В нашем мысленном эксперименте все позволено. Мы можем не ограничиваться сравнительно длинноволновым излучением, характерным для радиодиапазона или видимого света, а использовать, например, ультрафиолетовое, рентгеновское или даже гамма-лучевое освещение. Более того, мы можем вообразить особое устройство, которое позволяет сколь угодно уменьшать длину волны. Такое устройство - величайшая, но пока, увы, недосягаемая мечта исследователей; однако его вполне можно использовать в мысленном опыте - оно не противоречит никаким принципам физики!
Но правило, которое мы применяли в случае радиолокационной установки или оптического микроскопа, будет действовать и в любом другом случае. Оно связано с волновой природой электромагнитного поля и в более точном виде звучит так: погрешность в определении размера или положения некоторого объекта никогда не может быть сделана меньше длины волны используемого освещения.
Разумеется, имея под рукой чудесное устройство для беспредельного уменьшения длины волны, мы способны сделать и погрешность сколь угодно малой, то есть определить положение интересующего нас электрона со сколь угодно высокой точностью. Но тут-то оказывается, что мы начисто теряем возможность решить вторую часть поставленной задачи; как вы помните, необходимо определить еще и скорость электрона.
В этом пункте неприятности наступают из-за двойственной природы электромагнитного поля. Оно ведь может быть представлено и как поток фотонов! Но фотон обладает определенным импульсом, причем этот импульс пропорционален частоте или обратно пропорционален длине волны. Падая на электрон, фотоны будут передавать ему часть импульса, то есть сообщать дополнительную скорость - этот процесс соответствует эффекту Комптона. Погрешность в определении импульса электрона как раз и равна (примерно!) импульсу, который фотон передает электрону в каждом отдельном акте соударения. В свою очередь, переданный импульс приблизительно равен фундаментальной постоянной Планка (h), деленной на длину волны.
Теперь займемся простой алгеброй - перемножим погрешности в определении как положения электрона (Дх), так и его импульса (Др). Оказывается, что их произведение вообще не зависит от длины волны освещения и примерно равно постоянной Планка. Заключительная формула имеет вид соотношений неопределенностей Гейзенберга (Дх).(Др) B h
Разобранный здесь мысленный эксперимент был придуман в свое время самим В. Гейзенбергом для наглядного вывода одного из вариантов своих знаменитых соотношений и даже имеет особое название - микроскоп Гейзенберга
Этот эксперимент действительно в чрезвычайно наглядной форме показывает, что к определению наблюдаемых величин в микромире следует подходить с особой осторожностью. Казалось бы, чего уж проще - решили измерить положение частицы и ее импульс, или скорость, а оказывается, что без света ничего сделать нельзя (нет наблюдения'), а со светом одновременное точное определение двух величин - координаты и импульса - вообще невозможно
С точки зрения квантовой механики наша ошибка заключена уже в самой постановке задачи - электрону не следовало заранее приписывать свойство "обладать одновременно точным значением координаты и точным значением импульса" Это просто неоправданное распространение классических представлений из привычного для нас мира больших и тяжелых тел на ту область, где они неприменимы
Таковы основные сложности, подстерегающие всех, кто пытается получить полезную информацию об устройстве микромира. Однако если трудности в создании приборов преодолены, а квантовомеханические тонкости учтены, остается главный вопрос, как пробиться к очень малым расстояниям'
Очевидный путь связан с получением все меньших и меньших длин воли, разумеется, не только световых, но и дебройлевских волн любых элементарных частиц, фактически же, поскольку дебройлевская длина волны обратно пропорциональна импульсу частицы, следует создавать пучки частиц, обладающих все более высоким импульсом. Следовательно, тайны сверхмалых расстояний могут раскрыться только перед теми, кто сумеет использовать в своих экспериментах частицы с достаточно высокими энергиями Прорыв к малым и сверхмалым пространственным областям - бесспорно, достойная цель и одна из главнейших причин упомянутой выше "филологической метаморфозы" Однако за такой формулировкой задачи кроется на самом деле более глубокое содержание.
Внутренность пустой коробки, очень большой или очень малой, вряд ли может кого-нибудь заинтересовать Точно так же, для нас важны не впечатляющие пространственные размеры вблизи краев рассмотренного диапазона - 10-15 или 1028 сантиметров, - а те объекты и процессы, которые "за ними скрываются" Нам необходимо выяснить, не существуют ли за последней достигнутой пока ступенькой великой иерархической лестницы под названием "элементарные частицы" какие-то новые ступени, где еще не отпечатаны следы "всепроникающих человеческих башмаков". Не отыщутся ли там какие-то неведомые субэлементарные объекты, из которых на самом деле выстроены все известные сейчас частицы?
Весь исторический опыт, накопленный физиками, вроде бы выступает за положительный ответ. Ведь до сих пор в процессе исследования структуры вещества неизменно обнаруживался долгожданный следующий уровень строения. Действительно, составные объекты - очень частое явление. Под ними можно понимать совокупность каких-то иных, более простых объектов, называемых частями, которые связаны между собой определенными силами. Кусок железа, притянутый магнитом, - хороший пример типично составного объекта. Если мы заранее договоримся, что на расстоянии, скажем, одного метра друг от друга взаимодействием магнита с куском железа можно пренебречь, то, измеряя усилие, которое необходимо приложить для их разделения, предположим, оно оказалось равным 1 кГ (килограмм силы), мы без труда вычислим работу, затраченную на превращение одного составного объекта в две независимые части: в данном случае эта работа составляет один килограммометр (по-другому она называется энергией связи).
Энергия связи - чрезвычайно важное понятие в микромире. Чтобы ионизировать атом, необходимо совершить работу по удалению электрона на достаточно большое расстояние от атомного ядра. Такую работу способен проделать, например, фотон, энергия которого превышает энергию связи электрона в атоме. Именно этот механизм и лежит в основе фотоэлектрического эффекта.
Понятие энергии связи пронизывает буквально все наши представления о структуре вещества. Вот перед нами знаменитая цепочка - четыре обычных состояния вещества: твердое тело, жидкость, газ, плазма.
В твердом теле связи между атомами наиболее сильны, они образуют как бы жесткую сетку.
При нагревании эти связи начинают разрушаться - с ростом температуры атомы приобретают все большие кинетические энергии. Вещество переходит в жидкую фазу, жесткая сетка связей сохраняется лишь местами, во всяком случае, ее обычно не хватает для того, чтобы тело самостоятельно поддерживало прежнюю форму.
При еще более сильном нагревании практически все атомы приобретают достаточно большие кинетические энергии для преодоления энергии межатомных связей, вещество становится газообразным.
И наконец, дальнейший нагрев начинает разрушать внутриатомные связи. Электроны отрываются от ядер, возникает своеобразная горячая смесь из электронов и положительно заряженных ионов, называемая плазмой.
Каковы же порядки величин различных связей в микромире? По традиции, возникшей практически одновременно с самой физикой элементарных частиц, их энергию принято измерять в электрон-вольтах. Один электрон-вольт - это энергия, которую приобретает электрон, ускоряясь разностью потенциалов в один вольт. Сокращенное название этой единицы - эВ (по специальному международному соглашению теперь принято даже в сокращенных обозначениях использовать заглавные буквы, если название единицы происходит от имени какого-либо ученого - в данном случае речь идет о выдающемся итальянском исследователе XVIII века А. Вольте). Более крупные единицы образуются по обычным правилам "метрического фольклора": 1 килоэлектрон-вольт (КэВ) =тысяче электрон-вольт, 1 мегаэлектрон-вольт (МэВ) = миллиону эВ, 1 гигаэлектрон-вольт (ГэВ) = миллиарду эВ, 1 тераэлектрон-вольт (ТэВ) = 1012 эВ.
С точки зрения макроскопических представлений электрон-вольт очень маленькая энергетическая величина; даже один ТэВ составляет всего-навсего 1,6 эрга. Но если речь идет о том, чтобы сообщить энергию в один электрон-вольт каждой частице большого куска вещества, впечатление заметно меняется - вещество необходимо разогреть примерно до 7700 градусов!
В мире атомов и молекул характерные энергии связи заключены в интервале от малых долей электрон-вольта до нескольких электрон-вольт.
Для атомных ядер масштаб увеличивается примерно в миллион раз.
Теперь мы вполне готовы к тому, чтобы оценить, насколько хороши представления, типичные для составных моделей, например: "атом состоит из ядра и нескольких электронов", или: "атомное ядро состоит из протонов и нейтронов".
Высказывание о некотором элементе структуры имеет смысл тогда, когда он сохраняет свою индивидуальность, то есть когда его можно охарактеризовать одними и теми же (хотя бы почти одними и теми же) параметрами независимо от того, внутри ли структуры он находится или вне ее.
Естественно, основным энергетическим параметром элементарной частицы является ее масса Массы частиц принято оценивать в энергетических единицах, причем пересчет из граммов в электрон-вольты (сначала в эрги!) осуществляется по знаменитой эйнштейновской формуле: Е = Мс2, здесь с скорость света в пустоте, равная примерно 3.1010 см/с. Так, масса электрона составляет 9,1.10-28 грамма, или 0,51 МэВ. Для протона 938,28 МэВ, то есть около одного гигаэлектрон-вольта. Масса нейтрона примерно на 1,3 МэВ больше массы протона
Для оценки "качества" составной модели мы можем теперь использовать такую полезную величину, как отношение энергии связи к массе легчайшей элементарной частицы, входящей в структуру. Эта величина характеризует, грубо говоря, долю массы, которую частица должна потерять, находясь внутри структуры.
В случае атомов указанное отношение чрезвычайно мало - всего несколько миллионных долей единицы. Следовательно, представление об электроне как о структурной единице атомов с огромной степенью точности оправданно. В атомных ядрах ситуация не столь блестящая; указанное отношение порядка несколько тысячных долей, но и этого достаточно для разумного определения ядра как системы, составленной из протонов и нейтронов.
Таким образом, мы ответили на поставленный ранее вопрос, обсудив не только качественную сторону дела, но и обнаружив простую возможность количественной оценки.
Что же можно теперь сказать по поводу субэлементарного уровня и возможных составных частей элементарной частицы? На самом деле этот вопрос сам является "составным" - в нем явно выделяются два различных оттенка.
Первый из них таков - не являются ли некоторые из известных частиц "более элементарными", чем другие, и нельзя ли, следовательно, использовать их в качестве структурных элементов для построения остальных "менее элементарных", возможно, составных частиц?
По-видимому, такая возможность не слишком привлекательна, поскольку отношение энергии связи к массе оказывается в данном случае порядка единицы. А это значит, что одна элементарная частица внутри другой должна расстаться со своей массой, то есть практически полностью потерять свою индивидуальность. Поэтому, если в результате соударения двух элементарных частиц образовалась еще одна, новая частица, у нас нет оснований утверждать, что она "скрывалась" в одной из столкнувшихся. Разумнее полагать, что новая частица родилась непосредственно в процессе взаимодействия исходных двух.
Проблемы, связанные с таким представлением, нам еще предстоит обсудить в последующих главах
Вторая трактовка вопроса - не могут ли существовать субэлементарные частицы, абсолютно непохожие на обычные, известные нам элементарные? Тут мы рискуем вступить в область пророчеств на тему "появится ли то, не знаю что". Запретить появление чего-то с неопределенными свойствами, разумеется, нельзя. Современная физика элементарных частиц уже выработала несколько очень интересных конкретных моделей для объектов нового типа, и мы в дальнейшем обсудим их довольно подробно.
Итак, мы установили одну из основных причин интереса к пучкам частиц очень высоких энергий: не скрывается ли за уже достигнутым уровнем строения вещества некий новый уровень с необычайно большими энергиями связи? Но существуют и иные, не менее веские причины - они всплыли в процессе уже развернувшейся гонки за высокими энергиями, и о них речь впереди ...
О ПРОСТОМ ЛЮБОПЫТСТВЕ, ВОЗДУХОПЛАВАНИИ И КОСМИЧЕСКИХ ЛУЧАХ
Своим первым прорывом в область высоких энергий физика элементарных частиц всецело обязана замечательному "дару небес" - космическим лучам, потоку очень быстрых частиц, приходящих из глубин вселенной и непрерывно бомбардирующих нашу планету.
Прежде чем приступить к обсуждению этого интереснейшего явления природы, еще раз воздадим хвалу великому, внешне случайному, но логически совершенно необходимому открытию естественной радиоактивности элементов. Открытию, которое не только позволило получить первые сигналы о ядерных превращениях, но и подарило уникальное средство зондирования структуры вещества. Однако оно сыграло еще одну крайне любопытную и весьма важную роль. Перед наукой замаячили необычайно привлекательные возможности поиска самых разнообразных "таинственных излучений" И наука с небывалой активностью принялась их отыскивать, объяснять и использовать.
Пожалуй, самая крупная находка на этом пути обнаружилась несколько неожиданно. Существовала старая загадка, знакомая всем исследователям статического электричества. Загадка мучительная, создающая изрядные помехи в экспериментах, - самопроизвольная утечка заряда с хорошо изолированного проводника. Современным физикам, которые на страницах романов, на экранах и, что греха таить, в реальной лабораторной жизни умеют ловко вышибать дух неповиновения из капризных осциллографов и другой прецизионной аппаратуры, трудно поверить, что мудрые классики прошлых веков испытывали немалые неприятности с обычным электроскопом. Тем самым прибором-ветераном, вписавшим немало славных страниц в историю физики и так естественно вписавшимся в уютные интерьеры школьных кабинетов.
Вероятно, первым, кто отнесся к эффекту утечки заряда со всей серьезностью, как к предмету исследования, а не просто досадной помехе, был французский ученый Ш. Кулон - военный инженер, который увлекся изучением электричества уже на полувековом рубеже своей жизни и успел сформулировать основные законы взаимодействия покоящихся зарядов и магнитов.
Основываясь на исключительно тщательных измерениях, Ш. Кулон убедился, что количество электричества на проводнике, окруженном воздухом, быстро убывает с течением времени. Он попытался и объяснить этот эффект наиболее правдоподобным образом под ставки и окружающий воздух, полагал Ш. Кулон, не являются идеальными изоляторами, часть заряда уходит через подставку, часть - уносится частицами воздуха, которые сталкиваются с проводником, захватывают долю заряда и потом отлетают под действием сил отталкивания (ведь на частицах воздуха и на проводнике заряды одного знака).
Такое простое и наглядное объяснение продержалось в физике до начала нашего века, пока не было твердо установлено, что действие радиации, в частности гамма-излучения, ведет к созданию условий для утечки заряда. С другой стороны, исследователи обнаружили, что радиоактивные вещества рассеяны по всей земной коре (как раз в это время закладывался фундамент радиационной геофизики). И, наконец, прямые измерения скорости самопроизвольного разряда электроскопа в различных условиях показали, что хорошая экранировка свинцовыми пластинками заметно замедляет утечку.
Все эти факты свидетельствовали о недостаточности гипотезы Ш. Кулона. Многие физики стали думать, что утечка связана с влиянием гамма-лучей, испускаемых элементами земной коры. Эта идея оказалась весьма популярной, хотя и недолговечной. Как всегда, были сомневающиеся, которые говорили о совсем иных источниках излучения, действующего на электроскопы Законы разряда одинаковы в различных точках земного шара, указывали они, и трудно поверить, что радиоактивные вещества распределены абсолютно равномерно, скорее всего, излучение должно иметь какие-то внеземные и очень удаленные области возникновения, тогда, и только тогда, становится понятным его равномерное распределение по всей поверхности Земли...
И вот в такой ситуации именно сомневающиеся получили неожиданную поддержку благодаря включению в игру нового средства исследований. Это новое средство - воздушные шары, позволяющие эксплуатировать многокилометровые толщи атмосферы в качестве уникального экрана. Если поток радиации исходит из земных недр, то на достаточном удалении от поверхности он будет уменьшаться из-за экранировки воздухом, и, наоборот, поток космической радиации должен возрастать по мере удаления от Земли. Итак, возникла остроумная идея - проверить закономерности разряда электроскопа на различных высотах.
Надо сказать, что воздухоплавание начала нашего века делало свои "вторые шаги", выходило из области увлечения полетами как таковыми в область научных исследований в атмосфере. Здесь стоит отметить интересную аналогию с совсем уже близкими нам событиями. После первых успешных запусков искусственных спутников Земли и детальной отработки программы полетов центр тяжести переместился в область создания крупных орбитальных научных станций, способных собирать огромную информацию об околоземном и межпланетном пространстве. И одним из важнейших достижений космических лабораторий было продолжение и всестороннее развитие тех работ по изучению внеземных излучений, которые были начаты в 1909 году швейцарцем К. Гёккелем, впервые установившем электроскоп на воздушном шаре.
К. Гёккель обнаружил, что на высоте 4 километров электроскоп теряет заряд быстрее, чем на поверхности Земли. Примерно через четыре года серию аналогичных опытов завершил физик из Австрии В. Гесс. Его данные были достаточно полны для того, чтобы сделать важнейший вывод - излучение, вызывающее "самопроизвольный" разряд электроскопа, не связано с земной корой, оно имеет либо космическое, либо атмосферное происхождение. Сам В. Гесс больше склонялся к первому варианту, а второй рассматривал, скорее всего, как возможное сопровождающее явление или не до конца исключенную альтернативу. За такую удивительную прозорливость и, конечно, за получение первых доказательных результатов он был впоследствии удостоен Нобелевской премии.
Между тем окончательный выбор модели затянулся еще примерно на 10 лет из-за обилия противоречивых экспериментальных данных. Физики так и не смогли получить убедительных доказательств космической гипотезы из заоблачных высот. И тогда они сделали внешне парадоксальный, но, по сути дела, простой до очевидности "ход конем": решили извлечь истину буквально из-под земли. Начиная с 1923 года, были проведены три серии глубинных экспериментов. Ионизационные свойства излучения были изучены с помощью приборов, установленных в глубокой альпийской расщелине, на 20-метровой глубине одного из калифорнийских озер и, наконец, на различных глубинах (вплоть до 220 метров!) озера Констанца.
Результаты этих исследований фактически закрыли атмосферную гипотезу. Стало ясно, что новый вид радиации обладает фантастической проникающей способностью. Мало того, что излучение пронизывало всю земную атмосферу, оно проникало сквозь слой воды, эквивалентный утроенной толщине атмосферы.
Отсюда следовало, что частицы нового излучения должны обладать огромными энергиями, в тысячу и более раз превосходящими энергии, характерные для земных радиоактивных источников.
Итак, поиски на земле, в небе, под землей и под водой увенчались замечательной находкой: был обнаружен тщательно замаскированный природой клад, размеры которого до сих пор не так-то просто оценить - клад, открывший совершенно новую эпоху в изучении структуры вещества, позволивший в буквальном смысле по-новому взглянуть на вселенную. При этом физики столкнулись с двумя захватывающими проблемами. Во-первых, нужно было немедленно постигать законы поведения элементарных частиц и атомных ядер при очень высоких энергиях. Во-вторых, стало ясно, что вселенная светится в потрясающе широком диапазоне частот и не только электромагнитными волнами, но и буквально всей таблицей Менделеева - от протонов до тяжелых ядер.
Следовательно, гигантские межзвездные и межгалактические пространства не какие-нибудь "хладные пустыни", где нет-нет, да и скользнет одинокий луч света, а вместилища сверхгорячего, хотя и очень разреженного, газа микрочастиц. Следовательно, космос живет бурной жизнью - в недрах звезд непрерывно происходят ядерные превращения, и сигналы об этих событиях уходят в космос... И еще появилось множество поражающих воображение "следовательно", и родились новые, достойные наших усилий проблемы.
В 1925 году американский физик Р. Милликен - один из главных участников заоблачных и подводных экспериментов - предложил для потоков высокоэнергетических частиц, приходящих из космоса, очень удачное название -космические лучи. Их природа была окончательно установлена в 1927 году благодаря опытам советского физика Д. Скобельцына, который сфотографировал следы частиц космического излучения с помощью камеры Вильсона. В 1931 году Р. Милликен и Ч. Андерсон провели первое тщательное измерение энергии космических лучей. Для этого пришлось специально придумать метод ослабления пучка, ведь энергия космических частиц была так велика (порядка нескольких гигаэлектрон-вольт), что позволяла им практически не реагировать на отклоняющее магнитное поле!
На этом первооткрывательский период завершился, и космические лучи начали демонстрировать богатейшую копилку сюрпризов. Но, прежде чем мы займемся ее содержимым, давайте немного обсудим возникающие теперь "семейные проблемы".
В конце 20-х - начале 30-х годов физика элементарных частиц делает огромный шаг вперед. Открытие космических лучей, по сути дела, приводит к появлению нового раздела - физики высоких энергий. О точной дате рождения этой науки договориться не так уж и просто. Ее можно связать и с первыми доказательствами, добытыми на шарах, и с определяющими результатами экспериментов Д. Скобельцына. Я думаю, что именно пятилетие 1927-1931 годов было порогом, преодолев который исследователи смогли со всей определенностью сказать: мы имеем дело с новым типом объектов - элементарными частицами с очень высокими энергиями. Во всяком случае, возник основанный на результатах измерений количественный критерий для выделения особого предмета исследований.
Конечно, для выделения особой области исследований нужны не количественные, а уже качественные отличия основных объектов, иначе буквально к каждой цифре энергетического диапазона можно прикрепить по "бирочке" с каким-нибудь оригинальным названием! Но в физике качественная новизна, как правило, связана с преодолением некоторого количественного часто говорят, критического рубежа. Например, трудно усомниться в том, что твердое тело и жидкость - качественно разные состояния вещества. Не достаточно ли говорить об одном веществе, одновременно указывая температуру ниже или выше точки плавления? Оказывается, нет. При переходе не все свойства меняются непрерывным образом, скажем, высокая упорядоченность атомов в твердом теле возникает "скачкообразно".
В микромире тоже существуют критические значения энергии, они связаны с величинами масс элементарных частиц. Массы частиц (как мы уже договорились, массы будем выражать в энергетических единицах) располагаются в интервале от нуля до примерно 4 гигаэлектрон-вольт, причем подавляющее большинство частиц имеют массы свыше 100 мегаэлектронвольт. Космические лучи в отличие от всех ранее известных радиоактивных источников обладали кинетическими энергиями не только в указанном интервале, но и намного большими. Благодаря такому огромному запасу энергии при их соударениях с другими частицами и атомными ядрами атмосферы могли образовываться любые новые частицы. Именно в этом и состоит качественно новый наблюдаемый эффект.
Так что появление на арене космических лучей стало прологом к физике высоких энергий, прологом интересным и многообещающим.
И нам стоит остановиться лишь на нескольких, но, пожалуй, наиболее драгоценных сюрпризах из обширной "космической шкатулки".
Уже в 1932 году Ч. Андерсон, изучая отклонения космических пришельцев в магнитном поле, установил, что некоторые следы в камере Вильсона соответствуют положительно заряженным частицам с массой электрона. Ими оказались позитроны - своеобразные антиподы электронов. Так превратилось в экспериментально доказанный факт предсказание релятивистской квантовой механики, удвоившее наблюдаемый мир. Это предсказание возникло на стыке двух мощных потоков новых представлений следующим образом.
Но правило, которое мы применяли в случае радиолокационной установки или оптического микроскопа, будет действовать и в любом другом случае. Оно связано с волновой природой электромагнитного поля и в более точном виде звучит так: погрешность в определении размера или положения некоторого объекта никогда не может быть сделана меньше длины волны используемого освещения.
Разумеется, имея под рукой чудесное устройство для беспредельного уменьшения длины волны, мы способны сделать и погрешность сколь угодно малой, то есть определить положение интересующего нас электрона со сколь угодно высокой точностью. Но тут-то оказывается, что мы начисто теряем возможность решить вторую часть поставленной задачи; как вы помните, необходимо определить еще и скорость электрона.
В этом пункте неприятности наступают из-за двойственной природы электромагнитного поля. Оно ведь может быть представлено и как поток фотонов! Но фотон обладает определенным импульсом, причем этот импульс пропорционален частоте или обратно пропорционален длине волны. Падая на электрон, фотоны будут передавать ему часть импульса, то есть сообщать дополнительную скорость - этот процесс соответствует эффекту Комптона. Погрешность в определении импульса электрона как раз и равна (примерно!) импульсу, который фотон передает электрону в каждом отдельном акте соударения. В свою очередь, переданный импульс приблизительно равен фундаментальной постоянной Планка (h), деленной на длину волны.
Теперь займемся простой алгеброй - перемножим погрешности в определении как положения электрона (Дх), так и его импульса (Др). Оказывается, что их произведение вообще не зависит от длины волны освещения и примерно равно постоянной Планка. Заключительная формула имеет вид соотношений неопределенностей Гейзенберга (Дх).(Др) B h
Разобранный здесь мысленный эксперимент был придуман в свое время самим В. Гейзенбергом для наглядного вывода одного из вариантов своих знаменитых соотношений и даже имеет особое название - микроскоп Гейзенберга
Этот эксперимент действительно в чрезвычайно наглядной форме показывает, что к определению наблюдаемых величин в микромире следует подходить с особой осторожностью. Казалось бы, чего уж проще - решили измерить положение частицы и ее импульс, или скорость, а оказывается, что без света ничего сделать нельзя (нет наблюдения'), а со светом одновременное точное определение двух величин - координаты и импульса - вообще невозможно
С точки зрения квантовой механики наша ошибка заключена уже в самой постановке задачи - электрону не следовало заранее приписывать свойство "обладать одновременно точным значением координаты и точным значением импульса" Это просто неоправданное распространение классических представлений из привычного для нас мира больших и тяжелых тел на ту область, где они неприменимы
Таковы основные сложности, подстерегающие всех, кто пытается получить полезную информацию об устройстве микромира. Однако если трудности в создании приборов преодолены, а квантовомеханические тонкости учтены, остается главный вопрос, как пробиться к очень малым расстояниям'
Очевидный путь связан с получением все меньших и меньших длин воли, разумеется, не только световых, но и дебройлевских волн любых элементарных частиц, фактически же, поскольку дебройлевская длина волны обратно пропорциональна импульсу частицы, следует создавать пучки частиц, обладающих все более высоким импульсом. Следовательно, тайны сверхмалых расстояний могут раскрыться только перед теми, кто сумеет использовать в своих экспериментах частицы с достаточно высокими энергиями Прорыв к малым и сверхмалым пространственным областям - бесспорно, достойная цель и одна из главнейших причин упомянутой выше "филологической метаморфозы" Однако за такой формулировкой задачи кроется на самом деле более глубокое содержание.
Внутренность пустой коробки, очень большой или очень малой, вряд ли может кого-нибудь заинтересовать Точно так же, для нас важны не впечатляющие пространственные размеры вблизи краев рассмотренного диапазона - 10-15 или 1028 сантиметров, - а те объекты и процессы, которые "за ними скрываются" Нам необходимо выяснить, не существуют ли за последней достигнутой пока ступенькой великой иерархической лестницы под названием "элементарные частицы" какие-то новые ступени, где еще не отпечатаны следы "всепроникающих человеческих башмаков". Не отыщутся ли там какие-то неведомые субэлементарные объекты, из которых на самом деле выстроены все известные сейчас частицы?
Весь исторический опыт, накопленный физиками, вроде бы выступает за положительный ответ. Ведь до сих пор в процессе исследования структуры вещества неизменно обнаруживался долгожданный следующий уровень строения. Действительно, составные объекты - очень частое явление. Под ними можно понимать совокупность каких-то иных, более простых объектов, называемых частями, которые связаны между собой определенными силами. Кусок железа, притянутый магнитом, - хороший пример типично составного объекта. Если мы заранее договоримся, что на расстоянии, скажем, одного метра друг от друга взаимодействием магнита с куском железа можно пренебречь, то, измеряя усилие, которое необходимо приложить для их разделения, предположим, оно оказалось равным 1 кГ (килограмм силы), мы без труда вычислим работу, затраченную на превращение одного составного объекта в две независимые части: в данном случае эта работа составляет один килограммометр (по-другому она называется энергией связи).
Энергия связи - чрезвычайно важное понятие в микромире. Чтобы ионизировать атом, необходимо совершить работу по удалению электрона на достаточно большое расстояние от атомного ядра. Такую работу способен проделать, например, фотон, энергия которого превышает энергию связи электрона в атоме. Именно этот механизм и лежит в основе фотоэлектрического эффекта.
Понятие энергии связи пронизывает буквально все наши представления о структуре вещества. Вот перед нами знаменитая цепочка - четыре обычных состояния вещества: твердое тело, жидкость, газ, плазма.
В твердом теле связи между атомами наиболее сильны, они образуют как бы жесткую сетку.
При нагревании эти связи начинают разрушаться - с ростом температуры атомы приобретают все большие кинетические энергии. Вещество переходит в жидкую фазу, жесткая сетка связей сохраняется лишь местами, во всяком случае, ее обычно не хватает для того, чтобы тело самостоятельно поддерживало прежнюю форму.
При еще более сильном нагревании практически все атомы приобретают достаточно большие кинетические энергии для преодоления энергии межатомных связей, вещество становится газообразным.
И наконец, дальнейший нагрев начинает разрушать внутриатомные связи. Электроны отрываются от ядер, возникает своеобразная горячая смесь из электронов и положительно заряженных ионов, называемая плазмой.
Каковы же порядки величин различных связей в микромире? По традиции, возникшей практически одновременно с самой физикой элементарных частиц, их энергию принято измерять в электрон-вольтах. Один электрон-вольт - это энергия, которую приобретает электрон, ускоряясь разностью потенциалов в один вольт. Сокращенное название этой единицы - эВ (по специальному международному соглашению теперь принято даже в сокращенных обозначениях использовать заглавные буквы, если название единицы происходит от имени какого-либо ученого - в данном случае речь идет о выдающемся итальянском исследователе XVIII века А. Вольте). Более крупные единицы образуются по обычным правилам "метрического фольклора": 1 килоэлектрон-вольт (КэВ) =тысяче электрон-вольт, 1 мегаэлектрон-вольт (МэВ) = миллиону эВ, 1 гигаэлектрон-вольт (ГэВ) = миллиарду эВ, 1 тераэлектрон-вольт (ТэВ) = 1012 эВ.
С точки зрения макроскопических представлений электрон-вольт очень маленькая энергетическая величина; даже один ТэВ составляет всего-навсего 1,6 эрга. Но если речь идет о том, чтобы сообщить энергию в один электрон-вольт каждой частице большого куска вещества, впечатление заметно меняется - вещество необходимо разогреть примерно до 7700 градусов!
В мире атомов и молекул характерные энергии связи заключены в интервале от малых долей электрон-вольта до нескольких электрон-вольт.
Для атомных ядер масштаб увеличивается примерно в миллион раз.
Теперь мы вполне готовы к тому, чтобы оценить, насколько хороши представления, типичные для составных моделей, например: "атом состоит из ядра и нескольких электронов", или: "атомное ядро состоит из протонов и нейтронов".
Высказывание о некотором элементе структуры имеет смысл тогда, когда он сохраняет свою индивидуальность, то есть когда его можно охарактеризовать одними и теми же (хотя бы почти одними и теми же) параметрами независимо от того, внутри ли структуры он находится или вне ее.
Естественно, основным энергетическим параметром элементарной частицы является ее масса Массы частиц принято оценивать в энергетических единицах, причем пересчет из граммов в электрон-вольты (сначала в эрги!) осуществляется по знаменитой эйнштейновской формуле: Е = Мс2, здесь с скорость света в пустоте, равная примерно 3.1010 см/с. Так, масса электрона составляет 9,1.10-28 грамма, или 0,51 МэВ. Для протона 938,28 МэВ, то есть около одного гигаэлектрон-вольта. Масса нейтрона примерно на 1,3 МэВ больше массы протона
Для оценки "качества" составной модели мы можем теперь использовать такую полезную величину, как отношение энергии связи к массе легчайшей элементарной частицы, входящей в структуру. Эта величина характеризует, грубо говоря, долю массы, которую частица должна потерять, находясь внутри структуры.
В случае атомов указанное отношение чрезвычайно мало - всего несколько миллионных долей единицы. Следовательно, представление об электроне как о структурной единице атомов с огромной степенью точности оправданно. В атомных ядрах ситуация не столь блестящая; указанное отношение порядка несколько тысячных долей, но и этого достаточно для разумного определения ядра как системы, составленной из протонов и нейтронов.
Таким образом, мы ответили на поставленный ранее вопрос, обсудив не только качественную сторону дела, но и обнаружив простую возможность количественной оценки.
Что же можно теперь сказать по поводу субэлементарного уровня и возможных составных частей элементарной частицы? На самом деле этот вопрос сам является "составным" - в нем явно выделяются два различных оттенка.
Первый из них таков - не являются ли некоторые из известных частиц "более элементарными", чем другие, и нельзя ли, следовательно, использовать их в качестве структурных элементов для построения остальных "менее элементарных", возможно, составных частиц?
По-видимому, такая возможность не слишком привлекательна, поскольку отношение энергии связи к массе оказывается в данном случае порядка единицы. А это значит, что одна элементарная частица внутри другой должна расстаться со своей массой, то есть практически полностью потерять свою индивидуальность. Поэтому, если в результате соударения двух элементарных частиц образовалась еще одна, новая частица, у нас нет оснований утверждать, что она "скрывалась" в одной из столкнувшихся. Разумнее полагать, что новая частица родилась непосредственно в процессе взаимодействия исходных двух.
Проблемы, связанные с таким представлением, нам еще предстоит обсудить в последующих главах
Вторая трактовка вопроса - не могут ли существовать субэлементарные частицы, абсолютно непохожие на обычные, известные нам элементарные? Тут мы рискуем вступить в область пророчеств на тему "появится ли то, не знаю что". Запретить появление чего-то с неопределенными свойствами, разумеется, нельзя. Современная физика элементарных частиц уже выработала несколько очень интересных конкретных моделей для объектов нового типа, и мы в дальнейшем обсудим их довольно подробно.
Итак, мы установили одну из основных причин интереса к пучкам частиц очень высоких энергий: не скрывается ли за уже достигнутым уровнем строения вещества некий новый уровень с необычайно большими энергиями связи? Но существуют и иные, не менее веские причины - они всплыли в процессе уже развернувшейся гонки за высокими энергиями, и о них речь впереди ...
О ПРОСТОМ ЛЮБОПЫТСТВЕ, ВОЗДУХОПЛАВАНИИ И КОСМИЧЕСКИХ ЛУЧАХ
Своим первым прорывом в область высоких энергий физика элементарных частиц всецело обязана замечательному "дару небес" - космическим лучам, потоку очень быстрых частиц, приходящих из глубин вселенной и непрерывно бомбардирующих нашу планету.
Прежде чем приступить к обсуждению этого интереснейшего явления природы, еще раз воздадим хвалу великому, внешне случайному, но логически совершенно необходимому открытию естественной радиоактивности элементов. Открытию, которое не только позволило получить первые сигналы о ядерных превращениях, но и подарило уникальное средство зондирования структуры вещества. Однако оно сыграло еще одну крайне любопытную и весьма важную роль. Перед наукой замаячили необычайно привлекательные возможности поиска самых разнообразных "таинственных излучений" И наука с небывалой активностью принялась их отыскивать, объяснять и использовать.
Пожалуй, самая крупная находка на этом пути обнаружилась несколько неожиданно. Существовала старая загадка, знакомая всем исследователям статического электричества. Загадка мучительная, создающая изрядные помехи в экспериментах, - самопроизвольная утечка заряда с хорошо изолированного проводника. Современным физикам, которые на страницах романов, на экранах и, что греха таить, в реальной лабораторной жизни умеют ловко вышибать дух неповиновения из капризных осциллографов и другой прецизионной аппаратуры, трудно поверить, что мудрые классики прошлых веков испытывали немалые неприятности с обычным электроскопом. Тем самым прибором-ветераном, вписавшим немало славных страниц в историю физики и так естественно вписавшимся в уютные интерьеры школьных кабинетов.
Вероятно, первым, кто отнесся к эффекту утечки заряда со всей серьезностью, как к предмету исследования, а не просто досадной помехе, был французский ученый Ш. Кулон - военный инженер, который увлекся изучением электричества уже на полувековом рубеже своей жизни и успел сформулировать основные законы взаимодействия покоящихся зарядов и магнитов.
Основываясь на исключительно тщательных измерениях, Ш. Кулон убедился, что количество электричества на проводнике, окруженном воздухом, быстро убывает с течением времени. Он попытался и объяснить этот эффект наиболее правдоподобным образом под ставки и окружающий воздух, полагал Ш. Кулон, не являются идеальными изоляторами, часть заряда уходит через подставку, часть - уносится частицами воздуха, которые сталкиваются с проводником, захватывают долю заряда и потом отлетают под действием сил отталкивания (ведь на частицах воздуха и на проводнике заряды одного знака).
Такое простое и наглядное объяснение продержалось в физике до начала нашего века, пока не было твердо установлено, что действие радиации, в частности гамма-излучения, ведет к созданию условий для утечки заряда. С другой стороны, исследователи обнаружили, что радиоактивные вещества рассеяны по всей земной коре (как раз в это время закладывался фундамент радиационной геофизики). И, наконец, прямые измерения скорости самопроизвольного разряда электроскопа в различных условиях показали, что хорошая экранировка свинцовыми пластинками заметно замедляет утечку.
Все эти факты свидетельствовали о недостаточности гипотезы Ш. Кулона. Многие физики стали думать, что утечка связана с влиянием гамма-лучей, испускаемых элементами земной коры. Эта идея оказалась весьма популярной, хотя и недолговечной. Как всегда, были сомневающиеся, которые говорили о совсем иных источниках излучения, действующего на электроскопы Законы разряда одинаковы в различных точках земного шара, указывали они, и трудно поверить, что радиоактивные вещества распределены абсолютно равномерно, скорее всего, излучение должно иметь какие-то внеземные и очень удаленные области возникновения, тогда, и только тогда, становится понятным его равномерное распределение по всей поверхности Земли...
И вот в такой ситуации именно сомневающиеся получили неожиданную поддержку благодаря включению в игру нового средства исследований. Это новое средство - воздушные шары, позволяющие эксплуатировать многокилометровые толщи атмосферы в качестве уникального экрана. Если поток радиации исходит из земных недр, то на достаточном удалении от поверхности он будет уменьшаться из-за экранировки воздухом, и, наоборот, поток космической радиации должен возрастать по мере удаления от Земли. Итак, возникла остроумная идея - проверить закономерности разряда электроскопа на различных высотах.
Надо сказать, что воздухоплавание начала нашего века делало свои "вторые шаги", выходило из области увлечения полетами как таковыми в область научных исследований в атмосфере. Здесь стоит отметить интересную аналогию с совсем уже близкими нам событиями. После первых успешных запусков искусственных спутников Земли и детальной отработки программы полетов центр тяжести переместился в область создания крупных орбитальных научных станций, способных собирать огромную информацию об околоземном и межпланетном пространстве. И одним из важнейших достижений космических лабораторий было продолжение и всестороннее развитие тех работ по изучению внеземных излучений, которые были начаты в 1909 году швейцарцем К. Гёккелем, впервые установившем электроскоп на воздушном шаре.
К. Гёккель обнаружил, что на высоте 4 километров электроскоп теряет заряд быстрее, чем на поверхности Земли. Примерно через четыре года серию аналогичных опытов завершил физик из Австрии В. Гесс. Его данные были достаточно полны для того, чтобы сделать важнейший вывод - излучение, вызывающее "самопроизвольный" разряд электроскопа, не связано с земной корой, оно имеет либо космическое, либо атмосферное происхождение. Сам В. Гесс больше склонялся к первому варианту, а второй рассматривал, скорее всего, как возможное сопровождающее явление или не до конца исключенную альтернативу. За такую удивительную прозорливость и, конечно, за получение первых доказательных результатов он был впоследствии удостоен Нобелевской премии.
Между тем окончательный выбор модели затянулся еще примерно на 10 лет из-за обилия противоречивых экспериментальных данных. Физики так и не смогли получить убедительных доказательств космической гипотезы из заоблачных высот. И тогда они сделали внешне парадоксальный, но, по сути дела, простой до очевидности "ход конем": решили извлечь истину буквально из-под земли. Начиная с 1923 года, были проведены три серии глубинных экспериментов. Ионизационные свойства излучения были изучены с помощью приборов, установленных в глубокой альпийской расщелине, на 20-метровой глубине одного из калифорнийских озер и, наконец, на различных глубинах (вплоть до 220 метров!) озера Констанца.
Результаты этих исследований фактически закрыли атмосферную гипотезу. Стало ясно, что новый вид радиации обладает фантастической проникающей способностью. Мало того, что излучение пронизывало всю земную атмосферу, оно проникало сквозь слой воды, эквивалентный утроенной толщине атмосферы.
Отсюда следовало, что частицы нового излучения должны обладать огромными энергиями, в тысячу и более раз превосходящими энергии, характерные для земных радиоактивных источников.
Итак, поиски на земле, в небе, под землей и под водой увенчались замечательной находкой: был обнаружен тщательно замаскированный природой клад, размеры которого до сих пор не так-то просто оценить - клад, открывший совершенно новую эпоху в изучении структуры вещества, позволивший в буквальном смысле по-новому взглянуть на вселенную. При этом физики столкнулись с двумя захватывающими проблемами. Во-первых, нужно было немедленно постигать законы поведения элементарных частиц и атомных ядер при очень высоких энергиях. Во-вторых, стало ясно, что вселенная светится в потрясающе широком диапазоне частот и не только электромагнитными волнами, но и буквально всей таблицей Менделеева - от протонов до тяжелых ядер.
Следовательно, гигантские межзвездные и межгалактические пространства не какие-нибудь "хладные пустыни", где нет-нет, да и скользнет одинокий луч света, а вместилища сверхгорячего, хотя и очень разреженного, газа микрочастиц. Следовательно, космос живет бурной жизнью - в недрах звезд непрерывно происходят ядерные превращения, и сигналы об этих событиях уходят в космос... И еще появилось множество поражающих воображение "следовательно", и родились новые, достойные наших усилий проблемы.
В 1925 году американский физик Р. Милликен - один из главных участников заоблачных и подводных экспериментов - предложил для потоков высокоэнергетических частиц, приходящих из космоса, очень удачное название -космические лучи. Их природа была окончательно установлена в 1927 году благодаря опытам советского физика Д. Скобельцына, который сфотографировал следы частиц космического излучения с помощью камеры Вильсона. В 1931 году Р. Милликен и Ч. Андерсон провели первое тщательное измерение энергии космических лучей. Для этого пришлось специально придумать метод ослабления пучка, ведь энергия космических частиц была так велика (порядка нескольких гигаэлектрон-вольт), что позволяла им практически не реагировать на отклоняющее магнитное поле!
На этом первооткрывательский период завершился, и космические лучи начали демонстрировать богатейшую копилку сюрпризов. Но, прежде чем мы займемся ее содержимым, давайте немного обсудим возникающие теперь "семейные проблемы".
В конце 20-х - начале 30-х годов физика элементарных частиц делает огромный шаг вперед. Открытие космических лучей, по сути дела, приводит к появлению нового раздела - физики высоких энергий. О точной дате рождения этой науки договориться не так уж и просто. Ее можно связать и с первыми доказательствами, добытыми на шарах, и с определяющими результатами экспериментов Д. Скобельцына. Я думаю, что именно пятилетие 1927-1931 годов было порогом, преодолев который исследователи смогли со всей определенностью сказать: мы имеем дело с новым типом объектов - элементарными частицами с очень высокими энергиями. Во всяком случае, возник основанный на результатах измерений количественный критерий для выделения особого предмета исследований.
Конечно, для выделения особой области исследований нужны не количественные, а уже качественные отличия основных объектов, иначе буквально к каждой цифре энергетического диапазона можно прикрепить по "бирочке" с каким-нибудь оригинальным названием! Но в физике качественная новизна, как правило, связана с преодолением некоторого количественного часто говорят, критического рубежа. Например, трудно усомниться в том, что твердое тело и жидкость - качественно разные состояния вещества. Не достаточно ли говорить об одном веществе, одновременно указывая температуру ниже или выше точки плавления? Оказывается, нет. При переходе не все свойства меняются непрерывным образом, скажем, высокая упорядоченность атомов в твердом теле возникает "скачкообразно".
В микромире тоже существуют критические значения энергии, они связаны с величинами масс элементарных частиц. Массы частиц (как мы уже договорились, массы будем выражать в энергетических единицах) располагаются в интервале от нуля до примерно 4 гигаэлектрон-вольт, причем подавляющее большинство частиц имеют массы свыше 100 мегаэлектронвольт. Космические лучи в отличие от всех ранее известных радиоактивных источников обладали кинетическими энергиями не только в указанном интервале, но и намного большими. Благодаря такому огромному запасу энергии при их соударениях с другими частицами и атомными ядрами атмосферы могли образовываться любые новые частицы. Именно в этом и состоит качественно новый наблюдаемый эффект.
Так что появление на арене космических лучей стало прологом к физике высоких энергий, прологом интересным и многообещающим.
И нам стоит остановиться лишь на нескольких, но, пожалуй, наиболее драгоценных сюрпризах из обширной "космической шкатулки".
Уже в 1932 году Ч. Андерсон, изучая отклонения космических пришельцев в магнитном поле, установил, что некоторые следы в камере Вильсона соответствуют положительно заряженным частицам с массой электрона. Ими оказались позитроны - своеобразные антиподы электронов. Так превратилось в экспериментально доказанный факт предсказание релятивистской квантовой механики, удвоившее наблюдаемый мир. Это предсказание возникло на стыке двух мощных потоков новых представлений следующим образом.