Очарование физики - Глэшоу Ш.Л.
ISBN 5-93972-151-6
Скачать (прямая ссылка):
Физика элементарных частиц за последнее столетие пережила несколько революционных всплесков, и не исключена возможность того, что мы и теперь находимся на грани нового прорыва. Теоретические идеи и экспериментальные открытия недавно начали объединяться весьма впечатляющим образом. Судя по всему, мы очень близко подошли к созданию объединенной теории, которая могла бы описать предельную структуру материи. Новости связаны с определенным ростом терминологии: словами типа «очарование» и «странность», словосочетаниями в поисках кварка
149
типа «восьмеричный путь» и «удержание кварка цветными глюонами» изобилует не только профессиональная литература, они проникают уже и в средства массовой информации. И все же причины, которые приводят в восторг физиков, работающих в области элементарных частиц, человеку, далекому от науки, могут показаться абсолютно неясными.
Сейчас я хочу пригласить мирянина на экскурсию по джунглям физики элементарных частиц. Я опишу не только некоторых очень знакомых их обитателей, но и новые причудливые существа, которые уже предсказали, но еще не видели. Я ни в коей мере не претендую на полноту или завершенность своего рассказа, ибо кто может сказать, какая тварь покажется нам в следующий раз?
Джон Дальтон, основатель атомной теории, в 1810 году писал: «Мы попытались показать, что материя, несмотря на то, что она является чрезвычайно делимой, все же не является бесконечно делимой. Должен существовать некоторый предел, за который мы при делении материи зайти не можем. В существовании этих предельных частиц вряд ли можно сомневаться, хотя они, вероятно, слишком малы, чтобы их можно было увидеть. . . Для обозначения предельных частиц я выбрал слово атом, а не частица, молекула или любой другой миниатюрный термин, потому что это слово я считаю гораздо более выразительным; оно включает в себя понятие неделимого, чего нельзя сказать о других терминах».
И только в двадцатом веке стало ясно, что атом — кирпичик молекул, образующих всю обычную материю, — не является таким простым, каким считал его Дальтон. Далекий от элементарного, атом является составной структурой, в некоторой степени аналогичной Солнечной системе. Он состоит из маленького плотного ядра, окруженного гораздо большим облаком электронов. Большая часть массы атома сосредоточена в ядре, которое, кроме того, переносит положительный электрический заряд. Каждый электрон переносит отрицательный электрический заряд. Явления электричества и магнетизма, которые мы наблюдаем ежедневно, вызваны поведением света и подвижных электронов. Положительный заряд ядра всегда таков, что он может быть (и обыкновенно бывает) точно уравновешен отрицательным зарядом окружающих электронов.
Четыре века назад Ньютон объяснил, каким образом сила тяготения удерживает планеты на их орбитах вокруг Солнца; тем самым он дал нам возможность очень точно предсказывать некоторые события типа затмений. Аналогично, квантовая механика, сформулированная около 50 лет назад, показала, как электрическая сила удерживает атомы вместе; она позволяет нам достаточно подробно предсказать свойства атомов. 150
в поисках кварка 150
Но даже само атомное ядро, определяющее химическую природу атома, не является основной и неделимой составляющей материи. Открытие радиоактивности — выброса частиц из распадающегося ядра — показало, что одно атомное ядро способно превращаться в другое. Мечта алхимиков о превращении одного элемента в другой, в принципе, может быть реализована.
Самое крошечное ядро из всех существующих — это ядро водорода, и оно называется протоном. Атом водорода состоит из одного протона и одного электрона. В двадцатых годах ученые надеялись, что все атомы состоят только из протонов и электронов. Если бы это было так, то атомы можно было бы очень просто описывать, определяя количество электронов, отрицательные заряды которых предполагают равное количество положительно заряженных протонов, которые отвечают за массу атома (масса электронов пренебрежимо мала). Например, в электронном облаке атома азота семь электронов. Разве не может его ядро состоять из семи протонов, каким-то образом скрепленных в одно целое? Если бы это было так, то атом азота весил бы в 7 раз больше атома водорода, а на самом деле он весит примерно в 14 раз больше. Тогда было сказано, что атом азота должен состоять из 14 протонов и 14 электронов, причем половина электронов находится в ядре, а вторая половина образует облако вокруг ядра. Однако понятие электронов, находящихся внутри ядра, нарушало как некоторые основные принципы магнетизма, так и другие законы физики, вследствие чего осмысленная теория так и не была найдена.
Ситуация была спасена в 1932 году, когда открыли нейтрон — частицу с массой, близкой к массе протона, но без электрического заряда. На первых порах существование нейтрона вызвало некоторое замешательство. Могла ли это быть частица, состоящая из положительного протона и отрицательного электрона, связанных воедино? Или правильнее было бы сказать, что нейтрон является элементарной частицей, а протон лучше описывать как нейтрон, обладающий дополнительным положительным зарядом?
