Главная страница
qrcode

How physics and scientific thinking illuminate the universe and the modern world


НазваниеHow physics and scientific thinking illuminate the universe and the modern world
Дата07.11.2019
Размер8.11 Mb.
Формат файлаpdf
Имя файлаknocking_on.pdf
оригинальный pdf просмотр
ТипДокументы
#64931
страница7 из 28
Каталог
1   2   3   4   5   6   7   8   9   10   ...   28
Более полное изображение протона
D
C
C

U
U
U

D

S

G
G
G
G
G
G
G
G
G
D
U
S
Протон
РИС. 18. Большой адронный коллайдер сталкивает высокоэнергетические протоны между собой; каждый из протонов содержит три валентных кварка и множество виртуальных кварков и глюонов, которые тоже могут принимать участие в столкновениях
Однако в настоящее время БАК исследует энергии, более чем в 1000 раз превосходящие, — и соответственно расстояния, в 1000 с лишним раз меньшие, — чем энергии и расстояния, связанные с массой протона. БАК сталкивает между собой два протонных пучка, которые предварительно разгоняет до чрезвычайно высоких энергий — более высоких, чем все, что когда-либо имело место на Земле. Протонные пучки, о которых идет речь, состоят из нескольких тысяч сгустков по 100 млрд тщательно выровненных, или коллимированных, протонов, собранных в крохотные субстанции, циркулирующие по подземному туннелю. Вокруг кольца расположены 1232 сверхпроводящих магнита, назначение которых — удерживать протоны внутри трубы, пока электрические поля разгоняют их до высоких энергий. Другие магниты
(392 штуки) переориентируют лучи таким образом, что два луча, вместо того чтобы лететь рядом, сталкиваются.
Затем — здесь-то все и происходит — магниты проводят два протонных луча по кольцу так точно, что они сталкиваются в области, меньшей по размеру, чем толщина человеческого волоса.
При столкновении некоторая часть энергии ускоренных протонов
122 МАСШТАБИРОВАНИЕ
ВЕЩЕСТВА
превращается в массу, как гласит знаменитая формула Эйнштейна
E = mc
2
. И при этих столкновениях высвобождается столько энергии, что могут родиться новые невиданные элементарные частицы, более тяжелые, чем все, что нам удавалось получить прежде.
При встрече протонов кварки и глюоны иногда сталкиваются на высоких энергиях в очень ограниченном пространстве — примерно как если бы сталкивались между собой набитые камешками воздушные шарики. БАК сообщает частицам столь высокую энергию, что в случае удачи друг с другом сталкиваются отдельные компоненты встречных протонов. В их числе, разумеется, те самые два верхних и один нижний кварки, которые обеспечивают заряд протона. При этом заметная часть энергии протона достается и виртуальным частицам. Поэтому в БАКе в столкновении участвуют не только три кварка, отвечающие за заряд, но и виртуальное
«море» частиц.
Во время этого процесса — и именно здесь кроется ключ ко всей физике элементарных частиц — количество и типы частиц могут измениться. Полученные на БАКе результаты должны многое рассказать нам о самых маленьких расстояниях и размерах. Помимо информации о возможных субструктурах, они должны раскрыть перед нами новые аспекты физических процессов, существенные на этих расстояниях. Энергии, достигаемые на БАКе, представляют собой последний, по крайней мере в обозримом будущем, экспериментальный рубеж в мире сверхмалых масштабов.
ТЕХНОЛОГИИ. ЧТО ДАЛЬШЕ?
Мы закончили вводное путешествие в мир малых расстояний, доступных человеку при нынешнем уровне развития технологий. Однако границы исследовательских возможностей человека не могут ограничивать природу реальности. Пусть сегодня кажется, что нам трудно придумать и изготовить технические средства, позволяющие напрямую исследовать еще более мелкие размеры и расстояния, мы все же можем попытаться сделать некоторые выводы о структуре и взаимодействиях на них при помощи математических аргументов.
ВОЛШЕБНАЯ ЭКСКУРСИЯ В ГЛУБЬ МАТЕРИИ 123
Мы признаем, что без экспериментальных данных невозможно точно определить, что существует на тех невообразимо малых масштабах, в которых нам тоже очень хотелось бы разобраться.
Тем не менее даже в отсутствие измерений у нас остаются теоретические рассуждения, способные направить наши усилия и подкрепить догадки о том, как вещество и силы природы могут вести себя на еще более мелких масштабах. Мы можем поискать на доступных нам масштабах новые возможности — средства и способы, которые помогли бы объяснить и соотнести между собой наблюдаемые явления, даже если их фундаментальные компоненты недоступны для непосредственных наблюдений.
Мы пока еще не знаем, какие из наших теоретических построений окажутся верными. Но даже без непосредственного экспериментального доступа к самым маленьким расстояниям можно сказать точно: то, что нам удалось наблюдать, серьезно ограничивает спектр явлений, которые в принципе могут быть обнаружены — ведь именно фундаментальная теория в итоге должна объяснить все, что мы видим. А значит, экспериментальные результаты даже на более крупных расстояниях ограничивают спектр возможностей и заставляют нас рассуждать в определенных, достаточно конкретных направлениях.
Кое-кто даже предполагает, что между энергиями БАКа и еще более высокими энергиями, действующими на еще более маленьких расстояниях, существует пустыня, то есть некий промежуток, практически лишенный значимых расстояний или энергий.
Вероятно, подобные теории возникают от недостатка воображения или данных. Но многие ученые считают, что следующие по-настоящему интересные открытия на сверхмалых масштабах должны быть связаны с унификацией всех физических взаимодействий на малых расстояниях.
Эта концепция способна распалить воображение как ученых, так и обычных людей. Согласно такому сценарию мир, который мы видим вокруг, пока не раскрывает нам фундаментальную, очень красивую и простую теорию, лежащую в основе всего на свете, которая охватывает все известные физические взаимодействия (или, по крайней мере, все взаимодействия, кроме гравитации). С того
124 МАСШТАБИРОВАНИЕ
ВЕЩЕСТВА
самого момента, когда ученые впервые поняли, что сил в природе больше, чем одна, множество физиков посвятило свою жизнь поиску единой теории.
Одно из самых интересных рассуждений на эту тему представили Говард Джорджи и Шелдон Глэшоу в 1974 г. Они предположили, что, хотя мы наблюдаем при низких энергиях три негравитационных взаимодействия, в которых фигурируют различные силы (электромагнитные, а также слабые и сильные ядерные), при гораздо более высоких энергиях останется лишь одно взаимодействие, одна сила (рис. 19)*. Эта сила охватывает все три известных типа взаимодействия (сильное, слабое и электромагнитное). Данное теоретическое построение получило название теории великого объединения (GUT — Grand Unifi ed Theory).
Сила взаимодействий Стандартной модели как функция энергии
0 10 3
10 6
10 9
10 12 10 15 10 18 0.02 0.04 0.06 0.08 0.10 0.12
Электромагнитное взаимодействие
Слабое взаимодействие
Сила взаимодействия
Энергия (ГэВ)
Энергия БАКа
(14 000 ГэВ)
Сильное взаимодействие
РИС. 19. При высоких энергиях три известных негравитационных взаимодействия могут иметь одинаковую силу, и не исключено, что их можно было бы свести в одно взаимодействие
Возможность того, что силы всех трех взаимодействий действительно сходятся в одной точке, представляется не просто кра* Обратите внимание, что этот рисунок соответствует более точной версии объ единения, чем первоначальный вариант Джорджи и Глэшоу, в котором линии сходились почти, но не совсем. Несовершенство теории удалось показать позже, когда появились более точные данные об интенсивности взаимодействий. — Прим. авт.
ВОЛШЕБНАЯ ЭКСКУРСИЯ В ГЛУБЬ МАТЕРИИ 125
сивой гипотезой. Расчеты с использованием квантовой механики и специальной теории относительности указывают: дело, вполне возможно, обстоит именно так*. Однако энергетический диапазон, в котором это происходит, намного превышает все те энергии, которые мы можем изучать в своих экспериментах на коллайдере. Расстояния, на которых согласно расчетам должно «работать» единое взаимодействие, составляют порядка 10
–30 см. Но, несмотря на то что подобные расстояния выходят далеко за пределы наших возможностей по непосредственному наблюдению, мы можем подумать о том, какие косвенные следствия унификации взаимодействий можно было бы зарегистрировать имеющимися средствами.
Одним из таких явлений мог бы стать распад протона. Согласно теории Джорджи и Глэшоу — а она попутно вводит новые виды взаимодействий между кварками и лептонами — протоны должны самопроизвольно распадаться. Учитывая достаточно специфическую природу этой теории, ученые смогли подсчитать, с какой частотой должен происходить этот распад. До сих пор никому не удалось его наблюдать, что, по идее, исключает вариант теории, предложенный Джорджи и Глэшоу. Это не означает, однако, что теория великого объединения обязательно неверна. Просто в реальности она может оказаться более сложной, чем предположили эти ученые.
Теория великого объединения наглядно демонстрирует, как можно расширить наши знания за пределами непосредственно наблюдаемых размеров. Пользуясь теоретическими допущениями, мы можем попытаться экстраполировать то, что уже сумели экспериментально проверить, на область пока недоступных прямому измерению энергий. В случае теории великого объединения попытки экспериментально наблюдать распад протона позволили ученым косвенно изучить взаимодействия на расстояниях, выходящих далеко за пределы возможностей непосредственного наблюдения. Эти эксперименты позволили проверить
* Они сближаются, но сегодня мы знаем, что в пределах стандартной модели объединение невозможно. Однако ее можно достичь в модифицированных вариантах стандартной модели, например с привлечением суперсимметрии, о чем пойдет речь в главе 17. — Прим. авт.
126 МАСШТАБИРОВАНИЕ
ВЕЩЕСТВА
выдвинутое предположение. Приведенный пример показывает, что иногда нам удается сделать интересные заключения о свойствах вещества и фундаментальных взаимодействиях и даже придумать способы распространить выводы, основанные на экспериментальных данных, на гораздо более высокие энергии и более общие классы явлений при помощи рассуждений о расстояниях и масштабах, которые на первый взгляд представляются слишком далекими, чтобы принимать их во внимание. Следующая (и последняя) остановка нашего воображаемого путешествия — так называемая планковская длина, а именно 10
–33
см. Чтобы получить некоторое представление о том, насколько реально мала эта величина, представьте, что она настолько же меньше протона, насколько сам протон меньше… ну, к примеру, Род-Айленда. В этом масштабе даже самые фундаментальные наши представления о пространстве и времени, вероятно, окажутся неверными. Мы не представляем даже, как мог бы выглядеть гипотетический эксперимент по исследованию расстояний, меньших, чем планковская длина. Это самый маленький размер, какой мы в принципе можем вообразить.
Тот факт, что мы не можем даже представить эксперимент, при помощи которого можно было бы исследовать планковские расстояния, вполне может оказаться не просто симптомом ограниченности человеческого воображения, техники или даже финансирования. Недоступность расстояний, меньших, чем планковская длина, может оказаться подлинным ограничением, обусловленным законами природы. Как мы убедимся в следующей главе, из законов квантовой механики следует, что для зондирования малых расстояний необходимы высокие энергии. Но стоит энергии, заключенной в небольшом объеме, оказаться слишком большой, как вещество коллапсирует и образуется черная дыра.
В этот момент на передний план выходит гравитация. Дополнительная энергия лишь сделает черную дыру еще больше, в чем мы успели уже убедиться на примере ситуаций, в которых влияние законов квантовой механики невелико. Мы не знаем, как вообще можно исследовать расстояние, уступающее планковской длине.
Дополнительная энергия здесь не поможет. Вероятно, что на этих
ВОЛШЕБНАЯ ЭКСКУРСИЯ В ГЛУБЬ МАТЕРИИ 127
невообразимо крошечных расстояниях традиционные представления о пространстве уже неприменимы.
Мне недавно довелось читать лекцию. После того как я рассказала о нынешнем состоянии физики элементарных частиц и наших предположениях о природе дополнительных измерений, кто-то из слушателей процитировал мне мое собственное забытое заявление о возможных ограничениях наших представлений о пространстве-времени. Меня спросили, как можно совместить рассуждения о дополнительных измерениях с мыслью о том, что на каких-то расстояниях пространство-время просто не существует.
Вообще, рассуждения о том, что категории пространства и времени теряют свою актуальность в определенных условиях, относятся лишь к невообразимо малой планковской длине. Поскольку никто до сих пор не видел объектов размером меньше 10
–17
см, можно сказать, что классическая геометрия на измеримых расстояниях не нарушается. Даже если понятие пространства на расстояниях, сравнимых с планковской длиной, теряет актуальность, не стоит забывать, что речь здесь идет о расстояниях много меньших, чем все, что мы до сих пор исследовали. Здесь нет никакого противоречия, если предположить, что при усреднении на много бо льших наблюдаемых расстояниях возникает узнаваемая структура. В конце концов, на разных масштабах вещество нередко ведет себя очень по-разному. Эйнштейн говорил о непрерывной геометрии пространства на больших расстояниях. Однако его мысли могут оказаться неверными на малых расстояниях, если, конечно, они пренебрежимо слабо влияют на явления, наблюдаемые на измеримых расстояниях, так что добавление еще нескольких фундаментальных ингредиентов не даст различимого эффекта, который мы могли бы зарегистрировать.
Независимо от того, существуют ли на самых малых расстояниях пространство и время, принципиальное свойство планковской длины, о котором сообщают нам уравнения, состоит в том, что гравитация, действие которой на фундаментальные частицы на измеримых расстояниях пренебрежимо мало, становится серьезной силой, сравнимой по интенсивности с остальными
128 МАСШТАБИРОВАНИЕ
ВЕЩЕСТВА
известными нам силами. На планковской длине стандартная формула тяготения, согласно теории относительности Эйнштейна, уже неприменима. В отличие от более крупных расстояний, где мы можем предсказать поведение системы таким образом, чтобы оно хорошо согласовывалось с экспериментальными данными, на этих крохотных расстояниях квантовая механика и теория относительности несостоятельны и применять теории, которым мы обычно пользуемся, невозможно. Мы даже не знаем, как подойти к прогнозированию. Общая теория относительности основана на классической пространственной геометрии. На планковской длине категории пространства и времени из-за квантовых флуктуаций может образовать слишком сложную структуру, к которой уже неприложимы традиционные формулы тяготения.
Чтобы делать какие бы то ни было предсказания о планковских расстояниях, нам необходимо обзавестись новой концептуальной теорией, объединяющей квантовую механику и гравитацию в единую теорию, известную как теория квантовой гравитации. Законы природы, наиболее эффективно работающие на планковских расстояниях, должны сильно отличаться от тех, которые уже доказали свою справедливость на доступных нашему наблюдению масштабах. Не исключено, что для понимания планковского масштаба понадобится не менее фундаментальный сдвиг парадигмы, чем переход от классической механики к квантовой. Пусть мы не можем производить измерения на самых крохотных расстояниях, но у нас есть шанс больше узнать о фундаментальной теории гравитации, пространстве и времени при помощи все более сложных теоретических построений.
Самый популярный кандидат на роль «теории всего» — так называемая теория струн. Первоначально в ней речь шла о том, что на определенных масштабах фундаментальные частицы заменяются на фундаментальные струны. Сегодня нам известно, что в теории струн помимо собственно струн фигурируют и другие фундаментальные объекты (в главе 17 мы узнаем об этом больше), а ее название иногда заменяют на более широкое (но менее определенное) — М-теория. В настоящее время эта теория — самое многообещающее направление исследований квантовой гравитации.
ВОЛШЕБНАЯ ЭКСКУРСИЯ В ГЛУБЬ МАТЕРИИ 129
Однако теория струн ставит перед исследователями громадные концептуальные и математические проблемы. Никто пока не знает, как сформулировать теорию струн, чтобы ответить на все вопросы, с которым должна иметь дело теория квантовой гравитации. Более того, размеры струн порядка 10
–33
см, скорее всего, неподвластны экспериментам.
Поэтому возникает резонный вопрос: стоит ли тратить время и ресурсы на исследования в области теории струн? Мне очень часто задают этот вопрос. Зачем изучать теорию, из которой вряд ли следует хоть что-нибудь, что можно проверить экспериментально? Некоторые физики считают, что достаточным основанием для этого является математическая и теоретическая непротиворечивость теории. Эти люди надеются повторить успех Эйнштейна, которому удалось разработать общую теорию относительности на основе почти исключительно теоретических и математических построений.
Другим мотивом к изучению теории струн — мотивом, который лично мне представляется очень важным — является то, что она позволяет нам по-новому взглянуть на идеи, следствия из которых могут проявляться и на измеримых расстояниях.
Приведем две такие идеи: это суперсимметрия и теории допол-
нительных измерений, о которых мы тоже поговорим в главе 17.
В физике элементарных частиц эти теории имеют экспериментальные следствия. Более того, если некоторые теории, связанные с дополнительными измерениями, подтвердятся и смогут объяснить явления, наблюдаемые на энергиях БАКа, то можно будет рассчитывать на получение данных по теории струн тоже на гораздо более низких энергиях, чем считается в настоящий момент.
Открытие суперсимметрии или дополнительных измерений само по себе не докажет теорию струн, но это будет сильный аргумент в пользу работы над абстрактными идеями, у которых нет прямых экспериментально проверяемых следствий.
ГЛАВА 6
«ВИДЕТЬ» — ЗНАЧИТ ВЕРИТЬ
Ученые смогли определить, из чего состоит вещество, только после того, как появились инструменты, позволившие заглянуть в его глубины. Слово «заглянуть» здесь означает не прямые наблюдения, а методики непрямых исследований, которые используются для зондирования крохотных расстояний, недоступных невооруженному глазу.
Сделать это без труда удается редко. Тем не менее, несмотря на проблемы и интуитивно непонятные результаты, иногда получаемые в ходе экспериментов, окружающая действительность реальна. Законы природы, даже те, что действуют на крохотных расстояниях, порождают измеримые следствия, до которых рано или поздно добираются самые изобретательные исследователи.
Наши сегодняшние знания о веществе и его взаимодействиях — это квинтэссенция многих лет наблюдений, озарений, инноваций и теоретических разработок, позволяющих нам непротиворечиво объяснить огромное разнообразие экспериментальных результатов. При помощи непрямых наблюдений, начало которым положил несколько веков назад Галилей, физики выяснили, что скрывает вещество в своих глубинах.
Теперь мы поговорим о современном состоянии физики элементарных частиц, о теоретических прорывах и экспериментальных открытиях, которые привели нашу науку к ее нынешнему состоянию. Конечно, рассказ об этом будет похож скорее на сухой список: мне придется перечислить ингредиенты, входящие
«ВИДЕТЬ» — ЗНАЧИТ ВЕРИТЬ 131
в состав вещества, и рассказать, как каждый из них был открыт.
Список станет куда интереснее, если не забывать о том, что эти разнообразные ингредиенты на разных масштабах ведут себя очень по-разному. Кресло, в котором вы сидите, в итоге можно разложить на эти элементы, но, для того чтобы разобраться в его подлинной структуре, понадобилась длинная цепочка открытий.
Ричард Фейнман в свое время пошутил, говоря об одной из своих теорий: «Если она вам не нравится, отправляйтесь куда-нибудь в другое место — может быть, в другую Вселенную, где правила проще…» Возможно, некоторые утверждения или предположения, которые кажутся нам истинными, слишком громоздки и невнятны.
Но человеческое нежелание их принимать, не изменит того факта, что природа устроена именно так — сложно и запутанно.
МАЛЫЕ ДЛИНЫ ВОЛН
Маленькие расстояния кажутся нам непривычными. Мы не можем узнать, что происходит на самых маленьких расстояниях, без специальных крохотных инструментов. Страница (или экран), которую вы сейчас читаете, выглядит совершенно не так, как элементы, из которых состоит ее вещество. Все дело в том, что человеческое зрение по природе своей основано на наблюдении видимого света. Этот свет излучают электроны, находящиеся на орбитах вокруг центров атомов. Как показано на рис. 14, длина волны видимого света не настолько мала, чтобы позволить нам заглянуть внутрь ядра.
Нам нужно быть умнее — или смелее — и определить, что происходит в атоме на крохотных расстояниях, сравнимых с размером ядра. Для этого необходимо излучение с гораздо меньшей длиной волны, чем у видимого света. Поверить в это, пожалуй, нетрудно.
Представьте себе воображаемую волну, длина которой равна размеру Вселенной. С чем бы эта волна ни взаимодействовала, информации от этого взаимодействия не хватит, чтобы обнаружить в пространстве хоть что-нибудь. Если в этой волне не будет более коротких колебаний, у нас не будет возможности определить — одной только гигантской волной никак не обойтись, — что какой-то опре-
132 МАСШТАБИРОВАНИЕ
ВЕЩЕСТВА
деленный объект находится в каком-то определенном месте. Это как если накрыть кучу вещей мелкой сетью и спросить, где в этой куче находится ваш бумажник. Вы не сможете его отыскать без инструмента с достаточным разрешением, который позволил бы заглянуть внутрь кучи и различить там более мелкие вещи.
Если имеешь дело с волнами, нужно, чтобы их гребни и впадины располагались на правильном расстоянии, примерно соответствующем размеру объекта, который ученые пытаются рассмотреть.
Волна в этом смысле подобна сети, размер ячейки которой соответствует длине волны. Если известно только, что в сети что-то есть, это «что-то» гарантированно находится в пределах области, по размерам соответствующей размерам сети. Чтобы узнать о положении объекта точнее, потребуется либо сеть с меньшими ячейками, либо другой способ поиска неоднородностей в более мелком масштабе.
Квантовая механика говорит нам, что по характеристикам волны можно судить о вероятности обнаружения частицы в конкретной точке пространства. Волны, о которых идет речь, могут быть обычными световыми волнами, а могут оказаться теми, которые несет в себе каждая отдельная частица. Длина такой волны говорит нам о том, на какое минимальное разрешение мы можем рассчитывать, если будем зондировать малые расстояния с помощью частицы или излучения.
Квантовая механика также утверждает, что короткие волны требуют высоких энергий. Дело в том, что с энергией связана частота, и волны самой высокой частоты — с самой короткой, соответственно, длиной — несут в себе максимальную энергию. Таким образом, квантовая механика связывает высокие энергии и малые расстояния и подсказывает нам, что только эксперименты, оперирующие высокими энергиями, могут помочь ученым проникнуть в тайны внутреннего устройства вещества. Именно по этой принципиальной причине для зондирования самой сердцевины вещества и его фундаментального строения нам необходимы устройства, способные разгонять частицы до высоких энергий.
О том, что высокие энергии позволяют исследовать крохотные расстояния и взаимодействия на этих расстояниях, говорят и квантово-механические волновые соотношения. Чем меньшие
«ВИДЕТЬ» — ЗНАЧИТ ВЕРИТЬ 133
расстояния мы хотим рассмотреть, тем более высокие энергии — и, следовательно, более короткие волны — нам потребуются.
Квантово-механический принцип неопределенности, утверждающий, что малые расстояния связаны с большими импульсами, получает дополнение в лице специальной теории относительности, которая устанавливает связь между энергией, массой и импульсом и делает эту связь более отчетливой.
Ко всему прочему, Эйнштейн научил нас, что энергия и масса взаимозаменяемы и могут превращаться друг в друга. Так, при столкновении частиц их масса может обернуться энергией, поэтому чем выше энергия, тем более тяжелые материальные частицы могут быть получены, так как E = mc
2
. Это уравнение означает, что высокая энергия — E — делает возможным создание более тяжелых частиц с большей массой — m. И эта энергия носит всеобщий характер, из нее может возникнуть частица любого типа, если только она кинематически возможна (иначе говоря, достаточно легка).
Таким образом, высокие энергии, исследованием которых мы занимаемся в настоящее время, — это мостик к меньшим расстояниям и размерам, а возникающие в ходе эксперимента частицы — ключ к пониманию фундаментальных законов природы, действующих на этих расстояниях. Любые новые частицы и взаимодействия, проявляющиеся на малых расстояниях, могут стать ключом к пониманию основы так называемой Стандартной модели элементарных частиц — наших нынешних представлений о самых базовых, самых фундаментальных структурных элементах вещества и их взаимодействиях. Теперь давайте рассмотрим некоторые ключевые открытия, связанные со Стандартной моделью, и методы, которые используют сегодня ученые, чтобы еще немного продвинуться в этом направлении.
ОТКРЫТИЕ ЭЛЕКТРОНОВ И КВАРКОВ
Все объекты в атоме — электроны, обращающиеся вокруг ядра, и кварки, удерживаемые глюонами внутри протонов и нейтронов — были экспериментально обнаружены учеными при помощи миниатюрных «зондов» с высокими энергиями. Мы уже видели,
134 МАСШТАБИРОВАНИЕ
ВЕЩЕСТВА
что электроны в атоме привязаны к ядру силой притяжения противоположных электрических зарядов. Благодаря этой силе энергия системы в целом — атома — оказывается ниже, чем суммарная энергия отдельных его элементов. Поэтому, для того чтобы выделить и исследовать электроны, кто-то должен передать атому достаточно энергии, чтобы его ионизировать — иначе говоря, освободить электроны, оторвав их от ядра. Отдельный электрон для физиков гораздо удобнее: его свойства, такие как заряд и масса, можно исследовать.
Открытие ядра — другой составной части атома — было еще более удивительным событием. Эрнест Резерфорд и его студенты обнаружили ядро в ходе опытов, аналогичных сегодняшним экспериментам с элементарными частицами. Они обстреливали ядрами гелия (которые тогда называли альфа-частицами, потому что о существовании у атомов ядер еще ничего не было известно) тонкую золотую фольгу. Энергия альфа-частиц оказалась достаточной, чтобы Резерфорд смог выявить некие структуры внутри ядра. Он обнаружил, что альфа-частицы, которыми они обстреливали фольгу, иногда отклонялись на значительно больший угол, чем рассчитывали ученые (рис. 20). Они ожидали, что частицы будут равномерно рассеиваться, а вместо этого обнаружили, что некоторые из них отлетают от фольги, будто рикошетят от заключенных внутри тяжелых шариков. Сам Резерфорд описывал это так:
Отраженная альфа-частица
Поток альфа-частиц
Золотая фольга
Альфа-частица
Атомное ядро
РИС. 20. В эксперименте Резерфорда альфа-частицы (которые, как нам сегодня известно, представляют собой ядра гелия) рассеиваются на золотой фольге. Неожиданно большой угол отражения некоторых альфа-частиц продемонстрировал существование в центре атома концентрированной массы — атомного ядра
«ВИДЕТЬ» — ЗНАЧИТ ВЕРИТЬ 135
«Это было самое невероятное событие из всех, с какими я сталкивался в жизни. Это было почти столь же невероятно, как если бы вы стреляли 15-дюймовым снарядом по листу папиросной бумаги, а снаряд отскочил бы и попал рикошетом в вас самих. После, как следует поразмыслив, я пришел к выводу, что такое отражение должно быть результатом одного-единственного столкновения; я провел расчеты и убедился, что невозможно получить реакцию такой силы, если не взять систему, в которой бо льшая часть массы атома сконцентрирована в крохотном ядре. Именно тогда у меня появилась мысль об атоме с маленьким массивным центром, несущим электрический заряд».
При экспериментальном обнаружении кварков внутри протонов и нейтронов также использовались методы, во многом аналогичные методам Резерфорда, но энергии для этого потребовались намного бо льшие, чем были у его альфа-частиц. Требовался ускоритель частиц. Он должен был придавать электронам — и излучаемым ими фотонам — достаточно высокие энергии.
Первый кольцевой ускоритель элементарных частиц получил название циклотрон, поскольку частицы в нем, ускоряясь, двигались по окружности. Первый циклотрон построил в 1932 г. Эрнест
Лоуренс в Университете Калифорнии. Это был очень маленький
(около 30 см в диаметре) и слабый по современным стандартам циклотрон. Энергии, которые он позволял получать, даже близко не подходили к уровню, необходимому для обнаружения кварков. Это знаменательное открытие стало возможным лишь после многочисленных усовершенствований конструкции ускорителей; в ходе которых, кстати говоря, было сделано несколько важных открытий.
Задолго до того, как появилась возможность исследовать кварки и внутреннюю структуру атомного ядра, в 1959 г., Эмилио
Сегре и Оуэн Чемберлен получили Нобелевскую премию за открытие антипротона (в 1955 г. на бэватроне Лаборатории имени Лоуренса в Беркли). Бэватрон — ускоритель более сложный, чем циклотрон — уже мог доводить энергию протонов до уровня, соответствующего шестикратной массе покоя; этого более чем достаточно для создания пар «протон — антипротон». Протонным
136 МАСШТАБИРОВАНИЕ
ВЕЩЕСТВА
пучком на бэватроне бомбардировали различные мишени и (согласно все той же волшебной формуле E = mc
2
) получили невиданные прежде разновидности вещества, в том числе антипротоны и антинейтроны.
Вообще, антивещество играет в физике элементарных частиц очень существенную роль, поэтому давайте отвлечемся ненадолго и поговорим об этом замечательном явлении — своеобразном двойнике того вещества, которое мы наблюдаем вокруг. Поскольку заряд любой частицы и соответствующей ей античастицы в сумме дает нуль, вещество при встрече с антивеществом может аннигилировать, то есть взаимно уничтожаться. К примеру, антипротон — одна из форм антивещества — может сливаться с протоном с образованием чистой энергии согласно формуле
Эйнштейна E = mc
2
Британский физик Поль Дирак «открыл» антивещество математически в 1927 г. при попытке отыскать уравнение, которое описывало бы электрон. Единственное уравнение, соответствующее всем известным принципам симметрии, которое ему удалось записать, подразумевало существование частицы с той же массой, что у электрона, но с противоположным зарядом, — частицы, которой до того момента никто никогда не видел.
Дирак в конце концов капитулировал перед уравнением и признал, что эта загадочная частица должна существовать. Американский физик Карл Андерсон открыл позитрон в 1932 г., подтвердив тем самым утверждение Дирака, который сказал как-то, что «уравнение оказалось умнее меня». Антипротоны — частицы гораздо более тяжелые — были открыты на 20 с лишним лет позже.
Открытие антипротона было важно еще и потому (помимо доказательства существования самой частицы), что наглядно продемонстрировало симметрию вещества и антивещества в природе, которая играет в физическом устройстве нашей Вселенной принципиальную роль. Однако мир наш состоит из вещества, а не из антивещества, и большая часть массы обычного вещества заключена в протонах и нейтронах, а не в соответствующих им античастицах. Для существования нашего человеческого мира — такого, каким мы его знаем, — в количестве вещества и антивеще-
«ВИДЕТЬ» — ЗНАЧИТ ВЕРИТЬ 137
ства необходима асимметрия, однако пока нам неизвестно, каким образом она возникла.
ОТКРЫТИЕ КВАРКОВ
С 1967 по 1973 г. Джером Фридман, Генри Кендалл и Ричард Тейлор провели серию экспериментов, которые помогли установить существование кварков внутри протонов и нейтронов. Эксперименты проводились на линейном ускорителе, который, в отличие от прежних бэватронов и циклотронов, ускорял электроны на прямой траектории. Лаборатория в Пало-Альто получила название Стэнфордский линейный ускоритель, или сокращенно SLAC.
Электроны, разогнанные на SLAC, начинали излучать фотоны.
Эти энергичные — а значит, коротковолновые — фотоны взаимодействовали с кварками внутри атомных ядер. Фридман, Кендалл и Тейлор измерили, как меняется частота взаимодействий с ростом энергии столкновения. Если бы у частиц в атомном ядре не было внутренней структуры, эта частота падала бы. При наличии структуры частота тоже падала, но значительно медленнее.
Как и в опыте Резерфорда, приведшем много лет назад к открытию атомного ядра, налетающие частицы (в данном случае фотоны) рассеивались иначе, чем это происходило бы, если бы протон представлял собой просто шарик без внутренней структуры.
Тем не менее даже в экспериментах, проводившихся на необходимом энергетическом уровне, распознать и классифицировать кварки оказалось непросто. Для этого и технологии, и теория должны были достичь такой стадии развития, на которой экспериментальные движения частиц можно было предсказать и понять.
Глубокие эксперименты и теоретический анализ, проведенный физиками-теоретиками Джеймсом Бьеркеном и Ричардом Фейнманом, показали, что частота взаимодействий хорошо согласуется с предположением о существовании внутри атомного ядра некой структуры; таким образом было доказано наличие внутренних элементов протонов и нейтронов, то есть кварков. В 1990 г. за это открытие Фридман, Кендалл и Тейлор были удостоены Нобелевской премии.
138 МАСШТАБИРОВАНИЕ
ВЕЩЕСТВА
Никто не мог надеяться на то, что кварки и их свойства можно будет увидеть собственными глазами. В этой области реально применимы только непрямые методы исследований. Тем не менее измерения подтвердили существование кварков. То, что предсказания и измеряемые характеристики хорошо согласуются между собой, а также вполне наглядная гипотеза о кварках говорили в пользу их существования.
Со временем физикам и инженерам удалось создать новые, усовершенствованные типы ускорителей, способные разгонять частицы до все более высоких энергий. Чем совершеннее становились ускорители, тем более высокоэнергетические частицы можно было использовать для зондирования структуры вещества — и, соответственно, тем меньшие расстояния исследовать. Открытия, сделанные в этот период, помогли разработать Стандартную модель — ее элементы обнаруживались один за другим.
ЭКСПЕРИМЕНТЫ С НЕПОДВИЖНОЙ МИШЕНЬЮ
ИЛИ КОЛЛАЙДЕРЫ?
Эксперименты, аналогичные тем, благодаря которым были открыты кварки, где пучок ускоренных электронов направляется на закрепленный образец вещества, называются экспериментами
с неподвижной мишенью. В них один пучок ускоренных электронов направляется на вещество, которое играет роль своеобразной неподвижной мишени.
В современных ускорителях, работающих со сверхвысокими энергиями, все иначе. В них происходят столкновения двух потоков частиц, причем оба потока предварительно разгоняются до высоких энергий (рис. 21). Несложно догадаться, что пучки при этом должны быть точно сфокусированы и направлены в одну и ту же крошечную область — только так можно обеспечить какие бы то ни было столкновения. Это значительно уменьшает число получаемых столкновений, поскольку вероятность того, что частица в пучке взаимодействует с чем-нибудь во фрагменте вещества, намного больше вероятности ее взаимодействия с частицей во встречном пучке.
«ВИДЕТЬ» — ЗНАЧИТ ВЕРИТЬ 139
Particle
Beams
Поток частиц
Поток частиц
Мишень
1   2   3   4   5   6   7   8   9   10   ...   28

перейти в каталог файлов


связь с админом