Очарование физики - Глэшоу Ш.Л.
ISBN 5-93972-151-6
Скачать (прямая ссылка):
Давным-давно атомы считались элементарными и неделимыми. Однако существовало слишком много видов атомов, или элементов, чтобы все они могли быть элементарными. Затем ученые показали, что атомы имеют периодические и закономерные свойства, как это видно из периодической таблицы. Успех периодической таблицы привел ее создателя, Менделеева, к мысли о том, что атом является структурированной системой, образованной более простыми составляющими. Полвека спу- 132
Что такое элементарная частица? 132
стя стало ясно, что он был прав. Атом состоит из электронов, которые обращаются по орбите вокруг расположенного в центре ядра; это открытие привело к появлению квантово-механического взгляда на ядерный атом и к новому уровню структуры. Атом оказался отнюдь не элементарным. Это сложный объект, состоящий из атомного ядра и электронов.
Так, может быть, в таком случае элементарными были ядра атомов? Конечно же, нет. Были открыты изотопы. Оказалось, что атомных ядер больше, чем разных видов атомов, и очень скоро были открыты некоторые закономерности. В данном случае именно странные целочисленные значения атомных номеров и атомных масс привели к новому уровню структуры. Когда в 1932 году открыли нейтрон, всем стало ясно, что ядро состоит из нейтронов и протонов. Ранее ученые ошибочно полагали, что ядра состоят из протонов и электронов — единственных элементарных частиц, которые тогда были известны. Затем изобрели мезоны, чтобы обеспечить силы, удерживающие протоны и нейтроны вместе. Мы пришли к новой дисциплине: мезонной теории ядерных сил, — и к новой категории элементарных частиц: нейтронов, протонов, мезонов и их многочисленных родственников.
С началом использования в шестидесятых годах больших ускорителей элементарные частицы вошли в эпоху демографического взрыва. Оказалось, что существуют сотни таких частиц. Так же как существуют сотни различных атомов и 399 различных видов атомных ядер, живущих, по крайней мере, год, так существует и, как минимум, пара сотен различных видов элементарных частиц — слишком много, чтобы все их можно было считать элементарными. Чтобы что-либо было элементарной частицей, оно не должно существовать в слишком большом количестве разновидностей.
И опять в новых видах периодических таблиц начал восстанавливаться порядок; появилась система, известная под названием восьмеричного пути. В конечном счете, эта система привела к новому видению, новой структуре, которая сейчас называется стандартной теорией. Современная догма называется «квантовая хромодинамика и теория электрослабых взаимодействий». Эти теории, судя по всему, достаточно удачно объясняют окружающий нас мир на новом уровне элементарных частиц, называемых кварками.
Но все дошло до такого момента, когда для этих частиц тоже настал демографический взрыв. В настоящее время известны шесть видов кварков — количество, которое не является ни угрожающе большим, ни удовлетворительно малым.
Само изучение физики — явление периодическое. Мы начали с атомов, перешли к ядрам, частицам, кваркам, и в каждом случае, как толь- Что такое элементарная частица?
133
Хаос —»-Порядок—«- Структура —»¦ Хаос
Рис. 2. Змея, которая в виде спирали сворачивается внутрь в поисках плода познания.
ко появляется претендент на право быть элементарной частицей, за ним следует некоторый хаос (демографический взрыв), а за ним — новый уровень порядка (периодические свойства этих потенциально элементарных частиц). Затем появляются некоторые признаки структуры, и предлагается новый кандидат в элементарные частицы. Сегодня этим кандидатом является кварк. Эту логическую структуру тоже можно представить в виде змеи — змеи, которая в виде спирали сворачивается внутрь в поисках плода познания (рисунок 2).
Вернемся в прошлое — в 1869 год, к созданию периодической таблицы, — чтобы проследить, как развивалась ее структура. На рисунке 3 134
что такое элементарная частица?
мы видим часть периодической таблицы — фрагмент, имеющий немаловажное историческое значение. На рисунке показаны даты открытия некоторых элементов: иттрий (Y), например, был открыт в 1843 году, цирконий (Zr) — в 1824 году, а алюминий (Al) выделили только в 1825. Менделеев, который создал свою периодическую таблицу в 1869 году, заметил, что она обладает очень любопытным свойством: в ней присутствуют пробелы, соответствующие еще не открытым элементам. Чтобы завершить свою таблицу, он предсказал существование трех новых элементов и свойства отсутствующих элементов. Действительно, в 1879 году был открыт скандий, в 1875 году — галлий, а в 1886 году — германий.
Периодическая таблица оставалась тайной: Как она работает? Почему она работает? Мы не понимали этого до двадцатых годов, когда ее, наконец, поняли, объяснили и обобщили с помощью элементарной атомной теории. Те, кто изучал химию, знают, что сейчас мы понимаем структуру атома и периодическое поведение элементов: как строится последовательность от лития, бериллия, бора, углерода, азота, кислорода, фтора и т.д. с увеличением валентности и согласно закономерностям химических соединений. Теперь мы знаем, как эти факты объясняются через количество электронов в атоме и как само это количество объясняется электрическим зарядом ядра. Периодическая таблица объясняется через тяжелое маленькое ядро (которое принимается как данное химиками) и его целочисленный атомный заряд (чтобы обращающиеся по орбите электроны точно его нейтрализовали). Весь этот ансамбль подчиняется законам квантовой механики, датированным 1926 годом. С тех самых пор таблица перестала быть тайной; она стала полезна нашим друзьям-химикам, которые изобретают очаровательные новые продукты вроде дурацкой оконной замазки. Химия больше не является столь передовой и фундаментальной наукой, какой она была век назад.
