Текст книги "Бег за бесконечностью"
Автор книги: Александр Потупа
сообщить о нарушении
Текущая страница: 5 (всего у книги 16 страниц)
На рубеже 30-х годов произошел явный перелом. Воодушевленные блестящими и довольно быстрыми победами в исследовании атома, физики начали по-настоящему пристреливаться к атомным ядрам и их составляющим. И хотя очередное десятилетие стало скорее «ядерным», физика элементарных частиц успела обзавестись таким количеством новых загадок, что их решение стало совершенно безотлагательным делом. Делом чести физики XX века!
Глава третья. О высоких энергиях и глубоких идеях
Пределы наук похожи на горизонты: чем ближе подходят к ним, тем более они отодвигаются.
П. Буаст
Масштабы большого и малого
За последние 10–15 лет мы стали свидетелями интереснейшей филологической метаморфозы: все реже и реже в названиях конференций, учебников и обычных статей в научных журналах стало употребляться словосочетание «элементарные частицы», все чаще и чаще звучат другие слова «высокие энергии», «при высоких энергиях»… Что это – увлечение результатами экспериментов на гигантских ускорителях или окончательная потеря доверия к прилагательному «элементарный»?
Правильно будет сказать: и то и другое. Но еще правильнее – обратить внимание на те глубокие причины, которые превратили гонку за высокими энергиями в лейтмотив постижения микромира.
Прежде всего стоит обсудить масштабы интересующих нас явлений – недаром ведь говорят: все познается в сравнении. Но масштаб, в свою очередь, основа любого сравнения.
Современная физика действует в невообразимо большом диапазоне линейных размеров. Радиус наблюдаемого участка вселенной составляет примерно 1028 сантиметров, а наименьшие расстояния, доступные изучению на сегодняшний день, – 10–15 сантиметра. Представить себе столь большие и столь малые длины «в живых картинках» чрезвычайно сложно. От того, что я сообщу, например, что мерная лента длиной порядка радиуса вселенной будет весить не меньше нашей планеты, ничего к пониманию факта не прибавит. Человеческий опыт непосредственного восприятия расстояний ограничен интервалом от долей миллиметра до 1–3 километров. Вне этого интервала требуется включать некоторое воображение. Оно может быть изрядно натренировано для того, чтобы свободно измерять на глазок добрые десятки километров, как это бывает у летчиков, или считать маковое зернышко слишком большой заготовкой для вытачивания точной копии роденовского «Мыслителя», как это встречается среди умельцев – потомков великого Левши.
В сущности, аналогичную тренировку проходят и физики, для которых десятки в плюс – минус такой-то степени становятся по мере восхождения на высоты университетской премудрости чем-то вполне естественным и понятным. Как ни странно, дело здесь не в легендарных склонностях ума, а в глубоком усвоении тех понятий и образов, которые стоят за «сухой цифирью», а главное – в овладении основными принципами измерения очень больших и очень малых расстояний, масс и прочих важных характеристик. Попробуем и мы последовать по этому проверенному пути.
Прежде всего наблюдаемый диапазон размеров и расстояний следует подвергнуть традиционному разбиению на три части, каждая из которых представляет собой более или менее обособленный мир объектов и процессов.
Мегамир – вселенная в целом, галактики, звездные скопления, планетные системы.
Макромир – обычные предметы и процессы «нормальных», человеческих масштабов, воспринимаемые в целом, без особого углубления в структуру.
Микромир – большие и малые молекулы, атомы, атомные ядра, элементарные частицы.
Разумеется, такое разбиение весьма условно, а «миры» – лишь емкие художественные образы. Но в нем есть своя логика, и оно оказывается достаточно полезным.
Во-первых, огромный диапазон действительно разрезается на три непересекающихся отрезка. Например, в качестве минимального мегапромежутка мы можем принять расстояние от Земли до Луны (порядка 360 тысяч километров, то есть 3,6.1010 см). С теми, кто убежден в несолидности такого выбора и считает, что наименьшая подобающая для «мега» порция – размер галактического скопления, я не стал бы спорить, скорее всего, это дело вкуса. Скажем, мне приятно считать, что люди побывали на пороге мегамира, и на Луне отпечатались следы башмаков и колес.
Аналогичные проблемы могут возникнуть и при попытке определить границу «микро». Микромиров, в сущности, много. Для ученых, исследующих молекулы, атомы, атомные ядра и элементарные частицы, микромир начинается с примерно 10-6-10-7 сантиметра и уходит в пока еще плохо понятные глубины. Микромир биолога раз в сто (в среднем!) больше. Разумеется, все они правы – каждый из них имеет в виду особый тип процессов, и не стоит затевать длинные дискуссии на этот счет, тем более что мы успели выяснить, в каком смысле используется в этой книге образ «микро».
Во-вторых, объекты, расположенные по порядку своего размера вдоль всего диапазона, оказываются в очень важной взаимосвязи – они образуют так называемую структурную иерархию. В этом устрашающем словосочетании нет никаких особых тайн. Так принято обозначать следующую ситуацию – меньший в некотором смысле объект входит в качестве структурной единицы в больший, тот в еще больший и т. д.
Двигаясь от большого к малому, мы можем нарисовать такую упрощенную картинку: вселенная состоит из галактик; галактики – из звезд (точнее – из планетных систем); звезды и планеты – из вещества в различном состоянии; вещество – из молекул; молекулы – из атомов; структурными элементами атомов являются электроны и атомные ядра; а ядра состоят из протонов и нейтронов.
Из чего составлены известные элементарные частицы, мы пока не знаем. Похоже, что у последней ступеньки великой иерархической лестницы возникает своеобразный обрыв, и глубина открывающейся под ногами пропасти впечатляет не столько еще не добытым знанием, сколько тем предварительным пониманием, которое уже достигнуто. Но рассказ об этом еще впереди…
И наконец, третьей чрезвычайно полезной особенностью разделения диапазона линейных размеров является простая классификация измерений. До сих пор наш старый добрый макромир оставался немного в тени. Вроде бы ясно самые интересные явления происходят на самых краях этого диапазона, краях, непосредственно упирающихся в полную неизвестность
Но вот ведь в чем беда – как бы мы ни исхитрялись в штурме неведомых глубин вселенной или в непрерывных атаках на структуру вещества, все действия окажутся совершенно бессмысленными, если мы не позаботимся о путях доставки донесений с поля боя. Научные факты не носятся в безвоздушном пространстве, они добываются людьми и для людей. Иными словами, любые невообразимо малые или невообразимо большие процессы становятся достоянием науки только тогда, когда оказываются доступными нашему восприятию.
Какими бы сложными и сверхсложными приборами ни вооружались ученые, их действия на заключительном этапе снятия показаний, по существу, не будут отличаться от того, что совершали их далекие предшественники. Старинные гравюры донесли до нас неторопливые, но полные внутреннего напряжения сцены научных свершений, где главные измерения проводились с помощью обычных линеек и весов. Современные линейки могут быть существенно автоматизированы, но в конечном счете показания стрелки самого тонкого электротехнического устройства не что иное, как «прикладывание линейки» к некоторому исследуемому объекту.
Впрочем, эти показания могут непосредственно поступать в некоторый специальный автомат, переводящий их сразу в цифровые таблицы, например, в электронно-вычислительную машину. Конечно, физик, считывающий многометровые колонки чисел с длинных рулонов бумажной ленты, не особенно похож на своего древнего коллегу, задумчиво взирающего на уровень жидкости в сосуде причудливой формы. Но в этих картинах намного больше внутреннего сходства, чем внешних различий, – оба исследователя изучают явления в доступной для человеческого восприятия форме.
Поэтому одна из важнейших задач создателей приборов – свести заключительный этап измерений к обычному эксперименту с макроскопическими объектами, то есть не слишком большими и не слишком малыми по объему, массе и прочим характеристикам телами. Причем практически основную роль играет удобный, соизмеримый с человеческими возможностями линейный масштаб. Фотопластинки в специальных устройствах, подсоединенных к телескопу, переводят гигантские пути далеких звезд в маленькие черточки, доступные простым лабораторным измерениям. В уже знакомой нам камере Вильсона пролетающая частица нарушает покой огромного числа атомов, и они, потревоженные, подают коллективный «сигнал бедствия» бледными полосками сконденсировавшихся паров, после чего в ход пускаются стандартные геометрические принадлежности.
Таким образом, измерительные операции можно условно разделить на три класса. Центральное место не только по положению относительно диапазона размеров, но и по смыслу занимают обычные измерения с макроскопическими телами. Операции в «мега» и в «микро» отличаются прежде всего массой дополнительных устройств, обеспечивающих своеобразную проекцию в наш макромир. Как правило, эти устройства усиливают слишком слабые и ослабляют слишком сильные сигналы, делая их доступными для наших органов чувств. Огромные телескопы собирают свет далеких звезд и галактик, позволяя увидеть множество удивительных явлений на совершенно темных для невооруженного глаза участках неба. Специальные фильтры помогают исследовать довольно тонкие детали поведения нашего ярчайшего центрального светила
Вообще история астрономических измерений – настоящий оптико-геометрический роман с многими почти детективными поворотами сюжета; но пересказ его содержания не входит в наши цели.
Основные принципы проектирования из «микро» в «макро» фактически уже проиллюстрированы рассказами о камере Вильсона, беккерелевском открытии и мысленным экспериментом со сцинтиллирующим экраном и фотопластинками, которые приведены в предыдущей главе. Главная идея всех решений проблемы доступности – вызвать с помощью микрочастицы коллективное возмущение атомов вещества, заранее приведенного в состояние «полной боевой готовности».
Однако с измерениями в микромире связаны не только многочисленные технические трудности, бросающие вызов всем областям науки, участвующим в создании необходимых приборов. Существуют и некоторые принципиальные ограничения.
Предположим, мы хотим выяснить положение электрона в пространстве и скорость, с которой он движется. Для определения положения электрона прежде всего необходимо его осветить. Причем чем точнее мы хотим знать, где он находится, тем короче должна быть длина волны используемого освещения. Это общее правило, следуя которому создаются, например, микроскопы и любые другие приборы для обнаружения и изучения тех или иных препятствий. Скажем, для обнаружения самолета используются радиоволны дециметрового диапазона. Самолет имеет размеры порядка нескольких метров, то есть в десятки раз больше, чем длина волны «освещения», и радиолокационной установки
в дециметровом диапазоне достаточно для того, чтобы он не проскочил незамеченным. Хорошо известно, что обычные оптические микроскопы – сколь бы мощными линзами их ни снабжали – имеют предел применимости: в них нельзя рассмотреть объекты, размер которых меньше длин волн видимого света. Практически же наблюдать можно лишь объекты, размер которых раз в десять превосходит длину волны излучения, которым освещается объект.
В нашем мысленном эксперименте все позволено. Мы можем не ограничиваться сравнительно длинноволновым излучением, характерным для радиодиапазона или видимого света, а использовать, например, ультрафиолетовое, рентгеновское или даже гамма-лучевое освещение. Более того, мы можем вообразить особое устройство, которое позволяет сколь угодно уменьшать длину волны. Такое устройство – величайшая, но пока, увы, недосягаемая мечта исследователей; однако его вполне можно использовать в мысленном опыте – оно не противоречит никаким принципам физики!
Но правило, которое мы применяли в случае радиолокационной установки или оптического микроскопа, будет действовать и в любом другом случае. Оно связано с волновой природой электромагнитного поля и в более точном виде звучит так: погрешность в определении размера или положения некоторого объекта никогда не может быть сделана меньше длины волны используемого освещения.
Разумеется, имея под рукой чудесное устройство для беспредельного уменьшения длины волны, мы способны сделать и погрешность сколь угодно малой, то есть определить положение интересующего нас электрона со сколь угодно высокой точностью. Но тут-то оказывается, что мы начисто теряем возможность решить вторую часть поставленной задачи; как вы помните, необходимо определить еще и скорость электрона.
В этом пункте неприятности наступают из-за двойственной природы электромагнитного поля. Оно ведь может быть представлено и как поток фотонов! Но фотон обладает определенным импульсом, причем этот импульс пропорционален частоте или обратно пропорционален длине волны. Падая на электрон, фотоны будут передавать ему часть импульса, то есть сообщать дополнительную скорость – этот процесс соответствует эффекту Комптона. Погрешность в определении импульса электрона как раз и равна (примерно!) импульсу, который фотон передает электрону в каждом отдельном акте соударения. В свою очередь, переданный импульс приблизительно равен фундаментальной постоянной Планка (h), деленной на длину волны.
Теперь займемся простой алгеброй – перемножим погрешности в определении как положения электрона (Дх), так и его импульса (Др). Оказывается, что их произведение вообще не зависит от длины волны освещения и примерно равно постоянной Планка. Заключительная формула имеет вид соотношений неопределенностей Гейзенберга (Дх).(Др) B h
Разобранный здесь мысленный эксперимент был придуман в свое время самим В. Гейзенбергом для наглядного вывода одного из вариантов своих знаменитых соотношений и даже имеет особое название – микроскоп Гейзенберга
Этот эксперимент действительно в чрезвычайно наглядной форме показывает, что к определению наблюдаемых величин в микромире следует подходить с особой осторожностью. Казалось бы, чего уж проще – решили измерить положение частицы и ее импульс, или скорость, а оказывается, что без света ничего сделать нельзя (нет наблюдения'), а со светом одновременное точное определение двух величин – координаты и импульса – вообще невозможно
С точки зрения квантовой механики наша ошибка заключена уже в самой постановке задачи – электрону не следовало заранее приписывать свойство «обладать одновременно точным значением координаты и точным значением импульса» Это просто неоправданное распространение классических представлений из привычного для нас мира больших и тяжелых тел на ту область, где они неприменимы
Таковы основные сложности, подстерегающие всех, кто пытается получить полезную информацию об устройстве микромира. Однако если трудности в создании приборов преодолены, а квантовомеханические тонкости учтены, остается главный вопрос, как пробиться к очень малым расстояниям'
Очевидный путь связан с получением все меньших и меньших длин воли, разумеется, не только световых, но и дебройлевских волн любых элементарных частиц, фактически же, поскольку дебройлевская длина волны обратно пропорциональна импульсу частицы, следует создавать пучки частиц, обладающих все более высоким импульсом. Следовательно, тайны сверхмалых расстояний могут раскрыться только перед теми, кто сумеет использовать в своих экспериментах частицы с достаточно высокими энергиями Прорыв к малым и сверхмалым пространственным областям – бесспорно, достойная цель и одна из главнейших причин упомянутой выше «филологической метаморфозы» Однако за такой формулировкой задачи кроется на самом деле более глубокое содержание.
Внутренность пустой коробки, очень большой или очень малой, вряд ли может кого-нибудь заинтересовать Точно так же, для нас важны не впечатляющие пространственные размеры вблизи краев рассмотренного диапазона – 10–15 или 1028 сантиметров, – а те объекты и процессы, которые «за ними скрываются» Нам необходимо выяснить, не существуют ли за последней достигнутой пока ступенькой великой иерархической лестницы под названием «элементарные частицы» какие-то новые ступени, где еще не отпечатаны следы «всепроникающих человеческих башмаков». Не отыщутся ли там какие-то неведомые субэлементарные объекты, из которых на самом деле выстроены все известные сейчас частицы?
Весь исторический опыт, накопленный физиками, вроде бы выступает за положительный ответ. Ведь до сих пор в процессе исследования структуры вещества неизменно обнаруживался долгожданный следующий уровень строения. Действительно, составные объекты – очень частое явление. Под ними можно понимать совокупность каких-то иных, более простых объектов, называемых частями, которые связаны между собой определенными силами. Кусок железа, притянутый магнитом, – хороший пример типично составного объекта. Если мы заранее договоримся, что на расстоянии, скажем, одного метра друг от друга взаимодействием магнита с куском железа можно пренебречь, то, измеряя усилие, которое необходимо приложить для их разделения, предположим, оно оказалось равным 1 кГ (килограмм силы), мы без труда вычислим работу, затраченную на превращение одного составного объекта в две независимые части: в данном случае эта работа составляет один килограммометр (по-другому она называется энергией связи).
Энергия связи – чрезвычайно важное понятие в микромире. Чтобы ионизировать атом, необходимо совершить работу по удалению электрона на достаточно большое расстояние от атомного ядра. Такую работу способен проделать, например, фотон, энергия которого превышает энергию связи электрона в атоме. Именно этот механизм и лежит в основе фотоэлектрического эффекта.
Понятие энергии связи пронизывает буквально все наши представления о структуре вещества. Вот перед нами знаменитая цепочка – четыре обычных состояния вещества: твердое тело, жидкость, газ, плазма.
В твердом теле связи между атомами наиболее сильны, они образуют как бы жесткую сетку.
При нагревании эти связи начинают разрушаться – с ростом температуры атомы приобретают все большие кинетические энергии. Вещество переходит в жидкую фазу, жесткая сетка связей сохраняется лишь местами, во всяком случае, ее обычно не хватает для того, чтобы тело самостоятельно поддерживало прежнюю форму.
При еще более сильном нагревании практически все атомы приобретают достаточно большие кинетические энергии для преодоления энергии межатомных связей, вещество становится газообразным.
И наконец, дальнейший нагрев начинает разрушать внутриатомные связи. Электроны отрываются от ядер, возникает своеобразная горячая смесь из электронов и положительно заряженных ионов, называемая плазмой.
Каковы же порядки величин различных связей в микромире? По традиции, возникшей практически одновременно с самой физикой элементарных частиц, их энергию принято измерять в электрон-вольтах. Один электрон-вольт – это энергия, которую приобретает электрон, ускоряясь разностью потенциалов в один вольт. Сокращенное название этой единицы – эВ (по специальному международному соглашению теперь принято даже в сокращенных обозначениях использовать заглавные буквы, если название единицы происходит от имени какого-либо ученого – в данном случае речь идет о выдающемся итальянском исследователе XVIII века А. Вольте). Более крупные единицы образуются по обычным правилам «метрического фольклора»: 1 килоэлектрон-вольт (КэВ) =тысяче электрон-вольт, 1 мегаэлектрон-вольт (МэВ) = миллиону эВ, 1 гигаэлектрон-вольт (ГэВ) = миллиарду эВ, 1 тераэлектрон-вольт (ТэВ) = 1012 эВ.
С точки зрения макроскопических представлений электрон-вольт очень маленькая энергетическая величина; даже один ТэВ составляет всего-навсего 1,6 эрга. Но если речь идет о том, чтобы сообщить энергию в один электрон-вольт каждой частице большого куска вещества, впечатление заметно меняется – вещество необходимо разогреть примерно до 7700 градусов!
В мире атомов и молекул характерные энергии связи заключены в интервале от малых долей электрон-вольта до нескольких электрон-вольт.
Для атомных ядер масштаб увеличивается примерно в миллион раз.
Теперь мы вполне готовы к тому, чтобы оценить, насколько хороши представления, типичные для составных моделей, например: «атом состоит из ядра и нескольких электронов», или: «атомное ядро состоит из протонов и нейтронов».
Высказывание о некотором элементе структуры имеет смысл тогда, когда он сохраняет свою индивидуальность, то есть когда его можно охарактеризовать одними и теми же (хотя бы почти одними и теми же) параметрами независимо от того, внутри ли структуры он находится или вне ее.
Естественно, основным энергетическим параметром элементарной частицы является ее масса Массы частиц принято оценивать в энергетических единицах, причем пересчет из граммов в электрон-вольты (сначала в эрги!) осуществляется по знаменитой эйнштейновской формуле: Е = Мс2, здесь с скорость света в пустоте, равная примерно 3.1010 см/с. Так, масса электрона составляет 9,1.10–28 грамма, или 0,51 МэВ. Для протона 938,28 МэВ, то есть около одного гигаэлектрон-вольта. Масса нейтрона примерно на 1,3 МэВ больше массы протона
Для оценки «качества» составной модели мы можем теперь использовать такую полезную величину, как отношение энергии связи к массе легчайшей элементарной частицы, входящей в структуру. Эта величина характеризует, грубо говоря, долю массы, которую частица должна потерять, находясь внутри структуры.
В случае атомов указанное отношение чрезвычайно мало – всего несколько миллионных долей единицы. Следовательно, представление об электроне как о структурной единице атомов с огромной степенью точности оправданно. В атомных ядрах ситуация не столь блестящая; указанное отношение порядка несколько тысячных долей, но и этого достаточно для разумного определения ядра как системы, составленной из протонов и нейтронов.
Таким образом, мы ответили на поставленный ранее вопрос, обсудив не только качественную сторону дела, но и обнаружив простую возможность количественной оценки.
Что же можно теперь сказать по поводу субэлементарного уровня и возможных составных частей элементарной частицы? На самом деле этот вопрос сам является «составным» – в нем явно выделяются два различных оттенка.
Первый из них таков – не являются ли некоторые из известных частиц «более элементарными», чем другие, и нельзя ли, следовательно, использовать их в качестве структурных элементов для построения остальных «менее элементарных», возможно, составных частиц?
По-видимому, такая возможность не слишком привлекательна, поскольку отношение энергии связи к массе оказывается в данном случае порядка единицы. А это значит, что одна элементарная частица внутри другой должна расстаться со своей массой, то есть практически полностью потерять свою индивидуальность. Поэтому, если в результате соударения двух элементарных частиц образовалась еще одна, новая частица, у нас нет оснований утверждать, что она «скрывалась» в одной из столкнувшихся. Разумнее полагать, что новая частица родилась непосредственно в процессе взаимодействия исходных двух.
Проблемы, связанные с таким представлением, нам еще предстоит обсудить в последующих главах
Вторая трактовка вопроса – не могут ли существовать субэлементарные частицы, абсолютно непохожие на обычные, известные нам элементарные? Тут мы рискуем вступить в область пророчеств на тему «появится ли то, не знаю что». Запретить появление чего-то с неопределенными свойствами, разумеется, нельзя. Современная физика элементарных частиц уже выработала несколько очень интересных конкретных моделей для объектов нового типа, и мы в дальнейшем обсудим их довольно подробно.
Итак, мы установили одну из основных причин интереса к пучкам частиц очень высоких энергий: не скрывается ли за уже достигнутым уровнем строения вещества некий новый уровень с необычайно большими энергиями связи? Но существуют и иные, не менее веские причины – они всплыли в процессе уже развернувшейся гонки за высокими энергиями, и о них речь впереди…
