Текст книги "Юный техник, 2006 № 03"

Автор книги: Юный техник Журнал

сообщить о нарушении

Текущая страница: 2 (всего у книги 5 страниц)

ГОРИЗОНТЫ НАУКИ И ТЕХНИКИ
Охота за бозоном Хиггса

В заголовке нет ошибки: охота ведется не за бизоном, а за бозоном и ведут ее не охотники, а физики-экспериментаторы, поскольку так называется не животное, а некая гипотетическая частица. Когда началась эта охота и к чему она может привести, мы с вами и попробуем разобраться.

Схема линейного ускорителя нового поколения.

Новое – подзабытое старое?

Загадочная частица получила свое название по имени профессора Питера Хиггса из Эдинбургского университета. Еще в 60-е годы прошлого столетия он предположил, что Вселенная вовсе не пуста, как нам кажется. Все ее пространство заполнено некой тягучей субстанцией, через которую осуществляется, например, гравитационное взаимодействие между небесными телами, начиная от частиц, атомов и молекул и кончая планетами, звездами и галактиками.

Другими словами, профессор предложил вернуться к идее всемирного эфира, которая однажды была уже отвергнута. Но поскольку физики тоже люди и не любят сознаваться в своих ошибках, то новую-старую субстанцию решили называть «полем Хиггса». И сейчас считается, что именно оно, это силовое поле, придает ядерным частицам массу. А их взаимное притяжение обеспечивается носителем гравитации, который вначале назвали гравитоном, а теперь бозоном Хиггса.

«Первокирпичики Вселенной»

Физикам давно бы хотелось добраться до таких частиц, которые бы можно было назвать «первокирпичиками Вселенной». С этой целью они открыли уже множество частиц, которые поначалу опрометчиво назвали элементарными. Однако всякий раз оказывается, что каждая «элементарная» частица, в свою очередь, делится на еще более элементарные. В итоге полный перечень элементарных частиц представляет сегодня весьма внушительный манускрипт. Специальный международный центр, который ежегодно обнародует сведения о новых элементарных частицах, каждый раз выпускает брошюру объемом около 50 страниц.

Впрочем, основных элементарных частиц не так уж много – всего десяток-другой, но и прочие важны для мироздания. Причем бесконечно дробить материю нельзя. Так можно дойти до абсурда и получить какой-нибудь бессмысленный результат, подобный полутора землекопам в неверно решенной школьной задачке.

Одно время исследователи надеялись было остановиться на кварках. Но теперь получается, что и кварков становится чересчур много для «первокирпичиков»… И сейчас на роль основного элемента Вселенной исследователи прочат опять-таки бозон Хиггса. Потому на него и охотятся.

Ловушка для бозона

В 2000 году физикам показалось, что бозон Хиггса наконец пойман. Однако серия экспериментов, предпринятых для проверки первого эксперимента, показала, что бозон снова ускользнул. Тем не менее, ученые уверены, что частица все-таки существует. А чтобы ее поймать, нужно просто построить более надежные ловушки, создать еще более мощные ускорители.

Один из самых грандиозных приборов человечества всеобщими усилиями строится сейчас в Европейском центре ядерных исследований близ Женевы. Класс установки обычно определяется энергией пучка, которая измеряется в электрон-вольтах (эВ). Самым крупным ускорителем в мире был выработавший свой ресурс, а потому закрывшийся в 2000 году Большой электронно-позитронный коллайдер (LEP), работавший в Европейском исследовательском центре CERN возле Женевы. На следующей ускорительной установке, которую назвали Новым линейным коллайдером (NLC), физики рассчитывают достичь энергии пучка в 250 млрд. эВ.

Электроны и соответствующие им античастицы – позитроны – рождаются в разных концах агрегата длиной более 30 км. Высокочастотное электромагнитное поле несет их друг к другу, как мощная волна несет на себе серфингистов. Столкновение частиц материи и антиматерии, движущихся внутри NLC со скоростью, предельно близкой к скорости света, должно высвободить энергию, достаточную для обнаружения пресловутого бозона Хиггса. Ведь NLC рассчитан на чудовищную энергию столкновения частиц, в нем смогут возникать даже лабораторные «черные дыры».

Все, что происходит при столкновении электронов и позитронов, будет зафиксировано при помощи специальных устройств, называемых детекторами. Попросту говоря, детектор – это сверхбыстродействующи аналог цифрового фотоаппарата. Он состоит из приборов с зарядовой связью, расположенных по кольцу вокруг узкой трубы, в которой происходят столкновения электронов с позитронами.

В течение долей секунды после каждого столкновения измерительные приборы сообщат компьютеру, получили ли они какой-нибудь сигнал, и если да, то какой. Вся эта информация затем сохраняется в обширной базе данных. Обработав около 300 миллионов ее элементов, физик может проследить движение каждой частицы, как сыщик выследил бы скрывающегося преступника по следам его операций с кредитными картами.

Так выглядит клистрон – основной элемент ускорителя.

На пути к «теории всего»

Впрочем, ловят бозон Хиггса не только для того, чтобы убедиться в справедливости предвидения профессора, найти еще одного кандидата на роль «первокирпичика Вселенной». Гипотетическая частица, по мнению многих ученых, позволит сделать очередной шаг по созданию Стандартной модели мира или Единой теории, которую иногда также называют «теорией всего».

Сейчас исследователям известно четыре типа фундаментальных взаимодействий между частицами. Первое и наиболее общее взаимодействие – гравитационное, которое испытывают все частицы без исключения. Оно проявляется в том, что все материальные объекты, будь то микрочастицы или макротела, притягиваются друг к другу с силой, пропорциональной их массам. Это взаимодействие по собственным ощущениям знает каждый человек, а описывается оно законом всемирного тяготения.

Переносчиками гравитационного взаимодействия по идее должны быть гравитоны – электрически нейтральные частицы, которые не имеют массы покоя и распространяются со скоростью света. При обычных плотностях материи гравитационное взаимодействие чрезвычайно слабо. По этой причине гравитоны до сих пор не найдены, хотя их пытаются обнаружить не один десяток лет.

В ядре работают другие силы – электромагнитные. Именно электромагнитное взаимодействие определяет структуру атомов, молекул, а значит, в конечном счете то, что окружающий нас мир таков, каков он есть. Это взаимодействие присуще только электрически заряженным частицам – электронам, протонам, заряженным мезонам. Обеспечивается оно квантами электромагнитного поля – фотонами, которые, подобно гравитонам, не имеют ни заряда, ни массы покоя и распространяются со скоростью света.

Третье, так называемое слабое, взаимодействие наиболее отчетливо проявляется в процессах с участием нейтрино – электрически нейтральной частицы, которая тоже, вероятно, не имеет массы покоя. Слабое взаимодействие имеет одно очень важное свойство: будучи действительно несильным при сравнительно малых энергиях, оно быстро усиливается с ростом энергии взаимодействия. При энергиях порядка нескольких сот гига-электрон-вольт слабое взаимодействие по своему влиянию уравнивается с электромагнитным.

Квантами – переносчиками слабого взаимодействия служат так называемые W– и Z-мезоны – очень тяжелые частицы, с массой примерно 80 и 90 ГэВ соответственно. Интересно, что эти частицы, подобно планете Нептун, были открыты теоретически, «на кончике пера». И лишь затем в начале 1983 года W– и Z-мезоны были обнаружены в экспериментах.

И наконец, четвертое фундаментальное взаимодействие, самое сильное из всех, так и называется сильное. Оно примерно в сто раз сильнее электромагнитного и присуще тяжелым ядерным частицам – нуклонам (протонам и нейтронам), пионам (разновидности мезонов) и их «сородичам». Из этих частиц, именуемых адронами, состоят атомные ядра, а в ходе их взаимодействия выделяется ядерная энергия. В последние двадцать лет выяснилось, что адроны – не элементарные частицы; они состоят из кварков, склеенных друг с другом глюонами.

Таким образом, как мы видим, в мире имеется четыре вида взаимодействий, которые, казалось бы, радикально отличаются друг от друга как по силе, так и по своим особенностям. «Но стоит задуматься, – полагают ученые, – а всегда ли было такое различие между этими взаимодействиями? Нет ли между ними внутренней связи, которая указывала бы на их происхождение от единого, более универсального взаимодействия в результате спонтанного нарушения симметрии?..»

Сейчас на этот вопрос с большой степенью вероятности можно дать утвердительный ответ. В первую очередь это касается электромагнитных и слабых взаимодействий. Во всяком случае, теория говорит о том, что электромагнитное и слабое взаимодействия – «потомки» одного, так называемого электрослабого, взаимодействия. А носителем этого взаимодействия должен быть как раз бозон Хиггса. Получается, эта частица обязательно должна существовать – иначе рушится сама теория.

С. НИКОЛАЕВ, научный обозреватель «ЮТ»

В Европейском исследовательском центре готовятся к новым экспериментам.

РАЗБЕРЕМСЯ, НЕ ТОРОПЯСЬ…
Ах, какие пузыри!

Вряд ли есть на Земле человек, который бы ни разу в жизни не видел мыльных пузырей. Эта детская забава миллионов и миллионов людей для физиков предмет изучения. Недаром великий английский физик лорд Кельвин в одной из своих лекций сказал: «Выдуйте мыльный пузырь и посмотрите на него. Вы можете заниматься всю жизнь его изучением, не переставая извлекать из него уроки физики». Так что же удивительного находят в мыльном пузыре ученые?

«Частокол» из ПАВа

Вы никогда не задумывались, почему мыльная вода, в отличие от обычной, способна раздуваться пузырями. Оказывается, все дело в том, что у мыльной воды меньше поверхностное натяжение. Обеспечивают же это так называемые ПАВы – поверхностно-активные вещества, содержащиеся в мыле.

«Каждая молекула ПАВ – это удлиненная цепочка, состоящая из многих атомов водорода и углерода», – пишет по этому поводу профессор Я.Е. Гегузин в своей работе, посвященной… – вы догадались правильно… – опять-таки пузырям.

Так вот каждая молекула-цепочка ПАВ обладает очень важной особенностью – концы ее имеют различные свойства: один конец охотно соединяется с водой, а вот противоположный «хвостик» – напротив, ее боится. Поэтому молекулы мыла на поверхности воды всегда выстраиваются так, что с жидкостью соприкасаются лишь те концы, которые испытывают к воде влечение, то есть являются гидрофильными.

В итоге на поверхности воды образуется тонкая мыльная пленка, состоящая их двух «частоколов», образованных молекулами ПАВ, и некоторое количество мыльной воды между ними. Эта трехслойная структура достаточно прочна и эластична, чтобы, не лопаясь, выдерживать напор сжатого воздуха.

Индийские химики разглядели в мыльной пленке миристиновокислого натрия необычные структуры, напоминающие кубки, чаши, кувшины…

Знаменитый английский физик лорд Рэлей, в свое время тщательно исследовавший эту пленку, сделал открытие, добавившее блеска к его научной славе. Он разъяснил, почему при раздувании мыльная пленка лопается далеко не сразу. Оказывается, по мере растяжения в ряды «частоколов» вставляются все новые молекулы ПАВ из резерва. И пузырь в спокойном воздухе лопается лишь после того, как этот резерв будет полностью исчерпан. Именно это позволяет некоторым умельцам выдувать пузыри диаметром более 4 метров!

Если же оболочку мыльного пузыря ткнуть иголкой или просто пальцем, он, как всем известно, тут же лопнет. Почему? Скоростная киносъемка, проведенная уже во второй половине XX века советским исследователем М.О. Корнфельдом, показала, что и как при этом происходит.

Оказывается, при нарушении целостности пленки молекулы ПАВ ведут себя согласно всем канонам военной науки. Поняв, что единый фронт уже не удержать, оставшиеся молекулы стягиваются в «кулак», то есть в каплю, из которой затем можно бы было выдуть следующий пузырь. Но так получается далеко не всегда – сжатый воздух, выходящий из пузыря, довольно часто рвет пленку на отдельные лоскуты, которые затем собираются лишь в мелкие капли.

Так схематически выглядит строение стенки мыльного пузыря.

Схема интерференции света на тонкой пленке, предложенная Т. Юнгом.

Радуга на пленке

Есть и еще замечательное свойство, которым знамениты мыльные пузыри. Наблюдательный поэт С. Маршак писал, что пузырь…

 
Горит, как хвост павлиний,
Каких цветов в нем нет!
Лиловый, красный, синий,
Зеленый, желтый цвет…
 

Да, мыльная пленка переливается всеми цветами радуги. Происходит это потому, объяснил известный английский физик Томас Юнг, что в тонких пленках наблюдается явление интерференции. Сам же будущий секретарь Лондонского королевского общества, едва научившись читать – а случилось это, между прочим, когда мальчику едва минуло два(!) года, – выучил стишок из детской книжки, в котором опять-таки говорилось о цветастом мыльном пузыре, и стал приставать к взрослым с вопросом, кто его покрасил, этот самый пузырь. А не получив ответа, стал искать его сам. Но лишь в возрасте 28 лет, в 1801 году, он понял, что такое интерференция, и постарался объяснить суть этого явления всем остальным.

«Предположим, что на поверхность пузыря, образованного пленкой постоянной толщины, падает пучок белого света таким образом, что различные участки поверхности пузыря пучок встречают под разными углами, – обстоятельно писал Юнг. – Сам белый свет, как объяснил нам сэр Исаак Ньютон, состоит из семи лучей различных цветов. В свою очередь каждый луч может частично отразиться от внешней стороны мыльной пленки, а частично – от внутренней. При этом, в зависимости от конкретных условий, обе части луча могут либо усилить друг друга, либо, напротив, пригасить. Это явление и зовется интерференцией».

И далее на схеме Юнг обстоятельно пояснял, при каких именно условиях лучи либо гасят друг друга (это происходит в том случае, если фазы волн противоположны), либо усиливают (когда фазы совпадают). Все это ныне достаточно подробно излагается в учебниках физики, в том самом разделе, где говорится об интерференции – явлении, открытом Юнгом.

Мы же лишь добавим, что на мыльной пленке наблюдается то же явление, что и в небе после дождя, когда там образуется радуга. И это открытие так поразило современников ученого, что французский физик Доменик Араго впоследствии так написал о Томасе Юнге: «Ценнейшее открытие доктора Юнга, которому суждено навеки обессмертить его имя, было ему внушено предметом, казалось бы, весьма ничтожным: теми самыми яркими и легкими пузырями мыльной пены, которые, едва вырвавшись из трубочки школьника, становятся игрушкой самых незаметных движений воздуха».

Пузырьки в расплаве.

Кристаллы… из пузырей?!

На этом исследования мыльных пузырей не заканчиваются. В 1942 году, в самый разгар Второй мировой войны, еще один замечательный английский физик, лауреат Нобелевской премии Лоуренс Брэгг, задал себе вопрос: «Можно ли искусственно создать кристалл, состоящий не из атомов или молекул, а из огромного количества крошечных мыльных пузырьков?» Ответ ученый получил в эксперименте. Спустя некоторое время Брэггу и его помощникам удалось создать идеальный пузырьковый кристалл (см. фото).

Пузырьки при определенных условиях способны образовать своеобразный пузырьковый кристалл.

Примерно такой же кристалл вы можете создать сами. Для этого вам понадобится обычная тарелка, заполненная мыльной водой, в которую добавлено несколько капель глицерина, игла от шприца, резиновая волейбольная камера и зажим, которым можно регулировать выход воздуха из отростка-соска надутой камеры. Таким зажимом, на худой конец, может послужить даже обычная струбцина.

Когда вы начнете, потихоньку выпуская воздух из соска камеры через иголку (см. схему), опущенную в воду, выдувать серию маленьких воздушных пузырьков диаметром 2–3 мм, то увидите интересную картину.

Добравшись до поверхности, такой пузырек тут же окутывается мыльной пленкой. А когда рядом появляется сосед, то тут же стремится прижаться к нему, постепенно образуя некую сотовую структуру. Вот это и есть простейший пузырьковый кристалл.

Эксперименты Брэгга и его помощников, в свою очередь, подтолкнули других исследователей на совершенствование подобных опытов. Так, скажем, недавно индийские исследователи, использовав одну из солей жирных кислот (а мыло как раз и является одной из жирных кислот) – миристиновокислого натрия, – при ее медленном охлаждении зафиксировали под электронным микроскопом различные стадии кристаллизации раствора. Получились весьма занятные картины (см. фото).

И это не пустяки. Такие эксперименты помогают исследователям лучше разбираться в процессах кристаллизации, например, расплавленных металлов.

Достижения «пузырьковедов»

Сейчас существует даже целый раздел науки, который полушутя-полусерьезно называют так – пузырьковедение. И хотя многие из «пузырьковедов» стесняются сознаться, что время от времени всерьез занимаются изучением поведения крошечных пузырьков в жидкости, именно благодаря этим «несерьезным» исследованиям ученым удалось решить многие, весьма серьезные проблемы. Например, когда на смену колесным пароходам пришли корабли с гребными винтами, моряки стали жаловаться, что лопасти винтов быстро становятся хрупкими, неведомый вид коррозии буквально пожирает металл.

Мыльная пленка может переливаться всеми цветами радуги.

Схема установки для получения множества маленьких мыльных пузырей.

Исследования показали, что здесь имеет место так называемая кавитация – физическое явление, на которое обратил внимание еще в первой половине XVII века иностранный член Российской Академии наук Даниил Бернулли. Если воду сильно перемешивать, заметил он, то в ней образуются пузырьки воздуха. И когда они схлопываются, то есть лопаются, следует довольно сильный гидравлический удар. Именно эти пузырьки сообща и разрушали лопасти винтов. И ученым с инженерами пришлось немало потрудиться, чтобы снизить влияние кавитации.

А вот пример сравнительно недавний. Когда американцы стали запускать первые ракеты в космос, некоторые из них никак не хотели летать – двигатели их попросту глохли или работали весьма неустойчиво. Причиной тому опять-таки оказались газовые пузырьки, которые образовывались в топливе, вспенивавшемся от вибраций ракеты. И опять инженеры призвали на помощь «пузырьковедов», которые решили эту проблему.

В общем, работы у крошечных пузырьков с каждым годом становится все больше. Так что, пожалуй, прав был знаменитый Марк Твен, сказав однажды: «Мыльный пузырь, пожалуй, самое восхитительное и самое изысканное явление природы».

Множество пузырьков в жидкости.

И. ЗВЕРЕВ

У СОРОКИ НА ХВОСТЕ

ПРОЛЕТАЯ НАД МЕШКАМИ С СЕЛИТРОЙ…Лет десять тому назад большой шум в самом буквальном смысле этого слова вызвал загадочный взрыв в поле близ городка Сасова Рязанской области. В свое время были высказаны многочисленные гипотезы, предположили даже, что в поле пытался осуществить вынужденную посадку НЛО, но взорвался…

Свою версию предложил инженер-химик из Московского института народного хозяйства имени Плеханова Б. Сидоров. И далее рассказал следующее. Военные самолеты, базирующиеся под Рязанью, в районе Сасова переходят звуковой барьер. И в ту памятную ночь, как рассказывают многие очевидцы, какой-то самолет прошел буквально над крышами, причем грохот был такой, что кое-где даже стекла в окнах полопались. А на том злополучном поле, между прочим, лежало около 50 центнеров удобрения – аммиачной селитры. Вот она и сдетонировала. Ведь не случайно это вещество террористы иногда используют наряду с обычной взрывчаткой.

ЗАЙМЕМСЯ РУКОПРИКЛАДСТВОМ?Уже очень скоро известная присказка, что у сильно занятого человека «рук не хватает», потеряет смысл. О том, чтобы оснастить всех желающих дополнительными руками, позаботилась английская компания Shadow Robot. Уже несколько лет британские специалисты занимались разработкой механической руки и, наконец, объявили о намерении выпускать свое детище для продажи. Созданная ими конечность очень похожа на человеческую кисть, только движется вдвое медленнее. Однако ей уже можно доверить даже очень хрупкие предметы, потому что пальцы Dexterous Handвесьма подвижны и чувствительны – они оснащены двумя сотнями датчиков, сигналы от которых получает компьютер, контролирующий устройство и выдающий команды пневматическим двигателям.

Создатели руки уверены, что их конечность найдет применение в сферах медицинской техники, образования, науки, развлечений, а также пригодится другим разработчикам роботов-андроидов.

ЕЩЕ ОДНА ПРОВЕРКА ЭЙНШТЕЙНА. Можно ли проверить теорию относительности Эйнштейна с помощью грифеля от карандаша? Можно, утверждают физики. Если изготовить из него чрезвычайно прочный материал толщиной в один атом – графен. Этот удивительный материал в прошлом, 2005 году получила группа российских и английских ученых под руководством профессора из Манчестера Андре Гейма, отделив атомарный слой от кристалла графита.

Электроны в графене ведут себя как релятивистские частицы без массы, так называемые фермионы Дирака, которые перемещаются со скоростью около 106 метров в секунду. Авторы работы рассказали, что при воздействии магнитного поля фермионы Дирака приобретают динамическую массу, согласно знаменитому уравнению Эйнштейна Е = mс ². Что, как говорится, и требовалось доказать.