Текст книги "Бег за бесконечностью"
Автор книги: Александр Потупа
сообщить о нарушении
Текущая страница: 6 (всего у книги 16 страниц)
Своим первым прорывом в область высоких энергий физика элементарных частиц всецело обязана замечательному «дару небес» – космическим лучам, потоку очень быстрых частиц, приходящих из глубин вселенной и непрерывно бомбардирующих нашу планету.
Прежде чем приступить к обсуждению этого интереснейшего явления природы, еще раз воздадим хвалу великому, внешне случайному, но логически совершенно необходимому открытию естественной радиоактивности элементов. Открытию, которое не только позволило получить первые сигналы о ядерных превращениях, но и подарило уникальное средство зондирования структуры вещества. Однако оно сыграло еще одну крайне любопытную и весьма важную роль. Перед наукой замаячили необычайно привлекательные возможности поиска самых разнообразных «таинственных излучений» И наука с небывалой активностью принялась их отыскивать, объяснять и использовать.
Пожалуй, самая крупная находка на этом пути обнаружилась несколько неожиданно. Существовала старая загадка, знакомая всем исследователям статического электричества. Загадка мучительная, создающая изрядные помехи в экспериментах, – самопроизвольная утечка заряда с хорошо изолированного проводника. Современным физикам, которые на страницах романов, на экранах и, что греха таить, в реальной лабораторной жизни умеют ловко вышибать дух неповиновения из капризных осциллографов и другой прецизионной аппаратуры, трудно поверить, что мудрые классики прошлых веков испытывали немалые неприятности с обычным электроскопом. Тем самым прибором-ветераном, вписавшим немало славных страниц в историю физики и так естественно вписавшимся в уютные интерьеры школьных кабинетов.
Вероятно, первым, кто отнесся к эффекту утечки заряда со всей серьезностью, как к предмету исследования, а не просто досадной помехе, был французский ученый Ш. Кулон – военный инженер, который увлекся изучением электричества уже на полувековом рубеже своей жизни и успел сформулировать основные законы взаимодействия покоящихся зарядов и магнитов.
Основываясь на исключительно тщательных измерениях, Ш. Кулон убедился, что количество электричества на проводнике, окруженном воздухом, быстро убывает с течением времени. Он попытался и объяснить этот эффект наиболее правдоподобным образом под ставки и окружающий воздух, полагал Ш. Кулон, не являются идеальными изоляторами, часть заряда уходит через подставку, часть – уносится частицами воздуха, которые сталкиваются с проводником, захватывают долю заряда и потом отлетают под действием сил отталкивания (ведь на частицах воздуха и на проводнике заряды одного знака).
Такое простое и наглядное объяснение продержалось в физике до начала нашего века, пока не было твердо установлено, что действие радиации, в частности гамма-излучения, ведет к созданию условий для утечки заряда. С другой стороны, исследователи обнаружили, что радиоактивные вещества рассеяны по всей земной коре (как раз в это время закладывался фундамент радиационной геофизики). И, наконец, прямые измерения скорости самопроизвольного разряда электроскопа в различных условиях показали, что хорошая экранировка свинцовыми пластинками заметно замедляет утечку.
Все эти факты свидетельствовали о недостаточности гипотезы Ш. Кулона. Многие физики стали думать, что утечка связана с влиянием гамма-лучей, испускаемых элементами земной коры. Эта идея оказалась весьма популярной, хотя и недолговечной. Как всегда, были сомневающиеся, которые говорили о совсем иных источниках излучения, действующего на электроскопы Законы разряда одинаковы в различных точках земного шара, указывали они, и трудно поверить, что радиоактивные вещества распределены абсолютно равномерно, скорее всего, излучение должно иметь какие-то внеземные и очень удаленные области возникновения, тогда, и только тогда, становится понятным его равномерное распределение по всей поверхности Земли…
И вот в такой ситуации именно сомневающиеся получили неожиданную поддержку благодаря включению в игру нового средства исследований. Это новое средство – воздушные шары, позволяющие эксплуатировать многокилометровые толщи атмосферы в качестве уникального экрана. Если поток радиации исходит из земных недр, то на достаточном удалении от поверхности он будет уменьшаться из-за экранировки воздухом, и, наоборот, поток космической радиации должен возрастать по мере удаления от Земли. Итак, возникла остроумная идея – проверить закономерности разряда электроскопа на различных высотах.
Надо сказать, что воздухоплавание начала нашего века делало свои «вторые шаги», выходило из области увлечения полетами как таковыми в область научных исследований в атмосфере. Здесь стоит отметить интересную аналогию с совсем уже близкими нам событиями. После первых успешных запусков искусственных спутников Земли и детальной отработки программы полетов центр тяжести переместился в область создания крупных орбитальных научных станций, способных собирать огромную информацию об околоземном и межпланетном пространстве. И одним из важнейших достижений космических лабораторий было продолжение и всестороннее развитие тех работ по изучению внеземных излучений, которые были начаты в 1909 году швейцарцем К. Гёккелем, впервые установившем электроскоп на воздушном шаре.
К. Гёккель обнаружил, что на высоте 4 километров электроскоп теряет заряд быстрее, чем на поверхности Земли. Примерно через четыре года серию аналогичных опытов завершил физик из Австрии В. Гесс. Его данные были достаточно полны для того, чтобы сделать важнейший вывод – излучение, вызывающее «самопроизвольный» разряд электроскопа, не связано с земной корой, оно имеет либо космическое, либо атмосферное происхождение. Сам В. Гесс больше склонялся к первому варианту, а второй рассматривал, скорее всего, как возможное сопровождающее явление или не до конца исключенную альтернативу. За такую удивительную прозорливость и, конечно, за получение первых доказательных результатов он был впоследствии удостоен Нобелевской премии.
Между тем окончательный выбор модели затянулся еще примерно на 10 лет из-за обилия противоречивых экспериментальных данных. Физики так и не смогли получить убедительных доказательств космической гипотезы из заоблачных высот. И тогда они сделали внешне парадоксальный, но, по сути дела, простой до очевидности «ход конем»: решили извлечь истину буквально из-под земли. Начиная с 1923 года, были проведены три серии глубинных экспериментов. Ионизационные свойства излучения были изучены с помощью приборов, установленных в глубокой альпийской расщелине, на 20-метровой глубине одного из калифорнийских озер и, наконец, на различных глубинах (вплоть до 220 метров!) озера Констанца.
Результаты этих исследований фактически закрыли атмосферную гипотезу. Стало ясно, что новый вид радиации обладает фантастической проникающей способностью. Мало того, что излучение пронизывало всю земную атмосферу, оно проникало сквозь слой воды, эквивалентный утроенной толщине атмосферы.
Отсюда следовало, что частицы нового излучения должны обладать огромными энергиями, в тысячу и более раз превосходящими энергии, характерные для земных радиоактивных источников.
Итак, поиски на земле, в небе, под землей и под водой увенчались замечательной находкой: был обнаружен тщательно замаскированный природой клад, размеры которого до сих пор не так-то просто оценить – клад, открывший совершенно новую эпоху в изучении структуры вещества, позволивший в буквальном смысле по-новому взглянуть на вселенную. При этом физики столкнулись с двумя захватывающими проблемами. Во-первых, нужно было немедленно постигать законы поведения элементарных частиц и атомных ядер при очень высоких энергиях. Во-вторых, стало ясно, что вселенная светится в потрясающе широком диапазоне частот и не только электромагнитными волнами, но и буквально всей таблицей Менделеева – от протонов до тяжелых ядер.
Следовательно, гигантские межзвездные и межгалактические пространства не какие-нибудь «хладные пустыни», где нет-нет, да и скользнет одинокий луч света, а вместилища сверхгорячего, хотя и очень разреженного, газа микрочастиц. Следовательно, космос живет бурной жизнью – в недрах звезд непрерывно происходят ядерные превращения, и сигналы об этих событиях уходят в космос… И еще появилось множество поражающих воображение «следовательно», и родились новые, достойные наших усилий проблемы.
В 1925 году американский физик Р. Милликен – один из главных участников заоблачных и подводных экспериментов – предложил для потоков высокоэнергетических частиц, приходящих из космоса, очень удачное название – космические лучи. Их природа была окончательно установлена в 1927 году благодаря опытам советского физика Д. Скобельцына, который сфотографировал следы частиц космического излучения с помощью камеры Вильсона. В 1931 году Р. Милликен и Ч. Андерсон провели первое тщательное измерение энергии космических лучей. Для этого пришлось специально придумать метод ослабления пучка, ведь энергия космических частиц была так велика (порядка нескольких гигаэлектрон-вольт), что позволяла им практически не реагировать на отклоняющее магнитное поле!
На этом первооткрывательский период завершился, и космические лучи начали демонстрировать богатейшую копилку сюрпризов. Но, прежде чем мы займемся ее содержимым, давайте немного обсудим возникающие теперь «семейные проблемы».
В конце 20-х – начале 30-х годов физика элементарных частиц делает огромный шаг вперед. Открытие космических лучей, по сути дела, приводит к появлению нового раздела – физики высоких энергий. О точной дате рождения этой науки договориться не так уж и просто. Ее можно связать и с первыми доказательствами, добытыми на шарах, и с определяющими результатами экспериментов Д. Скобельцына. Я думаю, что именно пятилетие 1927–1931 годов было порогом, преодолев который исследователи смогли со всей определенностью сказать: мы имеем дело с новым типом объектов – элементарными частицами с очень высокими энергиями. Во всяком случае, возник основанный на результатах измерений количественный критерий для выделения особого предмета исследований.
Конечно, для выделения особой области исследований нужны не количественные, а уже качественные отличия основных объектов, иначе буквально к каждой цифре энергетического диапазона можно прикрепить по «бирочке» с каким-нибудь оригинальным названием! Но в физике качественная новизна, как правило, связана с преодолением некоторого количественного часто говорят, критического рубежа. Например, трудно усомниться в том, что твердое тело и жидкость – качественно разные состояния вещества. Не достаточно ли говорить об одном веществе, одновременно указывая температуру ниже или выше точки плавления? Оказывается, нет. При переходе не все свойства меняются непрерывным образом, скажем, высокая упорядоченность атомов в твердом теле возникает «скачкообразно».
В микромире тоже существуют критические значения энергии, они связаны с величинами масс элементарных частиц. Массы частиц (как мы уже договорились, массы будем выражать в энергетических единицах) располагаются в интервале от нуля до примерно 4 гигаэлектрон-вольт, причем подавляющее большинство частиц имеют массы свыше 100 мегаэлектронвольт. Космические лучи в отличие от всех ранее известных радиоактивных источников обладали кинетическими энергиями не только в указанном интервале, но и намного большими. Благодаря такому огромному запасу энергии при их соударениях с другими частицами и атомными ядрами атмосферы могли образовываться любые новые частицы. Именно в этом и состоит качественно новый наблюдаемый эффект.
Так что появление на арене космических лучей стало прологом к физике высоких энергий, прологом интересным и многообещающим.
И нам стоит остановиться лишь на нескольких, но, пожалуй, наиболее драгоценных сюрпризах из обширной «космической шкатулки».
Уже в 1932 году Ч. Андерсон, изучая отклонения космических пришельцев в магнитном поле, установил, что некоторые следы в камере Вильсона соответствуют положительно заряженным частицам с массой электрона. Ими оказались позитроны – своеобразные антиподы электронов. Так превратилось в экспериментально доказанный факт предсказание релятивистской квантовой механики, удвоившее наблюдаемый мир. Это предсказание возникло на стыке двух мощных потоков новых представлений следующим образом.
К середине 20-х годов пересеклись пути квантовой механики и теории относительности: необходимо было построить уравнение Шредингера для электрона, движущегося с большими скоростями. С этой проблемой блестяще справился двадцатишестилетний английский физик-теоретик П. Дирак.
То, что обычно называют уравнением Дирака, представляет собой красивую форму записи четырех довольно хитро переплетенных между собой уравнений. Эту систему так называемых дифференциальных уравнений с помощью специальных преобразований можно привести к вполне прозрачной алгебраической форме. И тут возникает эффект, хорошо известный всем, кто решал обычные квадратные уравнения и имел удовольствие получать в качестве корней два числа, равных по абсолютной величине, но имеющих противоположные знаки. Разумеется, для упражнения из задачника по алгебре ничего страшного в таком решении нет. Отрицательные или положительные корни – какая разница! А вот при решении уравнения Дирака оказалось, что именно в этом таятся огромные опасности. Просто-напросто одно из решений этого уравнения соответствовало электрону с положительной массой, а другое – с отрицательной!
Эта неприятность родилась вместе с уравнением Дирака в 1928 году, и неприятность действительно не малая – где это видано, чтобы частица имела отрицательную массу? И вообще, что значит отрицательная масса? Если бы такое было возможно, то обычные электроны стали бы самопроизвольно «проваливаться» на отрицательные энергетические уровни, излучая гамма-кванты! Через три года молодой физик сам предпринял отважную попытку спасти свое творение, подвергавшееся острой и вполне основательной критике со стороны ведущих теоретиков. Он воспользовался недавно открытым принципом Паули, запрещавшим двум электронам находиться в одинаковых состояниях.
К этому времени принцип Паули был хорошо проверен «в деле». С его помощью удалось объяснить правила формирования электронных оболочек различных атомов, придать четкий физический смысл такому чисто химическому понятию, как валентность, то есть, в конечном счете, установить физическую основу известной группировки элементов в таблице Менделеева.
П. Дирак предположил, что все уровни с отрицательными значениями энергии полностью заполнены обычными электронами, причем всю совокупность таких уровней (ее назвали «дираковским морем») нельзя наблюдать без специального воздействия. Чтобы добыть электрон из «дираковского моря», необходимо сообщить ему положительную энергию, достаточную для образования двух электронов. В этом случае мы будем наблюдать обычный электрон с положительной энергией, но, кроме него, в «дираковском море» возникает вакантное место – своеобразная «дырка», которая обладает свойствами обычного электрона, но с противоположным (положительным) знаком заряда. Разумеется, массы обеих частиц положительны, поскольку вначале была сообщена энергия, которой достаточно на образование двух частиц с массой электрона. Вся разница состоит в том, что «дырка» должна нести положительный электрический заряд – из-за этого ей присвоили и второе имя: антиэлектрон, или позитрон.
Дираковское предсказание касалось на самом деле не только электрона, но и любых частиц – каждой из них полагалось иметь по своему антиподу, лишь в редких случаях частица тождественна своей античастице, например, фотон. Эта идея – поразительный пример предоткрытия, поскольку впоследствии ни один физик не высказал по-настоящему серьезных – сомнений не только в существовании отдельных античастиц, но и целых антигалактик. Наблюдались лишь некоторые колебания, связанные с томительно долгим ожиданием экспериментального открытия антипротона (целых три десятилетия!).
Сейчас также наблюдаются определенные колебания в отношении к антимирам «макро» и «мега». А вдруг они вообще не обнаружатся, тем более что современная «антитаблица Менделеева» доведена только до антигелия, открытого советскими физиками в Институте физики высоких энергий под Серпуховом? Почему в ближайшей к нам области вселенной вещество очень сильно преобладает над антивеществом, тогда как на уровне микромира все выглядит в высшей степени симметрично?
Это интригующая проблема. Решение ее может привести к гораздо более впечатляющим последствиям, чем могли себе представить самые смелые писатели-фантасты, давно уже применяющие огромные объемы антивещества для ускорения звездолетов до околосветовых скоростей.
А дело заключается в следующем. При столкновении частицы с античастицей происходит так называемая аннигиляция, то есть взаимодействующие частицы исчезают, а вместо них охотно образуются другие частицы.
Сам термин «аннигиляция» (буквально – превращение в ничто, уничтожение) связан с наиболее наглядным примером этого процесса: самый вероятный исход встречи электрона и позитрона состоит в их гибели с одновременным рождением двух энергичных фотонов. Если такая реакция происходит с большим количеством вещества и антивещества, то образуется мощнейший световой поток преимущественно из жестких гамма-квантов, а при наличии подходящего фокусирующего зеркала нетрудно построить модель реактивного двигателя для звездолета…
Но фантазии фантазиями, а механизм аннигиляции ведет к предельному, с точки зрения современных физических представлений, энерговыделению. Практически вся масса вещества может быть переведена в энергию излучения, которую в принципе не запрещено преобразовывать в другие удобные формы. Не исключено, что именно «аннигиляционные реакторы» определят энергетический потенциал XXI века, но для этого надо научиться собирать и удерживать антивещество в достаточно больших количествах. Пока же получение микроскопических доз антивещества съедает целые океаны электроэнергии. Короче говоря, такие идеи еще очень далеки от практического воплощения, или, лучше будет сказать, нам кажется, что далеки.
Обратите внимание – первый же шаг в область высоких энергий принес совершенно новое и неожиданное явление. Причем неожиданное в абсолютном смысле этого слова. Например, волновая гипотеза Л. де Бройля не была предугадана физикой прошлых лет сколь-нибудь определенным образом. Тем не менее, вскоре после ее появления стало понятно, что волновые представления о веществе – долгожданные гости: из глубин истории сразу всплыло великое противостояние Фалеса и Платона, Ньютона и Гюйгенса, Томсона и Гольдштейна. А вот античастицы никто и никогда не предсказывал, ни в одном физическом исследовании нельзя встретить и намека на антимиры. Разве что в отдельных натурфилософских работах появлялись неопределенные идеи о непременном существовании противоположных начал, но это основывалось скорее всего на некотором обобщении опыта человеческих взаимоотношений, например, борьбы Добра и Зла и т. п. Два других важнейших сюрприза со стороны космических лучей тесно взаимосвязаны между собой и в некотором смысле еще более поразительны, чем открытие позитрона. Речь идет об обнаружении новых процессов – налетающая с огромной энергией космическая частица буквально взрывалась, сталкиваясь с одним из ядер вещества, генерируя множество следов, которые, в свою очередь, могли быть приписаны новым частицам, обладающим промежуточным значением массы между протоном и электроном.
Первые регистрации процессов множественного образования новых частиц, названных мезонами (дословно – срединными, промежуточными), стали отправным пунктом для того понимания центральной проблемы физики высоких энергий, которое сложилось в более или менее четкой форме лишь в настоящее время, примерно за последнее десятилетие.
В физику входило представление о новых чрезвычайно интенсивных силах, действующих между некоторыми элементарными частицами.
Необходимость в таких силах отчасти предугадана в процессе исследования атомных ядер. Уже в начале 20-х годов исследователи пришли к убеждению, что ни рассеяние на ядрах, ни сам факт их существования нельзя понять, если не предположить, что мы сталкиваемся с взаимодействиями, значительно сильней электромагнитных, но с чрезвычайно малым радиусом действия. Такая гипотеза сразу же позволяла качественно объяснить аномальное поведение альфа-частиц, пытавшихся проскочить в непосредственной близости от ядер, а также преодолеть очевидную трудность в ранних моделях самого ядра. Дело в том, что несколько протонов, образующих заряженный «остов» ядра, не могли быть устойчивой системой из-за огромных кулоновских сил отталкивания. Не могли, разумеется, если не существовало бы каких-то еще более мощных удерживающих, цементирующих их сил.
Более подробный рассказ о замечательном «ядерном клее» и интересных свойствах ядерно-активных частиц пойдет в последующих главах, там мы и обсудим не спеша обозначенные выше открытия. Здесь же мы отметим еще два полезных обстоятельства.
Во-первых, установление высокой активности космических пришельцев вдохнуло жизнь в едва уже не похороненную «с подобающими почестями» атмосферную гипотезу. Стало ясно, что, по крайней мере, часть попадающих в наземные установки частиц образуется не в глубинах вселенной, а в земной атмосфере под действием первичного истинно космического излучения.
Во-вторых, среди мезонов обнаружились своеобразные «замаскированные» электроны. Слово «своеобразные» относится лишь к способу их маскировки – они обладают примерно в 207 раз большей массой, в остальном же они начисто лишены какого-либо своеобразия, и именно этот факт оказался едва ли не самой неприступной тайной микромира. Сначала новые частицы окрестили мю-мезонами, потом название немного сократили до «мюонов», вероятно, для того, чтобы отличать их от других, гораздо более активных собратьев по мезонному семейству. К этому времени дираковское удвоение миров было более или менее неплохо освоено теорией, но вот для чего понадобилось природе еще одно, причем персональное удвоение электронов – этого никто так и не знает. Мюоны намного тяжелее электронов, но во всех реакциях строго следуют тем же правилам поведения, которые пишутся для электронов. Достаточно лишь провести во всех электронных соотношениях замену масс, то есть буквально подставить другое число, и перед вами готовый свод мюонных законов.
Так возникла «мю-е-проблема»; под таким названием проводятся международные семинары, ставятся сверхточные эксперименты, выходят в свет десятки статей. А она практически в первозданном виде и остается все той же мю-е-проблемой…
