.

Представить себе частицу со спином 1/2 просто невозможно (с позиций «здравого» смысла). Она превращается сама в себя при повороте на 4p. Аналогично, представить себе частицу со спином 3/2 еще труднее, она превращается сама в себя при повороте на 2p/3, просто мистика. Но природа создала такие частицы и из частиц со спином 1/2 построила вещество (протоны, нейтроны и электроны). Частицы с полуцелым спином подчиняются принципу Паули и именно поэтому кварки образовали протоны и нейтроны, протоны, нейтроны и электроны образовали атомы и в конце концов возник этот мир. Все эти частицы без принципа Паули сколлапсировали бы и мы имели бы однородное желе, а не мир, в котором мы живем (было бы очень скучно).  Первая теория, которая объяснила существование частиц со спином ½, была теория электрона и позитрона Поля Дирака (1928 г., позитрон экспериментально открыт в 1932 г.).

Частицы с целым спином переносчики взаимодействия. Частицы с полуцелым спином обмениваются частицами с целым спином. Это обмен  виртуальными частицами. Мы их не наблюдаем. При определенных условиях их можно наблюдать.

Первая частица переносчик взаимодействия – гравитон – частица со спином 2. Гравитон отвечает за гравитационное взаимодействие всех частиц с ненулевой   массой. Мир планет звезд, галактик и вселенной это мир, где господствуют гра витоны. Гравитационные силы – самые слабые из сил в природе. Но их преимущество, именно оно и определило их господство в мегамире, в том, что нет отрицательной массы (масса тоже «заряд», но только одного знака, нет компенсации).