Очарование физики - Глэшоу Ш.Л.
ISBN 5-93972-151-6
Скачать (прямая ссылка):
1Примечание автора. «Открытие» в 1984 году і-кварка оказалось ложной тревогой. Его еще не нашли, но найдут непременно. Большая картина
125
Нормальные люди измеряют энергию человеческими единицами, типа калорий или киловатт-часов. Специалисты по физике частиц, которых называют даже физиками «высоких энергий», работают с гораздо меньшими единицами, подходящими для отдельных частиц. Нашей единицей измерения энергии является электрон-вольт (сокращенно эВ). Один киловатт-час, например, равен 2 х IO25 электрон-вольт!
Каждая молекула воздуха находится в быстром и хаотическом движении. Средняя скорость молекулы воздуха примерно равна скорости звука: около 300 метров в секунду. При комнатной температуре ее средняя энергия составляет порядка 1/40 эВ. Химические реакции создают гораздо большее количество энергии на частицу. При сгорании атома углерода высвобождается несколько электрон-вольт энергии. Вот почему костер является относительно драматическим событием. Каждая частица видимого света, или фотон, переносит энергию в несколько электрон-вольт. Электрон-вольт является характеристической единицей измерения в химии, в оптике и во внешней части атома. Ускоритель с энергией, равной одному эВ, — знакомое всем устройство: батарейка карманного фонарика. Он не слишком дорог. Но при этом именно исследование явлений при нескольких электрон-вольтах показало, что атом является структурированной системой. Квантовая механика и атомная физика родились из наблюдения, что пламя становится желтым, если из кипящей кастрюли выливается жидкость. Подобный эксперимент, проведенный при немного более точных условиях, стал началом атомной спектроскопии и неминуемо привел к развитию химии.
Внутренняя часть атома гораздо меньше самого атома. Ее изучение требует использования зонда с гораздо большей энергией. Видимый фотон вообще бесполезен для столь тонкого анализа. Необходимы энергии в тысячи электрон-вольт, килоэлектрон-вольт, или кэВ. Подобные фотоны называются рентгеновскими лучами. Они тоже относительно недороги. Даже ваш сосед-стоматолог может позволить себе приобрести рентгеновский аппарат. Именно с помощью рентгеновских лучей Мозли, перед самым началом Первой мировой войны, открыл тайны внутренней области атома. Мозли показал, что химическая тождественность определяется зарядом ядра. Он установил ключевую концепцию атомного номера.
Какими бы энергетическими ни были рентгеновские лучи, их все же недостаточно для исследования внутренней структуры самого ядра. Здесь необходимы частицы с энергией, в тысячу раз большей. Ядерные свойства измеряются в миллионах электрон-вольт, или МэВ. И опять природа в изобилии предоставляет частицы с энергией в МэВ. Такие частицы создаются в процессах естественного радиоактивного распада. Именно ими воспользовался Эрнест Резерфорд, чтобы в 1911 году от- 126
Большая картина 126
крыть само ядро. Именно с помощью радиоактивных зондов в 1932 году был открыт нейтрон. Физикой энергий, измеряющихся в МэВ, занимаются и сегодня. Ядро атома еще не раскрыло все свои секреты. Маленькие специальные ускорители, создающие пучки частиц с энергией в МэВ, действуют по всему миру, где занимаются ядерной физикой. Состоятельный университет или развивающаяся страна без особых усилий могут позволить себе построить подобное устройство (и делают это).
Для изучения структуры протонов и нейтронов необходимо создать гигантское, тысячекратное увеличение энергии. Энергии физики частиц измеряются в миллиардах электрон-вольт (или ГэВ). Антипротон обнаружили вскоре после создания синхротрона в Беркли. Он создавал около 3 ГэВ энергии на столкновение.
Современный нам синтез, стандартная модель квантовой хромоди-намики и теории электрослабых взаимодействий — с «элементарными» кварками и лептонами, — возник из открытий, сделанных во время экспериментов при энергии в несколько ГэВ. Теперь мы, наконец, подошли к Большой Науке. В Соединенных Штатах четыре лаборатории работают на границе мульти-ГэВ: Брукхейвенская национальная лаборатория в Нью-Йорке, Лаборатория им. Ферми в Иллинойсе, Стэнфордский комплекс ускорения частиц в Калифорнии и более скромная, но очень продуктивная установка в Корнеллском университете.
Нашим поискам может прийти конец, если мы не сделаем еще один гигантский шаг. Чтобы узнать, почему кварки и лептоны ведут себя именно так и являются ли они основными частицами природы, нам нужны энергии, равные многим триллионам электрон-вольт (или ТэВ). Наши друзья из Европы первыми добились энергий столкновения, равных половине ТэВ, которые привели их к открытию VK-частицы и Z-частицы. Начиная с 1988 года, американский коллайдер лаборатории Ферми работал при энергии почти в 2 ТэВ. Однако стало очевидно, что даже такой энергии недостаточно, чтобы ответить на наши самые спорные вопросы. Ввиду этого американские физики высоких энергий своим высшим приоритетом поставили создание гигантского ускорителя, создающего энергии столкновений в 40 ТэВ. Эта машина нашей мечты может иметь окружность в сотни миль, а на ее строительство уйдут миллиарды долларов. Ясно, что пограничная физика стала не столь дешевой, какой она была раньше. Построит ли правительство США наш Сверхпроводящий суперколлайдер, как называют эту гигантскую машину? Разумный ли это способ тратить деньги американских налогоплательщиков, заработанные с таким трудом? Приведет ли создание, введение в эксплуатацию и использование такой дорогой установки к новому технологическому и научному прогрессу, который сделает свой вклад в развитие современной цивилизации? Работа теоретика: элементарные частицы Что такое элементарная частица?
