Вселенная в своем самом малом, или что мы знаем о материи

Древние греки предположили, что вещество Вселенной состоит из мельчайших «неделимых» частиц, которые они назвали атомами. Они высказали гипотезу, что точно так же, как в языках алфавитного типа огромное количество слов строится путем комбинации небольшого числа букв, так и огромное разнообразие материальных объектов может быть результатом комбинации небольшого

14ВВВВВВВВВВВВВВВВВВВВВВВВВ ВВВВВВВВВВВВВВВВВВВВЧасть I. РќР° переднем краю познания

числа различных элементарных строительных блоков. Это было гениальным предвидением. Спустя более 2000 лет РјС‹ продолжаем считать его верным, хотя представления Рѕ сущности этих фундаментальных строительных блоков неоднократно подвергались пересмотру. Р’ XIX РІ. ученые показали, что РјРЅРѕРіРёРµ обычные вещества, например, кислород Рё углерод, состоят РёР· мельчайших компонентов, которые, следуя традиции, идущей РѕС‚ греков, были названы атомами. Название сохранилось, РЅРѕ время показало, что РѕРЅРѕ было неправильным, поскольку атомы определенно являются «делимыми». Рљ началу 1930-С… РіРі. совместными усилиями Дж. Дж. РўРѕРјСЃРѕРЅР°, Эрнеста Резерфорда, Нильса Бора Рё Джеймса Чедвика была разработана известная большинству РёР· нас модель строения атома, похожая РЅР° солнечную систему. Атомы, которые являются далеко РЅРµ самыми элементарными частицами материи, состоят РёР· СЏРґСЂР° (содержащего протоны Рё нейтроны), окруженного роем движущихся РїРѕ орбитам электронов.

В течение некоторого времени многие физики считали, что протоны, нейтроны и электроны являются «атомами» в том смысле, который вкладывали в это слово древние греки. Однако эксперименты, проведенные в 1968 г. на Стэнфордском линейном ускорителе и использовавшие возросшую мощь технологий для изучения глубин микромира, продемонстрировали, что ни протоны, ни нейтроны не являются фундаментальными. Эти эксперименты показали, что они состоят из трех частиц меньшего размера, названных кварками. Это вымышленное название было заимствовано теоретиком Мюрреем Гелл-Манном, предсказавшим существование кварков, из произведения ирландского писателя Джеймса Джойса Поминки по Финнегану. Экспериментаторы установили, что сами кварки делятся на два типа, которые несколько менее изысканно были названы и-кварками и d-кварками. Протон состоит из двух и-кварков и одного d-кварка, а нейтрон — из двух d-кварков и одного и-кварка.

Р’СЃРµ, что РјС‹ РІРёРґРёРј РЅР° Земле Рё РІ небесах, РїРѕ-РІРёРґРёРјРѕРјСѓ, состоит РёР· комбинаций электронов, Рё-кварков Рё d-кварков. РќРµ существует экспериментальных данных, указывающих РЅР° то, что какая-либо РёР· этих трех частиц состоит РёР· элементов меньшего размера. Однако имеется масса данных, свидетельствующих Рѕ том, что Вселенная содержит дополнительные компоненты. Р’ середине 1950-С… РіРі. Фредерик Райнес Рё Клайд РљРѕСѓСЌРЅ получили решающее экспериментальное доказательство существования четвертого типа фундаментальных частиц, названных нейтрино. Существование этих частиц было предсказано РІ начале 1930-С… РіРі. Вольфгангом Паули. Нейтрино оказалось очень трудно обнаружить: это частица-призрак, которая чрезвычайно редко взаимодействует СЃ РґСЂСѓРіРёРјРё видами материн. Нейтрино средней РїРѕ величине энергии легко проникает СЃРєРІРѕР·СЊ РјРЅРѕРіРёРµ триллионы миль свинца, которые РЅРµ оказывают РЅРё малейшего влияния РЅР° его движение. Эта информация должна принести вам значительное облегчение, поскольку РїСЂСЏРјРѕ сейчас, РєРѕРіРґР° РІС‹ читаете эту РєРЅРёРіСѓ, миллиарды нейтрино, испущенных Солнцем, РїСЂРѕС…РѕРґСЏС‚ через ваше тело Рё через Землю РІ С…РѕРґРµ долгих скитаний РїРѕ космическому пространству. Р’ конце 1930-С… РіРі. физики, исследующие космические лучи (потоки частиц, которые бомбардируют Землю РёР· РєРѕСЃРјРѕСЃР°), открыли еще РѕРґРЅСѓ частицу, названную РјСЋРѕРЅРѕРј. Эта частица идентична электрону, Р·Р° исключением того, что РѕРЅР° примерно РІ 200 раз тяжелее. Поскольку РІ мироздании РЅРµ было ничего — РЅРё нерешенных загадок, РЅРё пустующих РЅРёС€, — что требовало Р±С‹ существования РјСЋРѕРЅР°, нобелевский лауреат, специалист РїРѕ физике элементарных частиц Исидор Исаак Раби приветствовал открытие РјСЋРѕРЅР° РЅРµ слишком радостной фразой: «Ну, Рё кто это заказывал?В» Тем РЅРµ менее, РјСЋРѕРЅ существовал. Р—Р° РЅРёРј последовали РјРЅРѕРіРёРµ РґСЂСѓРіРёРµ частицы.

Используя все более мощную технику, физики продолжали сталкивать крошечные частицы материи все более высокой энергии. При этом в течение коротких промежутков времени воссоздавались условия, не существовавшие со времен Большого взрыва. Среди образовавшихся осколков ученые искали новые фундаментальные частицы, чтобы добавить их к растущему списку элементарных частиц. Вот что они обнаружили: еще четыре кварка — с, s, b и t, еще

Глава 1. Связанные струнойВВВВВВВВВВВВВВВВВВВВВВВВВВВВВВВВВВВВВВВВВВВВВВВВВВВВВ 15

Таблица 1.1

Три семейства фундаментальных частиц и массы частиц (в долях массы протона). Значения масс нейтрино до сих пор не удалось определить экспериментально

Семейство 1	Семейство 2	Семейство 3
Частица	Масса	Частица	Масса	Частица	Масса
Электрон	0,00054	Мюон	0,11	Тау	1,9
Электронное нейтрино	< 10-8	Мюонное нейтрино	< 0,0003	Тау-нейтрино	< 0,033
и-кварк	0,0047	с-кварк	1,6	t-кварк	189,0
d-кварк	0,0074	s-кварк	0,16	b-кварк	5,2

одного, даже более тяжелого, родственника электрона, названного тау-лептоном, а также еше две частицы, свойства которых схожи со свойствами нейтрино (они получили название мюонного нейтрино и тау-нейтрино, чтобы отличить их от первого нейтрино, которое стало называться электронным нейтрино). Эти частицы образуются в соударениях при высокой энергии, они существуют только в течение коротких промежутков времени и не входят в состав обычной материи. Но и это еще не конец истории. Каждая из этих частиц имеет соответствующую ей античастицу, обладающую такой же массой, но являющейся противоположной в некоторых других отношениях, например, противоположной по электрическому заряду (или зарядам других видов взаимодействий, обсуждаемых ниже). Например, античастица электрона называется позитроном, она имеет такую же массу, но ее электрический заряд*) равен +1, тогда как у электрона он составляет — 1. При контакте вещество и антивещество взаимно уничтожаются, превращаясь в чистую энергию — вот почему антивещество, образовавшееся естественным образом, крайне редко встречается в окружающем нас мире.

Физики подметили закономерность в свойствах этих частиц (см. табл. 1.1). Частицы материи четко разделяются на три группы, которые часто называют семействами. Каждое семейство состоит из двух кварков, электрона или одного из его родственников, и одного из типов нейтрино. Свойства соответствующих частиц в трех семействах идентичны за исключением массы, которая последовательно увеличивается в каждом следующем семействе. В настоящее время физики исследуют структуру вещества в масштабах порядка одной миллиардной от одной миллиардной доли метра; при этом показано, что все вещество, найденное по сей день — естественное или полученное искусственно при помощи гигантских устройств для столкновения атомов — состоит из комбинаций частиц, входящих в эти семейства, и соответствующих им античастиц.

Взгляд РЅР° табл. 1.1, несомненно, вызовет Сѓ вас еще большее изумление, чем то, которое испытал Раби РїСЂРё открытии РјСЋРѕРЅР°. Разделение РЅР° семейства, РїРѕ крайней мере, РІРЅРѕСЃРёС‚ какую-то видимость РїРѕСЂСЏРґРєР°, РЅРѕ РїСЂРё этом возникают многочисленные «почему». Почему требуется так РјРЅРѕРіРѕ фундаментальных частиц, особенно если вспомнить, что для подавляющего большинства окружающих нас тел требуются только электроны, Рё-кварки Рё d-кварки? Почему семейств три? Почему РЅРµ РѕРґРЅРѕ семейство, или РЅРµ четыре, или РЅРµ какое-РЅРёР±СѓРґСЊ РґСЂСѓРіРѕРµ число? Почему наблюдается такой, РЅР° первый взгляд совершенно случайный, разброс значений масс частиц, например, почему масса тау-частицы РІ 3 520 раз больше массы электрона? Почему масса t-кварка РІ 40 200 раз больше массы Рё-кварка? Р’СЃРµ эти числа выглядят странно, РѕРЅРё кажутся случайными. Являются ли РѕРЅРё РёРіСЂРѕР№ случая, связаны ли РѕРЅРё СЃ каким-то божественным выбором, или эти фундаментальные

 

* Подразумевается, что заряды частиц выражены в единицах элементарного заряда е = 1,6 • 10^--19 Кл. — Прим. перев.

 

16ВВВВВВВВВВВВВВВВВВВВВВВВВВВВВВВВВВВВВВВВВВВВ Часть I. РќР° переднем краю познания

свойства нашей Вселенной имеют какое-то разумное научное объяснение?