Физика элементарных частиц – курс Дмитрия Казакова / ПостНаука

Кратко

Лекция Дмитрия Казакова посвящена физике элементарных частиц, их структуре и взаимодействиям. Она предназначена для студентов и любителей физики, желающих углубить свои знания в этой области.

Главные мысли

1. Элементарные частицы составляют основу материи и имеют уникальные свойства, которые определяют их взаимодействия.

Введение в элементарные частицы0:14

• Элементарные частицы — это такие частицы, которые нельзя расколоть на части.0:14
• Когда-то считались атомы самыми элементарными частицами.0:24
• Примерно 100 лет назад Резерфорд обнаружил, что атомы пустые и в середине атома находится атомное ядро, которое примерно в тысячу раз меньше, чем размер атома.0:39

История открытия атома0:53

• Атомное ядро примерно в тысячу раз меньше, чем размер атома.0:53
• Элементарные частицы: ядро и Электрон.1:20
• В 30-х годах прошлого века Гайзенберг и Иваненко выдвинули гипотезу, что ядра состоят из двух элементарных частиц: протонов и нейтронов.1:34
• У нас уже получилось три элементарных частицы: Протон, Нейтрон и Электрон.1:50

Структура атома и элементарные частицы2:02

• Квантовая механика объяснила, почему электрон, вращаясь по стационарным орбитам вокруг ядра, не падает на это ядро.2:02
• По законам классической физики электрон должен был испускать свет, терять энергию и быстро упасть на ядро, но этого не происходит.2:16
• Три элементарных частицы: протон, нейтрон и электрон образуют весь мир, который мы видим.2:29
• Возникает вопрос, почему два протона, имеющие положительный заряд, не разлетаются в разные стороны под действием кулоновских сил.2:38

Квантовая механика и электроны3:54

• Нейтрон распадался на Протон, электрон и нейтрино.3:54
• Паули предположил, что это новая элементарная частица, которая не несет электрического заряда и имеет чрезвычайно маленькую массу.3:38
• Ферме предложил назвать её нейтрино, что привело к увеличению числа элементарных частиц: Протон, Нейтрон, электрон и нейтрино.3:45
• Недостающая энергия была замечена при измерении энергии электрона и протона по сравнению с исходным нейтроном.3:15

Гипотезы о протонах и нейтронах4:16

• Японский физик Юкава предположил, что существует еще одна элементарная частица, ответственная за ядерные силы, которые удерживают протоны и нейтроны внутри ядра.4:16
• Эта ядерная сила существует благодаря обмену элементарными частицами нового сорта, которые впоследствии получили название пи-мезонов.4:29
• Скоро также был открыт тяжелый электрон, названный мионом.4:50

Космические лучи и новые частицы5:12

• В 1947 году в Космических лучах была открыта новая элементарная частица, которая получила название камезона.5:12
• Камезон обладал рядом странных свойств, на самом деле их было три: один положительный электрический заряд, другой отрицательный электрический заряд, и третий оказался нейтральным.5:22
• Эти три частицы вели себя несколько странным образом, и это было названо странностью.5:36
• Предположили, что они обладают неким новым свойством, называемым странностью.5:40
• Оказалось, что камезоны не единственные странные частицы, постепенно число частиц начало возрастать.5:50

Странные частицы и их свойства6:21

• Электрон на сегодняшний день самое легкое частица имеющая электрический заряд и поэтому в силу закона сохранения энергии Ему просто невозможно распадаться.6:21
• Время жизни электрона измерено экспериментально и превышает 10 в 34 степени лет.6:40
• Возраст Вселенной это примерно 10 в 10 степени лет.6:50

Жизнь элементарных частиц7:00

• Протон может распадаться, однако это остается открытым вопросом для эксперимента.7:00
• Каме-зоны живут примерно 10 минут, что по человеческим меркам мгновенно, но по меркам физики частиц довольно долго.7:29
• Каме-зоны движутся с очень большой скоростью, близкой к скорости света.7:46
• Согласно специальной теории относительности Эйнштейна, время у быстро движущихся объектов замедляется.7:53

Классификация частиц и взаимодействия8:17

• Космические лучи являются источниками новых элементарных частиц.8:17
• Частицы стали называть греческими буквами, появились Роме зоны, Омега, бизоны и сигмы.8:38
• Возникло естественное желание классифицировать частицы наподобие таблицы Менделеева.8:50

Стандартная модель частиц9:06

• Элементарные частицы можно классифицировать по их свойствам, аналогично тому, как элементы Менделеева классифицируются по периодам и рядам.9:06
• Одним из замечательных свойств частиц является наличие углового момента, что делает их похожими на волчки.9:33
• Классическое описание углового момента частиц оказывается невозможным, если предположить, что частицы имеют размер.9:49

Проблемы стандартной модели10:25

• Все частицы можно разделить на два класса: те, у которых целый угловой момент, и те, у кого полуцелый угловой момент.10:25
• Частицы с целым угловым моментом называются бозонами и подчиняются статистике Боз-Эйнштейна.10:34
• Частицы с полуцелым угловым моментом подчиняются статистике Ферми-Дирака.10:49

Темная материя и энергия11:36

• Частицы делятся на два класса: фермионы со спином 1/2 и бозоны со спином 0 или 1.11:36
• Фермионы включают протоны, нейтроны, электроны и нейтрино.11:10
• Фотон, квант света, имеет спин 1 и относится к классу бозонов.11:23
• Частицы взаимодействуют друг с другом, и одно из известных взаимодействий — это электричество.11:49
• Частицы могут иметь положительный, отрицательный или нулевой электрический заряд.11:56

Заключение и будущее физики12:50

• Все частицы, с которыми мы имеем дело в природе, можно разделить на два класса: адроны и лептоны.12:50
• Адроны состоят из кварков, которые являются фундаментальными частицами.14:02
• Кварки никогда не вылетают наружу и всегда находятся в пленении внутри адронов.35:56
• Существуют три типа кварков: верхний, нижний и странный.36:44
• Стандартная модель описывает шесть кварков и шесть лептонов.1:47:06
• Стандартная модель игнорирует гравитационное взаимодействие из-за его малости.1:47:18
• Хиксовский бозон был открыт в 2012 году и является переносчиком взаимодействия между кварками и лептонами.1:55:19
• Темная материя составляет примерно в четыре раза больше, чем обычная материя.2:04:38
• Темная энергия составляет около 70% от общей плотности энергии во Вселенной.2:10:58
• Космологическая постоянная должна иметь определенное значение, чтобы объяснить темную энергию.2:11:24

Выводы

• Понимание элементарных частиц и их взаимодействий является ключом к раскрытию тайн Вселенной и ее структуры.
• Стандартная модель не охватывает все аспекты физики, включая гравитацию, что открывает новые горизонты для исследований.
• Темная материя и энергия остаются одними из самых загадочных тем в современной физике, требуя дальнейших исследований.

Что сделать

• Изучить дополнительные материалы по квантовой механике и стандартной модели частиц для углубления понимания.