Очарование физики - Глэшоу Ш.Л.
ISBN 5-93972-151-6
Скачать (прямая ссылка):
В существование атомов многие поверили благодаря работе Дальтона в начале девятнадцатого века. Элементы в точно установленных отношениях объединялись в сложные вещества. Единственное простое объяснение «закона определенных соотношений» включало существование минимальных единиц каждого элемента — атомов. Затем последовали другие аргументы в пользу существования атомов, включая кинетическую теорию газов или явление броуновского движения.
Сколько было известно элементов, столько было и различных видов атомов. Разные атомы имели совершенно разные массы и свойства. Никому не могло даже показаться, что из всего этого может появиться упорядоченная система. Тем не менее, Менделеев был убежден, что природа уготовила очень простой секрет; он верил, что «слава Божия — облекать тайною дело, а слава царей — исследывать дело» (Прит., 25:2). Физика элементарных частиц как бесполезная трата времени и денег 197
Шесть лет прошло между созданием им периодической таблицы и ее экспериментальным подтверждением. Открытие элементов галлия, германия и скандия, обладающих в точности предсказанными свойствами, заставило замолчать тех, кто считал, что описательные достижения периодической таблицы — не более чем совпадения.
В начале двадцатого века Резерфорд показал, что атом не является элементарной частицей. Наблюдая упругое рассеяние альфа-частиц золотом, он заключил, что большая часть массы атома сосредоточена в его маленьком плотном ядре. Каждый атом состоял из точечного «партона», окруженного электронным облаком. Динамику этой системы суждено было объяснить квантовой механике, когда она получила должное развитие, и тогда же были до конца поняты таинственные успехи таблицы Менделеева.
Значит, элементарны ядра атомов? Но и этому не суждено было сбыться. Различных ядер было слишком много, чтобы можно было поверить в то, что все они элементарны: по крайней мере, одно ядро должно соответствовать каждому элементу. Открытие изотопов показало, что количество самостоятельных ядер в действительности превышает количество элементов. Масса каждого ядра оказалась примерно целочисленным кратным массы атома водорода. Более того, Мозли показал, что химические свойства каждого элемента можно привести в соответствие с другим целым числом — атомным номером. Наблюдаемая модель атомных масс и номеров была убедительным ключом к пониманию того, что ядро является составной системой. Однако все попытки создать ядра из простейшего ядра (протона) и электронов попросту терпели неудачу.
Единственным экспериментальным открытием, наиболее важным для объяснения структуры ядра, стало открытие нейтрона. Сразу же стало очевидно (непредубежденным людям), что ядра образованы двумя видами «нуклонов»: протонами и нейтронами. Количество составляющих нуклонов — это атомная масса; количество протонов — это атомный номер. Просто, как дважды два четыре. Заключительный этап данной схемы почти завершен. У нас действительно есть достаточно удачная теория структуры ядра: так называемые сильные взаимодействия отвечают за ядерную связь, вследствие чего можно объяснить многие тонкости ядерной физики. В течение некоторого времени кое-кто даже считал, что мы наконец-то нашли основные строительные кирпичики, образующие материю.
В 1947 году Джордж Гамов писал:
«Но конец ли это? — можете спросить вы. — Какое мы имеем право допускать, что нуклоны, электроны и нейтрино действительно элементарны и не могут быть разделены на еще более мелкие составляю- Физика элементарных частиц как бесполезная трата времени и денег 198
щие? Разве всего полвека назад атомы не считали неделимыми? И при этом какую сложную картину они являют собой сегодня!» Ответ состоит в том, что, несмотря на безусловную невозможность предсказания будущего развития науки о материи, сегодня мы располагаем гораздо более здравыми причинами, чтобы считать, что наши элементарные частицы действительно являются основными единицами и не могут быть разделены далее. Тогда как якобы неделимые атомы проявляли очень и очень разнообразные и довольно сложные химические, оптические и прочие свойства, элементарные частицы современной физики обладают чрезвычайно простыми свойствами; в действительности, по своей простоте, их даже можно сравнить со свойствами геометрических точек. Кроме того, вместо достаточно большого количества «неделимых атомов» классической физики, сейчас в нашем распоряжении остались всего три существенно различные категории: нуклоны, электроны и нейтрино. И несмотря на сильнейшее желание и стремление свести все к самой простейшей его форме, все невозможно свести к ничему. Таким образом, мы, судя по всему, действительно достигли цели своих поисков основных элементов, составляющих материю.
Однако этой картине очень скоро суждено было измениться. Юкава предсказал существование частиц, которые должны переносить ядерные силы точно так же, как фотоны переносят электромагнетизм. Его «мезотроны» впервые наблюдались в 1948 году и, в конце концов, были названы «пионами». Стало ясно, что нуклоны не имеют ничего общего с простотой геометрической точки. Подобно атомам и ядрам, они обладают широким разнообразием свойств. Нуклоны имеют «аномальные» значения магнитного момента, отличные от предсказанных теорией точечных частиц Дирака. Они проявляют многочисленные электромагнитные свойства, которых мы могли бы ожидать от частиц, имеющих определенный размер. Кроме того, существует много, много частиц типа нуклонов и пионов, которые участвуют в ядерном взаимодействии. Странные частицы были впервые обнаружены в 1947 году.
