Потупа Александр
Бег за бесконечностью
Александр Потупа
Бег за бесконечностью
Памяти отца Сергея Николаевича
В книге рассказывается о современных представлениях об одной из самых быстроразвивающихся фундаментальных наук - физике элементарных частиц. Основное внимание уделено описанию сильновзаимодействующих частиц - адронов их поведению в различных реакциях при высоких энергиях.
СОДЕРЖАНИЕ
ГЛАВА ПЕРВАЯ, в которой происходите знакомство с очень молодой наукой физикой элементарных частиц Рождение электрона У перекрестка загадок На арене появляются фотон и протон
ГЛАВА ВТОРАЯ, увлекающая нас в небольшое путешествие по временам и теориям Кое-что о путешествиях во времени Маршрут № 1 Неуловимые атомы Маршрут № 2 Квантованный мир Маршрут № 3 Снова квантованный мир
ГЛАВА ТРЕТЬЯ о высоких энергиях и глубоких идеях Масштабы большого и малого О простом любопытстве, воздухоплавании и космических лучах Ключи к микромиру
ГЛАВА ЧЕТВЕРТАЯ, повествующая о потопе открытий и способах наскоро соорудить комфортабельный ковчег Счастливые "допотопные времена" Адронный потоп Спасительные симметрии Нашествие призраков
ГЛАВА ПЯТАЯ, где рассказано об очень сложных элементарных частицах - адронах Как выглядит адрон? Где прячутся кварки Что делать с эталонами и аналогиями Как рождается адрон?
ГЛАВА ШЕСТАЯ, полностью направленная в будущее Надежды, деньги и все такое Самая большая мечта Главное впереди
ГЛАВА ПЕРВАЯ, В КОТОРОЙ ПРОИСХОДИТ ПЕРВОЕ ЗНАКОМСТВО С ОЧЕНЬ МОЛОДОЙ НАУКОЙ - ФИЗИКОЙ ЭЛЕМЕНТАРНЫХ ЧАСТИЦ
Все опыты уязвляют двумя когтями надеждой и любопытством.
О. Бальзак
РОЖДЕНИЕ ЭЛЕКТРОНА
Позвольте представить вам одну из самых быстроразвивающихся областей современной науки - физику элементарных частиц. Представить не только во всем величии гигантских уникальных приборов, но и в тех, порой мучительных неясностях, которые всегда подстерегают дерзнувшего понять. Представить не только как совокупность ясных, твердо установленных фактов и положений, но и как великий путь эволюции наших взглядов на структуру вещества, вернее, как этап пути, начало которого подернуто полулегендарной дымкой историко-научных гипотез, а конец и вовсе не виден.
Как это следует из названия, раздел физики, который мы будем обсуждать, занимается свойствами простейших составляющих вещества, таких объектов, из которых на сегодняшний день не удалось выделить ничего более элементарного, чем они сами.
Главная проблема, стоящая перед физиками, заключается в выяснении природы сил, действующих между элементарными частицами в различных реакциях. По-видимому, эти же силы обусловливают и существование самих частиц, и, в конечном счете, именно то строение окружающего мира, которое мы наблюдаем.
В принципе физика элементарных частиц очень молодая наука. В 1977 году ей исполняется ровно 80 лет, и она практически целиком принадлежит нашему веку. Первая элементарная частица, а следовательно, и первый объект этой науки - электрон - был открыт английским физиком Дж. Дж. Томсоном, знаменитым "Джи-Джи", в 1897 году. Так что мы вправе говорить не только о молодости, но, пожалуй, о юности этой науки.
Это звучит наилучшим комплиментом, если вспомнить высказывание академика В. Гинзбурга, который назвал физику элементарных частиц "самой красивой дамой физического королевства".
Ее родословная чрезвычайно интересна и поучительна, и нам вскоре предстоит отправиться в специальное путешествие по ее временам и теориям. А пока давайте обсудим то удивительное сочетание счастливой случайности и ясной целенаправленности поиска, которое непосредственно привело физиков к порогу микромира.
Один из путей к современной науке об элементарных частицах возник примерно в начале XVIII века в связи с исследованиями распространения электричества в разреженных газах. Эти исследования служили в свое время едва ли не образцом чрезвычайно сложной в техническом отношении и неблагодарной работы. Действительно, правильного понимания электрических явлений еще не было, а необходимость создания сосудов с высокой степенью разрежения газов, или, как говорят, с высоким вакуумом, порождала серьезнейшие трудности при постановке буквально каждого нового опыта.
И неудивительно, что основной наградой большинству ученых, рискнувших взяться за такую работу, было чисто эстетическое наслаждение - они могли долго любоваться замечательным свечением, возникающим при электризации колбы с достаточно хорошим вакуумом. Удивительно, пожалуй, другое - упорство и изобретательность, несмотря на все проблемы и неясности, приносили прекрасные плоды. Так, русский ученый В. Петров, который одним из первых стал систематически изучать зависимость электрического разряда в газах от формы электродов, расстояния между ними, уровня разрежения в сосудах, сделал в 1802 году открытие важнейшего явления - электрической дуги.
Решающий сдвиг в исследованиях стал возможен лишь после изобретения немецкого стеклодува Г. Гейслера, который в 1855 году предложил использовать для создания действительно хорошего вакуума принципиально новый ртутный насос.
В течение последующего десятилетия изучение явлений в газонаполненных разрядных трубках поднялось на качественно новый уровень. Были повторены и значительно расширены все основные эксперименты, а главное - был твердо установлен особый вид свечения стеклянной оболочки колбы, так называемая флуоресценция, под действием неизвестных агентов, вылетающих с отрицательно заряженного электрода - катода. Этот эффект смогли не только обнаружить, но и довольно подробно исследовать именно в вакуумных трубках с чрезвычайно высоким разрежением. Таинственные агенты, вызывающие свечение, были названы катодными лучами.
Однако после открытия катодных лучей потребовалось еще несколько десятилетий для того, чтобы уверенно отождествить их с потоком элементарных частиц вещества. Вокруг результатов основных экспериментов разгорелась настоящая война идей.
Ряд крупных физиков полагали, что катодные лучи имеют ту же природу, что и свет, то есть катод излучает некоторые волны. К лагерю волновиков примыкал, в частности, первооткрыватель электромагнитных волн Г. Герц. Даже сам автор термина "катодные лучи" немецкий физик Э. Гольдштейн, который сделал первое подробное описание их характеристик, был уверен в правильности прямой аналогии со световыми явлениями.
Точка зрения противников сводилась к тому, что новые лучи состоят из отдельных заряженных частиц, как говорили в те времена, корпускул. Сторонники корпускулярной гипотезы, в конечном счете, восторжествовали, и главная заслуга в этом принадлежит двум английским ученым У. Круксу и Дж. Дж. Томсону.
У. Крукс - типичный представитель ученого мира старых, добрых времен. Человек разнообразных интересов, он внес весомый вклад в развитие нескольких областей естествознания, например, именно он открыл химический элемент таллий.
Основные достижения У. Крукса были связаны с его работами по газоразрядным трубкам и глубокими исследованиями свойств катодных лучей. Исключительная изобретательность в создании трубок различных конфигураций с самой разнообразной внутренней "начинкой" позволила ему доказать, что новые лучи распространяются прямолинейно, могут отклоняться магнитным полем и обладают импульсом. Очень важно и то, что У. Крукс сумел заглянуть за границы, очерченные доступными ему опытными данными, - он, по-видимому, первым предсказал, что заряженные частицы, вылетающие из катода, являются особым, не сводящимся к уже известным, состоянием вещества.
Однако возражения противников корпускулярной гипотезы и после замечательных экспериментов У. Крукса не были устранены. В борьбе научных идей опыт действительно главный судья, но, к сожалению, не только одного, а порой и десятка независимых опытов не хватает для строгого выбора между двумя конкурирующими гипотезами.
Само существование противоположных мнений по поводу одного и того же явления - наилучший способ ускорить постановку опытов, способных разрешить все споры. Другой вопрос, что не всегда имеется возможность немедленно добиться решения именно таким естественным путем, например, из-за несовершенства экспериментальной техники.
Какие же преграды стояли на пути корпускулярной гипотезы о природе катодных лучей после работ У. Крукса? В последнее десятилетие XIX века этим работам и блестящему исследованию двадцатипятилетнего французского физика Ж. Перрена, который доказал, что новые лучи переносят отрицательный электрический заряд, противостояли удивительные результаты самого Г. Герца, ставшего к тому времени благодаря открытию радиоволн одним из крупнейших авторитетов в экспериментальной физике. А результаты Г. Герца были и впрямь поразительны. Несмотря на превосходное владение методами постановки самых тонких опытов, он не сумел обнаружить отклонение катодных лучей в электростатическом поле. Разве могут добропорядочные электрически заряженные частицы не реагировать на такое поле? Но почему же тогда они ведут себя как следует под действием магнитов?
Так, буквально на самом пороге нового века, уже у готовой, ладно сбитой колыбели физики элементарных частиц возникла трудная, пожалуй, даже загадочная ситуация.
Решение было найдено Дж. Дж. Томсоном. Он рассуждал просто и убедительно. Если катодные лучи во всех других экспериментах вели себя как заряженные частицы, то они непременно должны отклоняться электростатическим полем. Если этого не наблюдается, то "виноваты" не обязательно лучи, возможно, "виновато" поле, которое просто не проникает в трубку. Но экранировать такое поле способен лишь хороший проводник (электростатическое поле в проводящую среду не проникает), а стекло трубки таковым не является, значит, проводящей средой является остаточный воздух внутри трубки. Дальнейшее было, как говорится (к сожалению, только "как говорится"!), делом техники. Давление газа было заметно понижено, и необходимое отклонение катодных лучей стало экспериментальным фактом.
Впоследствии, добиваясь взаимной компенсации отклонений с помощью одновременного наложения известных электрических и магнитных полей, Дж. Дж. Томсон сумел определить такую важную характеристику новых частиц, как отношение заряда к массе e/m. Именно эта величина, а не заряд и масса по отдельности, была доступна в то время прямому измерению. С этого момента и отсчитывается обычно дата открытия электрона и рождения всей физики элементарных частиц.
Конечно же, решение одной крупной задачи немедленно повлекло за собой постановку других задач, проясняющих ситуацию с новыми частицами. В этом смысле 1897 год - не более чем удобная и вполне разумно выбранная мемориальная вешка в биографии электрона. Достаточно сказать, что сам этот термин был придуман раньше и относился совсем к иному объекту. Англичанин Дж. Стони, тщательно исследовавший открытое М. Фарадеем явление электролиза, назвал электроном отрицательный заряд одновалентного иона еще в 1891 году. Поэтому в отношении новой частицы довольно долгое время существовала изрядная терминологическая неразбериха - ее отмечали в литературе и как "ион", и как "электрон", и как "корпускулу электричества" (последнее название употреблял сам "Джи-Джи"). Как ни странно, эта путаница оказывала заметное влияние на научные выводы ряда работ, но уже с первых лет нового века недоразумение было полностью устранено.
Примерно к тому же времени завершился цикл экспериментов Дж. Дж. Томсона, Ч. Вильсона, Р. Милликена по измерению заряда и массы электрона.
Так электрон окончательно вошел в физику, но отнюдь не для того, чтобы занять подходящий для легчайшей частицы вещества скромный дальний уголок, а с явными революционными намерениями, и действительно, примерно за десять-пятнадцать лет своего существования он полностью подорвал фундамент классической науки. Роль открытия электрона превосходно характеризуется следующим высказыванием английского ученого Г. Липсона: "Физика, да и вообще вся жизнь на Земле, теперь уже никогда не сможет быть такой, как до этого открытия".
Мы в определенной степени сумели убедиться, что открытие электрона длительный и многотрудный процесс, но он дает представление лишь об одном из путей к физике элементарных частиц. На самом деле у колыбели этой науки образовался целый оживленный перекресток. Сюда широкими столбовыми дорогами и узенькими, едва заметными тропинками стекались практически все главные трудности физики XIX века.
У ПЕРЕКРЕСТКА ЗАГАДОК
Лет сто назад в физике возник взрывообразный интерес ко всякого рода таинственным и загадочным излучениям и свечениям. Пышные прилагательные в этом предложении вовсе не дань возвышенному стилю и некоторой склонности к мистико-романтической образности, характерной для популярных корреспонденций тех времен. Наблюдалось, действительно, множество различных излучений: светился остаточный газ и флуоресцировала стеклянная колба в уже знакомых нам экспериментах с газоразрядной трубкой, красиво фосфоресцировали соединения урана, наконец, в 1887 году мир узнал, что "генератор Герца" излучает какие-то невидимые электромагнитные волны... Причем большинство из этих излучений не могли быть сколь-нибудь глубоко объяснены. Отсюда и вполне понятный ореол таинственности.
Однако "лучевой бум" оказался теснейшим образом связанным с результатами последнего пятилетия прошлого века. В самом конце 1895 года немецкий физик К. Рентген обнаружил, что из точки пересечения потока катодных лучей со стеклянной оболочкой трубки исходит странное излучение, вызывающее флуоресценцию ряда веществ и обладающее невероятной проникающей способностью. Открытие Х-лучей, как окрестил их сам К. Рентген, обессмертило его имя: он стал через шесть лет первым в истории лауреатом Нобелевской премии.
Сейчас мы настолько привыкли к рентгеновским лучам, рентгеновским установкам, наконец, к врачам-рентгенологам, что вряд ли способны представить современную медицину без всего этого. Кстати, исключительная популярность К. Рентгена и его работ - а он стал широко известен буквально через несколько месяцев после своего знаменитого доклада в Вюрцбургском университете - связана именно с чрезвычайно скорым прикладным использованием его метода в медицинских целях. Уже через год-два после открытия каждый, кто приходил на публичные демонстрации, которые охотно устраивали физики, мог полюбоваться контурами своего скелета. Разумеется, это было зрелище не для слабонервных, но оно в высшей степени подогревало общественный интерес к поиску новых явлений.
И открытия еще более удивительные и глубокие не заставили себя ждать. Всего через 4 месяца после обнаружения рентгеновских лучей французский физик А. Беккерель, достойный представитель научной династии Беккерелей (его дед, отец и сын также известные физики), что называется, обручился со счастливой случайностью. Настолько счастливой, что она стала чуть ли не хрестоматийным примером редкого везения.
Разумеется, дело не только в везении. А. Беккерель по давно установившейся семейной традиции тщательно изучал эффект фосфоресценции различных веществ. После достаточно длительной экспозиции на обычном солнечном свете некоторые вещества продолжали светиться (фосфоресцировать) и при переносе в темное помещение. Это явление было известно довольно давно и уже применялось на практике, например, в часах со светящимся циферблатом. Одним из самых лучших фосфоресцентов считалась двойная сульфатная калий-урановая соль, которая часто использовалась в экспериментах и А. Беккерелем.
Вскоре после появления первых сообщений об открытии всепроникающих рентгеновских лучей он решил проверить, не испускают ли фосфоресценты подобного излучения. С этой целью А. Беккерель начал выставлять на солнечный свет образцы урановой соли, расположенные на фотопластинках, тщательно обернутых непрозрачной бумагой. Образцы достаточно четко отпечатывались на пластинке, то есть проникающее излучение действительно существовало.
А. Беккерель был, несомненно, воодушевлен первыми успехами, но, по-видимому, уверовал, что найден новый способ получения рентгеновских лучей. Он с увлеченностью охотника, напавшего на верный след, ставил опыт за опытом, пока не столкнулся с одной досадной помехой. Однажды он готовил очередной эксперимент, но погода испортилась, и ему пришлось запереть все устройство в ящик письменного стола. Собранная схема предназначалась для изучения экранирующего действия металлов, в частности, между защищенной фотопластинкой и образцом урановой соли помещался небольшой медный крест. Примерно через сутки А. Беккерель установил, что пластинка безнадежно испорчена - на ней виден довольно четкий отпечаток креста. История умалчивает об этом, но я почему-то не сомневаюсь, что сразу после проявления фотопластинки А. Беккерель испытал некоторое раздражение. Еще бы Опытнейший 43-летний экспериментатор должен был позаботиться о ее сохранности. Ведь к этому времени многие (и он в том числе) знали, что прекрасные фосфоресценты - соли урана - обладают вредным побочным действием, портят фотопластинки. Я не сомневаюсь и в том, что чувство досады очень скоро уступило место восторгу истинного первооткрывателя. Ведь результат "эксперимента поневоле" позволял утверждать, что солнечное освещение было вообще ни при чем, а соли урана сами испускали некоторое излучение. Вскоре А. Беккерель убедительно показал - новое излучение связано только с урансодержащими веществами; все остальные образцы независимо от их фосфоресцентной способности никакого эффекта не давали.
Через несколько лет А. Беккерель и другие физики выяснили, что новое излучение обладает сложным составом из трех компонент: одна из них - альфа (a) - несет положительный электрический заряд и сильно поглощается в веществе, вторая - бета (B) - отрицательно заряжена и, как и третья, нейтральная - гамма (y ) - компонента, обладает значительно большей проникающей способностью. Так в физику вошли представления об альфа-, бетаи гамма-излучениях, которые были расценены как прямые сигналы о превращениях, происходящих в самых глубинах атомного мира.
Забегая немного вперед, следует сказать, что альфа-излучение оказалось потоком атомных ядер гелия, состоящих из четырех элементарных частиц: двух протонов и двух нейтронов, а бета- и гамма-излучения - потоками элементарных частиц: быстрых электронов и жестких фотонов (квантов электромагнитного поля), соответственно. Они, действительно, были прямыми сигналами, но не из атомного, а из ядерного мира, представляющего в определенном смысле более глубокий уровень строения вещества.
Очевидно, физиков того времени не следует упрекать в неточности, ведь они не успели еще как следует разобраться в атомной структуре. Само слово "атом" зачастую употреблялось по отношению к иным объектам, например, как мы помним, электрон тоже называли "атомом электричества". В следующей главе вы увидите, что законы такого словоупотребления были связаны скорее с некоторой философской традицией, а не с особым физическим содержанием
Замечательное открытие А. Беккереля заинтересовало многих физиков, в том числе супругов П. и М. Кюри и Э. Резерфорда. Супруги Кюри, пожалуй, самая выдающаяся в истории науки "семейная лаборатория", привнесли в дело присущее им сочетание талантов и широкий размах. Именно они ввели термин "радиоактивность", обозначив им способность некоторого вещества излучать, подобно урану. Им же принадлежит заслуга в открытии некоторых радиоактивных элементов.
Главное среди этих открытий, несомненно, радий, излучение которого оказалось примерно в миллион раз сильнее, чем у урана. Для оценки роли, сыгранной этим редчайшим элементом в становлении современной физики, не хватит обилия всех похвальных слов, всех превосходных степеней, содержащихся в русском языке. Благодаря огромной интенсивности радиации радий не только дал возможность разгадать ее природу, но и стал на целых три десятилетия уникальным инструментом для проникновения в микромир.
Работы в этих направлениях неразрывно связаны с именем Э. Резерфорда, которого справедливо называют отцом современной ядерной физики. Научное дарование и характер Э. Резерфорда как нельзя лучше соответствовали тому бурному сокрушению основ, которое происходило в физике на рубеже столетий. Он обладал феноменальной интуицией и, как правило, оказывался в самых интересных и "горячих" точках научных разработок, совершенно фантастической изобретательностью
в трудных, для подавляющего большинства современников непреодолимых, экспериментальных ситуациях. И, наконец, ему было присуще поразительное чутье на таланты - из резерфордовской школы вышло с добрый десяток лауреатов Нобелевской премии.
Вклад Э. Резерфорда в изучение радиоактивности велик и многообразен. Достаточно отметить, что свою Нобелевскую премию он получил именно за фундаментальные работы в этой области. Одно из исследований Э. Резерфорда, завершенное примерно в 1908 году, сыграло поистине определяющую роль в дальнейшем штурме микромира: речь идет об установлении природы альфа-излучения.
Это была сложная проблема, лишь постепенно поддававшаяся решению. Уже к 1903 году Э. Резерфорд доказал, что альфа-излучение представляет собой поток положительно заряженных частиц. После многочисленных измерений традиционно важного отношения заряда к массе стало ясно, что альфа-частицы принадлежат к атомному миру; но доступная точность этих экспериментов, к сожалению, была слишком мала для того, чтобы сделать окончательные количественные заключения.
Казалось бы, прямой путь к разгадке природы альфа-частиц на неопределенное время заказан; надо ожидать, пока технические усовершенствования позволят должным образом улучшить точность опытов. Но не был бы Резерфорд Резерфордом, если бы не предпринял очень характерный для него блестящий обходной маневр - раз альфа-частицы не желают выдавать своих секретов поодиночке, их надо собрать в большой коллектив и устроить в образовавшемся газе электрический разряд. При этом должно возникнуть определенного вида свечение со своим, присущим только данным атомам спектром. Дальше остается только воспользоваться каталогом уже известных спектров и отождествить по нему добытые результаты.
Конечно же, все это просто выглядит лишь на бумаге; на деле все обстояло куда сложней. Так, для проведения данного эксперимента в резерфордовской лаборатории был создан уникальный прибор, потребовавший исключительно виртуозной работы стеклодувов. Но, несмотря на все трудности, опыт прошел вполне успешно, и Э. Резерфорд увидел в некоторой мере предугаданную им картину: альфа-частицы оказались не чем иным, как полностью ионизированными атомами гелия.
Сразу же после этого открытия основные функции альфа-частиц в резерфордовской лаборатории резко меняются - из загадочного объекта они превращаются в надежный инструмент исследований.
Я бы хотел немного обсудить этот интересный и весьма типичный прием научной работы.
В общем-то, любое известное явление несет в физике своеобразную двойную нагрузку. Оно, если можно так выразиться, "учится и работает" одновременно, точнее - оно само подвергается изучению и используется неким образом для изучения других явлений. Любопытно, что правильное понимание механизма этого явления нередко наступает уже после многократного и плодотворного применения. Обратимся к примерам.
Катодные лучи помогли открыть рентгеновское излучение и установить многие его свойства еще до знаменитой томсоновской работы. В свою очередь, рентгеновские лучи стали активно применяться не только в физических, но и в прикладных медицинских целях лет за 10-15 до установления их природы. Только в 1912 году немецкий физик М. Лауэ доказал, что рентгеновские лучи рассеиваются на элементах кристаллической решетки подобно тому, как обычные волны рассеиваются на щелях или малых препятствиях. Этот замечательный эксперимент вошел в историю науки, пожалуй, как самый яркий пример на тему: "убить двух зайцев сразу" - ведь была не только обнаружена волновая природа рентгеновского излучения, но и открыт путь к прямому изучению атомно-молекулярной структуры кристаллов.
Показательна в этом плане судьба первой элементарной частицы электрона. Сразу же после "появления на свет" он зарекомендовал себя как активнейший труженик науки, хотя даже основные его характеристики были известны весьма приближенно - значение заряда и массы электрона подвергалось в первые годы многим существенным уточнениям. Однако самая важная область современной прикладной физики - электроника, без которой сейчас немыслимы ни наука, ни техника, ни прямая трансляция хоккейных матчей из Канады, - на пару лет старше самого электрона. Ее возраст отсчитывается, как правило, от уже упоминавшейся работы Ж. Перрена, эксперименты которого велись в 1895 году с использованием самой настоящей электронно-лучевой трубки.
Честно говоря, мы и теперь не готовы к полному ответу на вопрос: что такое электрон? Старейшина микромирa - сплошной клубок проблем. Но это не мешает постигать с его помощью тончайшие детали строения материи и тем более не мешает, скажем, Министерству электронной промышленности планировать выпуск точных и сверхточных приборов.
Один из впечатляющих примеров на эту тему как раз и связан с альфа-частицами. После экспериментов 1908 года Э Резерфорд решил применить их в качестве снарядов для прямого зондирования структуры вещества пока еще не догадываясь, что в его руках находятся натуральные атомные ядра. Но, даже выступая инкогнито альфа-частицы блестяще справились со своей задачей и, к немалому удивлению Э Резерфорда, значительно "перевыполнили план". Бомбардируя тонкие образцы золотой фольги этими замечательными снарядами, Э. Резерфорд и его ученики заметили любопытное явление. Подавляющее большинство альфа-частиц без труда пронизывали образец, но в отдельных случаях они отскакивали почти в противоположном направлении, или, выражаясь физическим слогом рассеивались на углы, превышающие 90 градусов. Характеризуя степень недоумения, возникшего в лаборатории сразу же вслед за первыми наблюдениями подобного "чуда" Э Резерфорд сравнивал резкое отклонение альфа-частицы с отскоком могучего артиллерийского снаряда от листка папиросной бумаги.
Бег за бесконечностью
Памяти отца Сергея Николаевича
В книге рассказывается о современных представлениях об одной из самых быстроразвивающихся фундаментальных наук - физике элементарных частиц. Основное внимание уделено описанию сильновзаимодействующих частиц - адронов их поведению в различных реакциях при высоких энергиях.
СОДЕРЖАНИЕ
ГЛАВА ПЕРВАЯ, в которой происходите знакомство с очень молодой наукой физикой элементарных частиц Рождение электрона У перекрестка загадок На арене появляются фотон и протон
ГЛАВА ВТОРАЯ, увлекающая нас в небольшое путешествие по временам и теориям Кое-что о путешествиях во времени Маршрут № 1 Неуловимые атомы Маршрут № 2 Квантованный мир Маршрут № 3 Снова квантованный мир
ГЛАВА ТРЕТЬЯ о высоких энергиях и глубоких идеях Масштабы большого и малого О простом любопытстве, воздухоплавании и космических лучах Ключи к микромиру
ГЛАВА ЧЕТВЕРТАЯ, повествующая о потопе открытий и способах наскоро соорудить комфортабельный ковчег Счастливые "допотопные времена" Адронный потоп Спасительные симметрии Нашествие призраков
ГЛАВА ПЯТАЯ, где рассказано об очень сложных элементарных частицах - адронах Как выглядит адрон? Где прячутся кварки Что делать с эталонами и аналогиями Как рождается адрон?
ГЛАВА ШЕСТАЯ, полностью направленная в будущее Надежды, деньги и все такое Самая большая мечта Главное впереди
ГЛАВА ПЕРВАЯ, В КОТОРОЙ ПРОИСХОДИТ ПЕРВОЕ ЗНАКОМСТВО С ОЧЕНЬ МОЛОДОЙ НАУКОЙ - ФИЗИКОЙ ЭЛЕМЕНТАРНЫХ ЧАСТИЦ
Все опыты уязвляют двумя когтями надеждой и любопытством.
О. Бальзак
РОЖДЕНИЕ ЭЛЕКТРОНА
Позвольте представить вам одну из самых быстроразвивающихся областей современной науки - физику элементарных частиц. Представить не только во всем величии гигантских уникальных приборов, но и в тех, порой мучительных неясностях, которые всегда подстерегают дерзнувшего понять. Представить не только как совокупность ясных, твердо установленных фактов и положений, но и как великий путь эволюции наших взглядов на структуру вещества, вернее, как этап пути, начало которого подернуто полулегендарной дымкой историко-научных гипотез, а конец и вовсе не виден.
Как это следует из названия, раздел физики, который мы будем обсуждать, занимается свойствами простейших составляющих вещества, таких объектов, из которых на сегодняшний день не удалось выделить ничего более элементарного, чем они сами.
Главная проблема, стоящая перед физиками, заключается в выяснении природы сил, действующих между элементарными частицами в различных реакциях. По-видимому, эти же силы обусловливают и существование самих частиц, и, в конечном счете, именно то строение окружающего мира, которое мы наблюдаем.
В принципе физика элементарных частиц очень молодая наука. В 1977 году ей исполняется ровно 80 лет, и она практически целиком принадлежит нашему веку. Первая элементарная частица, а следовательно, и первый объект этой науки - электрон - был открыт английским физиком Дж. Дж. Томсоном, знаменитым "Джи-Джи", в 1897 году. Так что мы вправе говорить не только о молодости, но, пожалуй, о юности этой науки.
Это звучит наилучшим комплиментом, если вспомнить высказывание академика В. Гинзбурга, который назвал физику элементарных частиц "самой красивой дамой физического королевства".
Ее родословная чрезвычайно интересна и поучительна, и нам вскоре предстоит отправиться в специальное путешествие по ее временам и теориям. А пока давайте обсудим то удивительное сочетание счастливой случайности и ясной целенаправленности поиска, которое непосредственно привело физиков к порогу микромира.
Один из путей к современной науке об элементарных частицах возник примерно в начале XVIII века в связи с исследованиями распространения электричества в разреженных газах. Эти исследования служили в свое время едва ли не образцом чрезвычайно сложной в техническом отношении и неблагодарной работы. Действительно, правильного понимания электрических явлений еще не было, а необходимость создания сосудов с высокой степенью разрежения газов, или, как говорят, с высоким вакуумом, порождала серьезнейшие трудности при постановке буквально каждого нового опыта.
И неудивительно, что основной наградой большинству ученых, рискнувших взяться за такую работу, было чисто эстетическое наслаждение - они могли долго любоваться замечательным свечением, возникающим при электризации колбы с достаточно хорошим вакуумом. Удивительно, пожалуй, другое - упорство и изобретательность, несмотря на все проблемы и неясности, приносили прекрасные плоды. Так, русский ученый В. Петров, который одним из первых стал систематически изучать зависимость электрического разряда в газах от формы электродов, расстояния между ними, уровня разрежения в сосудах, сделал в 1802 году открытие важнейшего явления - электрической дуги.
Решающий сдвиг в исследованиях стал возможен лишь после изобретения немецкого стеклодува Г. Гейслера, который в 1855 году предложил использовать для создания действительно хорошего вакуума принципиально новый ртутный насос.
В течение последующего десятилетия изучение явлений в газонаполненных разрядных трубках поднялось на качественно новый уровень. Были повторены и значительно расширены все основные эксперименты, а главное - был твердо установлен особый вид свечения стеклянной оболочки колбы, так называемая флуоресценция, под действием неизвестных агентов, вылетающих с отрицательно заряженного электрода - катода. Этот эффект смогли не только обнаружить, но и довольно подробно исследовать именно в вакуумных трубках с чрезвычайно высоким разрежением. Таинственные агенты, вызывающие свечение, были названы катодными лучами.
Однако после открытия катодных лучей потребовалось еще несколько десятилетий для того, чтобы уверенно отождествить их с потоком элементарных частиц вещества. Вокруг результатов основных экспериментов разгорелась настоящая война идей.
Ряд крупных физиков полагали, что катодные лучи имеют ту же природу, что и свет, то есть катод излучает некоторые волны. К лагерю волновиков примыкал, в частности, первооткрыватель электромагнитных волн Г. Герц. Даже сам автор термина "катодные лучи" немецкий физик Э. Гольдштейн, который сделал первое подробное описание их характеристик, был уверен в правильности прямой аналогии со световыми явлениями.
Точка зрения противников сводилась к тому, что новые лучи состоят из отдельных заряженных частиц, как говорили в те времена, корпускул. Сторонники корпускулярной гипотезы, в конечном счете, восторжествовали, и главная заслуга в этом принадлежит двум английским ученым У. Круксу и Дж. Дж. Томсону.
У. Крукс - типичный представитель ученого мира старых, добрых времен. Человек разнообразных интересов, он внес весомый вклад в развитие нескольких областей естествознания, например, именно он открыл химический элемент таллий.
Основные достижения У. Крукса были связаны с его работами по газоразрядным трубкам и глубокими исследованиями свойств катодных лучей. Исключительная изобретательность в создании трубок различных конфигураций с самой разнообразной внутренней "начинкой" позволила ему доказать, что новые лучи распространяются прямолинейно, могут отклоняться магнитным полем и обладают импульсом. Очень важно и то, что У. Крукс сумел заглянуть за границы, очерченные доступными ему опытными данными, - он, по-видимому, первым предсказал, что заряженные частицы, вылетающие из катода, являются особым, не сводящимся к уже известным, состоянием вещества.
Однако возражения противников корпускулярной гипотезы и после замечательных экспериментов У. Крукса не были устранены. В борьбе научных идей опыт действительно главный судья, но, к сожалению, не только одного, а порой и десятка независимых опытов не хватает для строгого выбора между двумя конкурирующими гипотезами.
Само существование противоположных мнений по поводу одного и того же явления - наилучший способ ускорить постановку опытов, способных разрешить все споры. Другой вопрос, что не всегда имеется возможность немедленно добиться решения именно таким естественным путем, например, из-за несовершенства экспериментальной техники.
Какие же преграды стояли на пути корпускулярной гипотезы о природе катодных лучей после работ У. Крукса? В последнее десятилетие XIX века этим работам и блестящему исследованию двадцатипятилетнего французского физика Ж. Перрена, который доказал, что новые лучи переносят отрицательный электрический заряд, противостояли удивительные результаты самого Г. Герца, ставшего к тому времени благодаря открытию радиоволн одним из крупнейших авторитетов в экспериментальной физике. А результаты Г. Герца были и впрямь поразительны. Несмотря на превосходное владение методами постановки самых тонких опытов, он не сумел обнаружить отклонение катодных лучей в электростатическом поле. Разве могут добропорядочные электрически заряженные частицы не реагировать на такое поле? Но почему же тогда они ведут себя как следует под действием магнитов?
Так, буквально на самом пороге нового века, уже у готовой, ладно сбитой колыбели физики элементарных частиц возникла трудная, пожалуй, даже загадочная ситуация.
Решение было найдено Дж. Дж. Томсоном. Он рассуждал просто и убедительно. Если катодные лучи во всех других экспериментах вели себя как заряженные частицы, то они непременно должны отклоняться электростатическим полем. Если этого не наблюдается, то "виноваты" не обязательно лучи, возможно, "виновато" поле, которое просто не проникает в трубку. Но экранировать такое поле способен лишь хороший проводник (электростатическое поле в проводящую среду не проникает), а стекло трубки таковым не является, значит, проводящей средой является остаточный воздух внутри трубки. Дальнейшее было, как говорится (к сожалению, только "как говорится"!), делом техники. Давление газа было заметно понижено, и необходимое отклонение катодных лучей стало экспериментальным фактом.
Впоследствии, добиваясь взаимной компенсации отклонений с помощью одновременного наложения известных электрических и магнитных полей, Дж. Дж. Томсон сумел определить такую важную характеристику новых частиц, как отношение заряда к массе e/m. Именно эта величина, а не заряд и масса по отдельности, была доступна в то время прямому измерению. С этого момента и отсчитывается обычно дата открытия электрона и рождения всей физики элементарных частиц.
Конечно же, решение одной крупной задачи немедленно повлекло за собой постановку других задач, проясняющих ситуацию с новыми частицами. В этом смысле 1897 год - не более чем удобная и вполне разумно выбранная мемориальная вешка в биографии электрона. Достаточно сказать, что сам этот термин был придуман раньше и относился совсем к иному объекту. Англичанин Дж. Стони, тщательно исследовавший открытое М. Фарадеем явление электролиза, назвал электроном отрицательный заряд одновалентного иона еще в 1891 году. Поэтому в отношении новой частицы довольно долгое время существовала изрядная терминологическая неразбериха - ее отмечали в литературе и как "ион", и как "электрон", и как "корпускулу электричества" (последнее название употреблял сам "Джи-Джи"). Как ни странно, эта путаница оказывала заметное влияние на научные выводы ряда работ, но уже с первых лет нового века недоразумение было полностью устранено.
Примерно к тому же времени завершился цикл экспериментов Дж. Дж. Томсона, Ч. Вильсона, Р. Милликена по измерению заряда и массы электрона.
Так электрон окончательно вошел в физику, но отнюдь не для того, чтобы занять подходящий для легчайшей частицы вещества скромный дальний уголок, а с явными революционными намерениями, и действительно, примерно за десять-пятнадцать лет своего существования он полностью подорвал фундамент классической науки. Роль открытия электрона превосходно характеризуется следующим высказыванием английского ученого Г. Липсона: "Физика, да и вообще вся жизнь на Земле, теперь уже никогда не сможет быть такой, как до этого открытия".
Мы в определенной степени сумели убедиться, что открытие электрона длительный и многотрудный процесс, но он дает представление лишь об одном из путей к физике элементарных частиц. На самом деле у колыбели этой науки образовался целый оживленный перекресток. Сюда широкими столбовыми дорогами и узенькими, едва заметными тропинками стекались практически все главные трудности физики XIX века.
У ПЕРЕКРЕСТКА ЗАГАДОК
Лет сто назад в физике возник взрывообразный интерес ко всякого рода таинственным и загадочным излучениям и свечениям. Пышные прилагательные в этом предложении вовсе не дань возвышенному стилю и некоторой склонности к мистико-романтической образности, характерной для популярных корреспонденций тех времен. Наблюдалось, действительно, множество различных излучений: светился остаточный газ и флуоресцировала стеклянная колба в уже знакомых нам экспериментах с газоразрядной трубкой, красиво фосфоресцировали соединения урана, наконец, в 1887 году мир узнал, что "генератор Герца" излучает какие-то невидимые электромагнитные волны... Причем большинство из этих излучений не могли быть сколь-нибудь глубоко объяснены. Отсюда и вполне понятный ореол таинственности.
Однако "лучевой бум" оказался теснейшим образом связанным с результатами последнего пятилетия прошлого века. В самом конце 1895 года немецкий физик К. Рентген обнаружил, что из точки пересечения потока катодных лучей со стеклянной оболочкой трубки исходит странное излучение, вызывающее флуоресценцию ряда веществ и обладающее невероятной проникающей способностью. Открытие Х-лучей, как окрестил их сам К. Рентген, обессмертило его имя: он стал через шесть лет первым в истории лауреатом Нобелевской премии.
Сейчас мы настолько привыкли к рентгеновским лучам, рентгеновским установкам, наконец, к врачам-рентгенологам, что вряд ли способны представить современную медицину без всего этого. Кстати, исключительная популярность К. Рентгена и его работ - а он стал широко известен буквально через несколько месяцев после своего знаменитого доклада в Вюрцбургском университете - связана именно с чрезвычайно скорым прикладным использованием его метода в медицинских целях. Уже через год-два после открытия каждый, кто приходил на публичные демонстрации, которые охотно устраивали физики, мог полюбоваться контурами своего скелета. Разумеется, это было зрелище не для слабонервных, но оно в высшей степени подогревало общественный интерес к поиску новых явлений.
И открытия еще более удивительные и глубокие не заставили себя ждать. Всего через 4 месяца после обнаружения рентгеновских лучей французский физик А. Беккерель, достойный представитель научной династии Беккерелей (его дед, отец и сын также известные физики), что называется, обручился со счастливой случайностью. Настолько счастливой, что она стала чуть ли не хрестоматийным примером редкого везения.
Разумеется, дело не только в везении. А. Беккерель по давно установившейся семейной традиции тщательно изучал эффект фосфоресценции различных веществ. После достаточно длительной экспозиции на обычном солнечном свете некоторые вещества продолжали светиться (фосфоресцировать) и при переносе в темное помещение. Это явление было известно довольно давно и уже применялось на практике, например, в часах со светящимся циферблатом. Одним из самых лучших фосфоресцентов считалась двойная сульфатная калий-урановая соль, которая часто использовалась в экспериментах и А. Беккерелем.
Вскоре после появления первых сообщений об открытии всепроникающих рентгеновских лучей он решил проверить, не испускают ли фосфоресценты подобного излучения. С этой целью А. Беккерель начал выставлять на солнечный свет образцы урановой соли, расположенные на фотопластинках, тщательно обернутых непрозрачной бумагой. Образцы достаточно четко отпечатывались на пластинке, то есть проникающее излучение действительно существовало.
А. Беккерель был, несомненно, воодушевлен первыми успехами, но, по-видимому, уверовал, что найден новый способ получения рентгеновских лучей. Он с увлеченностью охотника, напавшего на верный след, ставил опыт за опытом, пока не столкнулся с одной досадной помехой. Однажды он готовил очередной эксперимент, но погода испортилась, и ему пришлось запереть все устройство в ящик письменного стола. Собранная схема предназначалась для изучения экранирующего действия металлов, в частности, между защищенной фотопластинкой и образцом урановой соли помещался небольшой медный крест. Примерно через сутки А. Беккерель установил, что пластинка безнадежно испорчена - на ней виден довольно четкий отпечаток креста. История умалчивает об этом, но я почему-то не сомневаюсь, что сразу после проявления фотопластинки А. Беккерель испытал некоторое раздражение. Еще бы Опытнейший 43-летний экспериментатор должен был позаботиться о ее сохранности. Ведь к этому времени многие (и он в том числе) знали, что прекрасные фосфоресценты - соли урана - обладают вредным побочным действием, портят фотопластинки. Я не сомневаюсь и в том, что чувство досады очень скоро уступило место восторгу истинного первооткрывателя. Ведь результат "эксперимента поневоле" позволял утверждать, что солнечное освещение было вообще ни при чем, а соли урана сами испускали некоторое излучение. Вскоре А. Беккерель убедительно показал - новое излучение связано только с урансодержащими веществами; все остальные образцы независимо от их фосфоресцентной способности никакого эффекта не давали.
Через несколько лет А. Беккерель и другие физики выяснили, что новое излучение обладает сложным составом из трех компонент: одна из них - альфа (a) - несет положительный электрический заряд и сильно поглощается в веществе, вторая - бета (B) - отрицательно заряжена и, как и третья, нейтральная - гамма (y ) - компонента, обладает значительно большей проникающей способностью. Так в физику вошли представления об альфа-, бетаи гамма-излучениях, которые были расценены как прямые сигналы о превращениях, происходящих в самых глубинах атомного мира.
Забегая немного вперед, следует сказать, что альфа-излучение оказалось потоком атомных ядер гелия, состоящих из четырех элементарных частиц: двух протонов и двух нейтронов, а бета- и гамма-излучения - потоками элементарных частиц: быстрых электронов и жестких фотонов (квантов электромагнитного поля), соответственно. Они, действительно, были прямыми сигналами, но не из атомного, а из ядерного мира, представляющего в определенном смысле более глубокий уровень строения вещества.
Очевидно, физиков того времени не следует упрекать в неточности, ведь они не успели еще как следует разобраться в атомной структуре. Само слово "атом" зачастую употреблялось по отношению к иным объектам, например, как мы помним, электрон тоже называли "атомом электричества". В следующей главе вы увидите, что законы такого словоупотребления были связаны скорее с некоторой философской традицией, а не с особым физическим содержанием
Замечательное открытие А. Беккереля заинтересовало многих физиков, в том числе супругов П. и М. Кюри и Э. Резерфорда. Супруги Кюри, пожалуй, самая выдающаяся в истории науки "семейная лаборатория", привнесли в дело присущее им сочетание талантов и широкий размах. Именно они ввели термин "радиоактивность", обозначив им способность некоторого вещества излучать, подобно урану. Им же принадлежит заслуга в открытии некоторых радиоактивных элементов.
Главное среди этих открытий, несомненно, радий, излучение которого оказалось примерно в миллион раз сильнее, чем у урана. Для оценки роли, сыгранной этим редчайшим элементом в становлении современной физики, не хватит обилия всех похвальных слов, всех превосходных степеней, содержащихся в русском языке. Благодаря огромной интенсивности радиации радий не только дал возможность разгадать ее природу, но и стал на целых три десятилетия уникальным инструментом для проникновения в микромир.
Работы в этих направлениях неразрывно связаны с именем Э. Резерфорда, которого справедливо называют отцом современной ядерной физики. Научное дарование и характер Э. Резерфорда как нельзя лучше соответствовали тому бурному сокрушению основ, которое происходило в физике на рубеже столетий. Он обладал феноменальной интуицией и, как правило, оказывался в самых интересных и "горячих" точках научных разработок, совершенно фантастической изобретательностью
в трудных, для подавляющего большинства современников непреодолимых, экспериментальных ситуациях. И, наконец, ему было присуще поразительное чутье на таланты - из резерфордовской школы вышло с добрый десяток лауреатов Нобелевской премии.
Вклад Э. Резерфорда в изучение радиоактивности велик и многообразен. Достаточно отметить, что свою Нобелевскую премию он получил именно за фундаментальные работы в этой области. Одно из исследований Э. Резерфорда, завершенное примерно в 1908 году, сыграло поистине определяющую роль в дальнейшем штурме микромира: речь идет об установлении природы альфа-излучения.
Это была сложная проблема, лишь постепенно поддававшаяся решению. Уже к 1903 году Э. Резерфорд доказал, что альфа-излучение представляет собой поток положительно заряженных частиц. После многочисленных измерений традиционно важного отношения заряда к массе стало ясно, что альфа-частицы принадлежат к атомному миру; но доступная точность этих экспериментов, к сожалению, была слишком мала для того, чтобы сделать окончательные количественные заключения.
Казалось бы, прямой путь к разгадке природы альфа-частиц на неопределенное время заказан; надо ожидать, пока технические усовершенствования позволят должным образом улучшить точность опытов. Но не был бы Резерфорд Резерфордом, если бы не предпринял очень характерный для него блестящий обходной маневр - раз альфа-частицы не желают выдавать своих секретов поодиночке, их надо собрать в большой коллектив и устроить в образовавшемся газе электрический разряд. При этом должно возникнуть определенного вида свечение со своим, присущим только данным атомам спектром. Дальше остается только воспользоваться каталогом уже известных спектров и отождествить по нему добытые результаты.
Конечно же, все это просто выглядит лишь на бумаге; на деле все обстояло куда сложней. Так, для проведения данного эксперимента в резерфордовской лаборатории был создан уникальный прибор, потребовавший исключительно виртуозной работы стеклодувов. Но, несмотря на все трудности, опыт прошел вполне успешно, и Э. Резерфорд увидел в некоторой мере предугаданную им картину: альфа-частицы оказались не чем иным, как полностью ионизированными атомами гелия.
Сразу же после этого открытия основные функции альфа-частиц в резерфордовской лаборатории резко меняются - из загадочного объекта они превращаются в надежный инструмент исследований.
Я бы хотел немного обсудить этот интересный и весьма типичный прием научной работы.
В общем-то, любое известное явление несет в физике своеобразную двойную нагрузку. Оно, если можно так выразиться, "учится и работает" одновременно, точнее - оно само подвергается изучению и используется неким образом для изучения других явлений. Любопытно, что правильное понимание механизма этого явления нередко наступает уже после многократного и плодотворного применения. Обратимся к примерам.
Катодные лучи помогли открыть рентгеновское излучение и установить многие его свойства еще до знаменитой томсоновской работы. В свою очередь, рентгеновские лучи стали активно применяться не только в физических, но и в прикладных медицинских целях лет за 10-15 до установления их природы. Только в 1912 году немецкий физик М. Лауэ доказал, что рентгеновские лучи рассеиваются на элементах кристаллической решетки подобно тому, как обычные волны рассеиваются на щелях или малых препятствиях. Этот замечательный эксперимент вошел в историю науки, пожалуй, как самый яркий пример на тему: "убить двух зайцев сразу" - ведь была не только обнаружена волновая природа рентгеновского излучения, но и открыт путь к прямому изучению атомно-молекулярной структуры кристаллов.
Показательна в этом плане судьба первой элементарной частицы электрона. Сразу же после "появления на свет" он зарекомендовал себя как активнейший труженик науки, хотя даже основные его характеристики были известны весьма приближенно - значение заряда и массы электрона подвергалось в первые годы многим существенным уточнениям. Однако самая важная область современной прикладной физики - электроника, без которой сейчас немыслимы ни наука, ни техника, ни прямая трансляция хоккейных матчей из Канады, - на пару лет старше самого электрона. Ее возраст отсчитывается, как правило, от уже упоминавшейся работы Ж. Перрена, эксперименты которого велись в 1895 году с использованием самой настоящей электронно-лучевой трубки.
Честно говоря, мы и теперь не готовы к полному ответу на вопрос: что такое электрон? Старейшина микромирa - сплошной клубок проблем. Но это не мешает постигать с его помощью тончайшие детали строения материи и тем более не мешает, скажем, Министерству электронной промышленности планировать выпуск точных и сверхточных приборов.
Один из впечатляющих примеров на эту тему как раз и связан с альфа-частицами. После экспериментов 1908 года Э Резерфорд решил применить их в качестве снарядов для прямого зондирования структуры вещества пока еще не догадываясь, что в его руках находятся натуральные атомные ядра. Но, даже выступая инкогнито альфа-частицы блестяще справились со своей задачей и, к немалому удивлению Э Резерфорда, значительно "перевыполнили план". Бомбардируя тонкие образцы золотой фольги этими замечательными снарядами, Э. Резерфорд и его ученики заметили любопытное явление. Подавляющее большинство альфа-частиц без труда пронизывали образец, но в отдельных случаях они отскакивали почти в противоположном направлении, или, выражаясь физическим слогом рассеивались на углы, превышающие 90 градусов. Характеризуя степень недоумения, возникшего в лаборатории сразу же вслед за первыми наблюдениями подобного "чуда" Э Резерфорд сравнивал резкое отклонение альфа-частицы с отскоком могучего артиллерийского снаряда от листка папиросной бумаги.