Очарование физики - Глэшоу Ш.Л.
ISBN 5-93972-151-6
Скачать (прямая ссылка):
• Открывается или выводится новый слой луковицы. Появляются кандидаты в основные составляющие материи. Большая картина
121
• Развивается теоретическая система, необходимая для понимания частиц. Она появляется как «физика элементарных частиц» своего времени.
• Возникает «демографический взрыв» якобы элементарных частиц. Кажется, что их слишком много, чтобы считать их воистину элементарными.
• Ученые обнаруживают среди элементарных частиц правильную модель. Эти частицы группируются в системы или таблицы и выказывают систематические разновидности химических или физических свойств.
• Эксперименты указывают на существование более глубокой структуры. Якобы элементарные частицы ведут себя как сложные системы, образованные еще более простыми составляющими. Когда мы обнаруживаем существование этих гипотетических составляющих, мы устанавливаем сложность якобы элементарных частиц и вновь переходим к этапу 1.
Продолжим свой краткий обзор физики элементарных частиц вместе с Джоном Дальтоном, которого обычно считают основателем атомизма. Он показал, каким образом законы химического соединения требуют существования атомов. Началось быстрое развитие науки химии, описывавшей взаимодействия между основными атомами. По мере усложнения химических технологий обнаруживалось все большее и большее количество разновидностей атомов. Список Лавузье, состоявший из 30 химических элементов, к середине девятнадцатого века удвоился. Кто мог поверить, что для образования материи природа задействовала такое огромное количество различных фундаментальных строительных кирпичиков?
В 1859 году изобрели периодическую таблицу химических элементов. Она точно предсказала свойства элементов, которые еще предстояло обнаружить. В то время многим ученым казалось, что дни атомов как воистину фундаментальных систем сочтены. Атом каждого типа обладал целым множеством внутренних свойств, например: массой, размером и химическим сродством. Более того, каждый химический элемент при нагревании создавал характеристический спектр испущенного света, что привело к появлению мощного аналитического инструмента — атомной спектроскопии. В действительности атом представлял собой некоторую сложную структуру, состоящую из отдельных частей.
В 1896 году открыли электрон, а в 1911 — атомное ядро. Резерфорд осознал, что атом состоит из нескольких электронов, обращающихся по орбите вокруг маленького и плотного ядра, расположенного в центре. Мы опять вернулись к этапу 1. 122
Большая картина
Началось развитие новой науки — атомной физики, объясняющей структуру атомов. Новая и революционная методология, квантовая механика, дополнила раннюю и лишь приблизительную классическую теорию. Новый синтез объяснил многие свойства материи. Однако проблема большого количества разновидностей атомов осталась нерешенной. В самом деле, открытие изотопов показало, что атомных ядер гораздо больше, чем химических элементов. Опять начал вырисовываться систематический образец. Каждое атомное ядро обладает электрическим зарядом определенной величины. Его заряд всегда является в точности целочисленным кратным заряда электрона. Для ядра водорода он равен единице; для ядра урана — 92. Это целое число называется «атомным номером». Существует еще одно целое число, связанное с каждым ядром, — его масса. Каждое атомное ядро имеет примерно целочисленную массу, измеряемую в единицах массы ядра водорода. Например, ядро кислорода весит примерно в 16 раз больше ядра водорода, тогда как преобладающий изотоп урана имеет атомную массу, примерно равную 238.
В процессе радиоактивного распада и атомный номер (Z), и атомная масса (А) изменяются согласно некоторым закономерностям. Существует три процесса радиоактивного распада. При «альфа-распаде» А уменьшается на 4, a Z — на 2. В процессе «бета-распада» А остается без изменений, a Z увеличивается на единицу. При «гамма-распаде» не изменяется ни А, ни Z, что и указывает на то, что ядро не является элементарной частицей.
В год моего рождения, 1932, был открыт нейтрон. Его открытие отмечает новое возвращение к этапу 1 нашей циклической истории. Нейтроны и протоны (ядра водорода) оказались несомненными составляющими всех атомных ядер. Родилась новая наука — ядерная физика, которая подарила миру ядерное оружие (что плохо) и ядерную электроэнергию (что просто здорово). Закралось самодовольство, которое и чувствуется в словах Гамова. Конечно, мы наконец-то открыли основные составляющие материи.
И снова произошел демографический взрыв. К нейтронам и протонам присоединилось множество других частиц, которые тоже имели право претендовать на то, чтобы быть элементарными. Однако никто из находившихся в здравом уме не мог поверить, что все эти частицы являются элементарными. Вскоре во всем этом хаосе начали вырисовываться некоторые системы. В пятидесятых годах было создано много конкурирующих схем организации этих частиц в аналог периодической таблицы. В 1961 году Мюррей Гелл-Манн и Юваль Нееман изобрели систему под названием «восьмеричный путь». Вместо знакомого расположения периодической таблицы элементов в виде прямоугольника новая схема Большая картина
