Нуклоны теряют свою индивидуальность
Последней пример абстрактной симметрии, которому отводится главная роль в последующих главах, демонстрирует сильное ядерное взаимодействие между протонами и нейтронами. Эксперименты показывают, что величина и другие свойства этого взаимодействия не зависят от того, о каких частицах идет речь — протонах или нейтронах. Действительно, протоны и нейтроны удивительно похожи друг на друга. Их массы отличаются всего лишь на 0,1%. У них одинаковые спины и на них одинаково действуют ядерные силы. Единственно, чем они отличаются, — это наличием у протона электрического заряда, но поскольку при ядерных взаимодействиях электрический заряд не имеет значения, он служит лишь меткой протона. Заряд позволяет распознавать протон и отличать его от нейтрона, но никак не сказывается на ядерном взаимодействии, связывающем протоны и нейтроны. Если протон лишить электрического заряда, то он утратит свою индивидуальность.
Тесное сходство протона и нейтрона наводит на мысль, что здесь существует симметрия. Действительно, на ядерных процессах никак не отразится, если бы мы каким-то образом смогли заменить все протоны нейтронами и наоборот. Можно пойти и дальше. Представим себе, что у нас есть волшебная ручка с указателем, поворачивая которую, мы можем превращать протоны в нейтроны. Предположим, когда указатель находится в верхнем положении, все рассматриваемые частицы — протоны; если же ручку повернуть на пол-оборота, так чтобы указатель был направлен вниз, все протоны превратятся в нейтроны (рис. 8). Разумеется, это чисто мысленный эксперимент, так как в действительности мы не можем превращать протоны в нейтроны, а нейтроны в протоны. Эта абстрактная модель позволяет нам обнаружить абстрактную симметрию, но она очень полезна, поскольку помогает понять природу сильного взаимодействия.
Рис.8 Волшебная ручка. Ее вращение позволяет постепенно изменять природу ядерных частиц. Когда указатель ручки находится в верхнем положении, частицы на 100 % представляют собой протоны (р). При повороте ручки частицы переходят в смешанное состояние — отчасти протон, отчасти нейтрон. Когда же Указатель направлен вниз, все протоны превращаются в нейтроны (n). Описанный процесс, несмотря на всю его условность, отражает фундаментальную симметрию ядерных сил.
Предположим теперь, что превращение протона в нейтрон происходит не скачком, а плавно по мере поворота волшебной ручки. Когда указатель находится в промежуточном положении, частицы не являются в чистом виде ни протонами, ни нейтронами, а представляют собой своего рода гибрид того и другого. По мере удаления указателя от положения, соответствующего на циферблате 12 ч, сродство с протоном у частиц убывает, а сродство с нейтроном растет. Возможно, не так-то просто представить себе, что такое сродство с протоном и о нейтроном или гибрид протона и нейтрона. Можно предложить другую интерпретацию промежуточного положения указателя: при наблюдении данная частица оказывается то протоном, то нейтроном. Частица утрачивает свою индивидуальность и хаотически переходит из одного состояния (например, “протон”) в другое (“нейтрон”). Когда указатель стоит в положении, близком к “12ч”, частица в основном находится в состоянии “протон”, и вероятность обнаружить при ее наблюдении протон близка к единице. По мере того как указатель приближается к “6ч”, вероятность обнаружить при наблюдении частицы нейтрон все возрастает. Когда указатель направлен строго вниз, вероятность обнаружить протон падает до нуля, и все 100% приходятся на нейтрон.
Если волшебная ручка снабжена двумя указателями, один из которых смотрит вверх, а другой — вниз (рис. 9), то вращая ручку, мы будем одновременно наблюдать превращение протонов в нейтроны, а нейтронов в протоны. Положение ручки, изображенное на рис. 9,а, соответствует нынешнему состоянию Вселенной. При повороте ручки (рис. 9, б) протоны начинают превращаться в нейтроны, а нейтроны — в протоны, и степень сродства с нейтронами у протонов равна степени сродства с протонами нейтронов. Когда же ручка совершит пол-оборота, все протоны превратятся в нейтроны, а нейтроны — в протоны.
Ручка с указателями — это не более чем удобный прием, позволяющий наглядно проиллюстрировать свойство симметрии ядерных сил. Применительно к рассматриваемой модели можно сказать, что в сущности ядерные силы не зависят от положения указателя. Направлен ли он вверх, вниз, вбок или под любым про” межуточным углом, ядерные 'силы останутся неизменными. Это свойство получило довольно громоздкое название — симметрия изотопического спина, или изотопическая симметрия. Слово “изотопический” здесь связано с тем, что ядра, отличающиеся только числом нейтронов, называются изотопами, а свойства симметрии, о которой идет речь, аналогичны свойствам собственного спина, упоминавшегося в гл. 2.
Рис.9 Волшебная ручка с двумя указателями позволяет описать взаимное превращение протонов и нейтронов. Черный указатель действует, как и на рис. 8, а светлый — описывает превращение всех нейтронов в протоны. Случай а соответствует реально наблюдаемому соотношению числа протонов и нейтронов. В случае б протоны частично переходят в нейтроны, а нейтроны — в равной степени в протоны. Когда ручка перейдет в положение в, все исходные протоны превратятся в нейтроны, а все нейтроны—в протоны. Вследствие фундаментальной симметрии ядерные силы не зависят от положения волшебной ручки.
Физика и фантазия
Понятие изотопического спина — великолепный пример роли абстрактного мышления в физике. Как мы увидим, введение этого понятия имело глубокие последствия. В реальном мире нет “волшебных ручек с указателями”, нет и устройств для измерения сродства с протонами у нейтронов и с нейтронами у протонов. Идея смешения индивидуальности протонов и нейтронов — плод чисто теоретической мысли, своего рода фантазия. Но логически она вполне допустима. Мы можем мысленно представить себе подобное, даже если в реальном мире это исключено. То, что воображаемый процесс может иметь самое непосредственное отношение к физике реального мира, возможно, покажется удивительным, но таким приемом очень эффективно пользуется современный физик. Свою науку он рассматривает как модель, описывающую реальный мир наблюдений. Эта модель может включать множество Дополнительных особенностей, которые, хотя сами по себе и не отражают реального опыта, играют важную роль в теории. Почему физикам приходится придумывать чисто умозрительные, абстрактные понятия для моделирования реального мира?
Разве нельзя ограничиться исключительно наблюдаемыми величинами? Ведь в конце концов теорию можно проверить только при конкретном наблюдении, и умозрительные особенности модели никогда не входят явно в предсказания теории, относящиеся к реальным наблюдениям. Так стоит ли вообще прибегать к чистому вымыслу?
Включение умозрительных понятий в физические теории — обычная практика, которую труднее всего объяснить неспециалисту. Разумеется, когда какой-нибудь конкретный “вымысел”, например изотопическая симметрия, приносит теории блестящий успех, физик может ответить: “Я воспользовался этой идеей потому, что она работает!”.
Поразительно, каким же образом физик догадывается, какую именно абстракцию в духе кэрролловской “Алисы в Стране Чудес” следует ввести в теорию? Поскольку речь идет о чисто воображаемых понятиях, скептику может показаться, что годится любой вымысел: “Зачем выбирать то, что действительно встречается во внешнем мире, если можно придумать что угодно?”. Диапазон выбора ничем не ограничен. Но как выбрать “то, что нужно”?
Дойдя в беседе с неспециалистом до этого момента, физик обычно начинает прибегать к таким словам, как красота, математическое изящество и симметрия. Хотя включение умозрительных, абстрактных идей, например калибровочной симметрии, логически не обязательно для построения удачной теории (в принципе все теории можно было бы формулировать, целиком основываясь на наблюдаемых величинах), использование абстрактных понятий позволяет иногда значительно упростить теорию, сделав ее более привлекательной.
Взять хотя бы представление о поле, оказавшееся столь результативным для физики и техники. Оно было введено Фарадеем и Максвеллом как некая абстракция. Мы не можем непосредственно ни увидеть электромагнитное поле, ни прикоснуться к нему. О том, что оно существует, мы знаем только по его действию на электрические заряды. Вместе с тем, так как поле порождается только другими электрическими зарядами, в действительности мы имеем дело с взаимодействием электрических зарядов. Но коль скоро наблюдаемы именно заряды, то зачем вообще вводить поле? Почему бы нам не говорить просто о том, каким образом заряды взаимодействуют между собой через пространство, и не сформулировать все уравнения теории электричества, пользуясь только понятием зарядов?
Ничего невозможного здесь действительно нет. Различие состоит лишь в том, что при этом получится громоздкая и сложная теория. Строго говоря, эти качества, по-видимому, невозможно оценить, но физик немедленно распознает их. Теория поля гораздо изящнее. Ее математический аппарат более естествен, гармоничен, взаимосвязан и более экономичен. И дает больше пищи для размышлений.
Последнее обстоятельство очень важно. Изящная, продуманная в деталях, абстрактная теория часто подсказывает новые пути развития физики, которые просто невозможно было бы увидеть, придерживаясь моделей, основанных исключительно на конкретных наблюдаемых величинах. Например, квантовая теория поля, столь важная для суперсилы и ряда последних достижений в области фундаментальных исследований, не смогла бы возникнуть, не получи понятие поля такого широкого распространения в физике.
Когда абстрактное понятие оказывается столь эффективным, что становится достоянием широких кругов неспециалистов, различие между реальным и умозрительным постепенно исчезает. Понятие, возникшее в воображении физика, становится привычным настолько, что как бы обретает реальность. Именно так произошло с энергией. Понятие энергии первоначально выглядело в физике абстрактной идеей. Популярность она обрела благодаря закону сохранения, согласно которому энергия не возникает из ничего и не уничтожается. Но что такое энергия? Разве можно ее видеть или осязать?
Когда груз поднимается над землей, совершается определенная работа. Мы говорим, что при совершении этой работы затрачивается энергия, но закон сохранения энергии утверждает, что энергия не исчезает бесследно, а только переходит в другую форму. Мы видим, как напрягаются мышцы человека, поднимающего тяжесть. Можно считать, что мы действительно наблюдаем энергию в действии, когда видим искаженные от напряжения черты лица и вздувшиеся бицепсы. Но вот вес поднят и спокойно лежит на платформе. Куда же девалась энергия? Можно ли по-прежнему видеть ее?
Физик скажет, что энергия запасена грузом, так как он находится теперь на некоторой высоте. В таком ответе скрыто представление о потенциальной энергии. Энергия в этом случае хотя и невидима, но может легко высвобождаться — стоит выбить опору из-под груза, как он тотчас рухнет вниз. Звук от удара груза о землю унесет часть энергии, высвободившейся при падении груза.
Итак, энергия — умозрительное, абстрактное понятие, но настолько вошедшее в наш обыденный лексикон, что мы приписываем ему реальное существование. “У меня не хватит энергии вскопать сад”, — утверждение такого рода не вызовет недоуменных взглядов. Никто не спросит у вас, какого цвета ваша энергия, не посоветует заполнить ею сосуд, чтобы измерить ее объем. Принято считать, что каждый обладает энергией, точно так же, как у каждого есть кожа и кости. Энергия — одно из наиболее устойчивых абстрактных понятий в физике. Оно необычайно упрощает описание широкого круга физических процессов. Закон сохранения энергии охватывает огромное множество экспериментальных фактов, которые, не будь понятия энергии, пришлось бы рассматривать по отдельности. Понятие энергии позволяет нам связать воедино многие идеи и поэтому не может не быть красивым.
В этом же кроется его привлекательность и полезность. Природа красива. Мы не знаем, почему, но опыт учит нас, что красота влечет за собой полезность. Эффективные теории всегда красивы. Но красивы они не потому, что эффективны, а потому, что наделены внутренней симметрией и экономичны с точки зрения математики. Красота в физике — представление, включающее в себя профессиональную интуицию, и объяснить суть его неспециалисту трудно, так как оно наилучшим образом выражается на языке, не знакомом непосвященному, — на языке математики. Но для того, кто владеет этим языком, красота теории столь же очевидна, как красота поэзии.
Сказанное возвращает меня к тому, с чего я начал. Математика — это язык, язык природы. Не зная языка, вы не можете понять красоту поэзии. Всегда найдутся скептики, которые скажут: “Что это за загадочная математическая красота, о которой вы толкуете? Мы не усматриваем ничего красивого в мешанине символов. Вы, физики, просто занимаетесь самообманом”. Тем, кто так думает, я хотел бы ответить, сравнив математику с музыкой. Невозможно объяснить красоту симфонии тому, кто слышал лишь отдельные музыкальные звуки. Но кто станет отрицать, что в симфонии скрыта подлинная красота, хотя и отвлеченная, не поддающаяся строгому определению? Аналогичным образом обстоит дело и с математической красотой. Как объяснить восхищение, которое вызывают у физика уравнения Максвелла, их неотразимую, исполненную глубокого смысла привлекательность тому, чье знакомство с математикой ограничивается знанием натуральных чисел? И, тем не менее, эстетическое достоинство — качество вполне определенное. Физики, обладающие развитым математическим вкусом, как и их собратья-композиторы, создают более совершенные теории, чем обыватели.
Одна из величайших трагедий нашего общества состоит в том, что в силу страха перед премудростью, плохого преподавания или просто без всяких причин поэзия математики и музыка природы скрыты от большинства людей. Великолепные перспективы, которые открывает математика, недоступны для них. Они могут восхищаться ароматом розы или буйством красок заката, но ощутить всю полноту эстетического переживания им, увы, не дано.
Четыре взаимодействия
Источник всех изменений
Едва начав размышлять над окружающим миром, человек осознал, что этот мир изменчив. Он преисполнен активности — движется Солнце, дует ветер, парят птицы, струятся водные потоки. Еще в древности человек заметил, что происходит смена времен года, стареют люди, изнашиваются орудия труда.
Но какая причина вызывает все эти изменения и движение? Одни объекты, такие, как живые существа, содержат источник движения внутри себя, другим, подобным камням, стрелам, топорам, чтобы прийти в движение, требуется внешнее воздействие. Сначала между движением тела в пространстве и изменениями более общего характера не проводилось четкого различия. Точные понятия скорости и ускорения еще не были сформулированы. Наши далекие предки, безусловно, размышляли о силах, сотворивших мир и вызывающих его изменение, но в их представления это были силы магического свойства, не отделимые от веры в богов и злых духов, правящих миром.
Древнегреческие философы предприняли более систематическое изучение процессов изменения и движения, но так и не смогли до конца разобраться в причинах, порождающих то и другое. Аристотель считал, что ключом к пониманию движения служит понятие сопротивления. Он заметил, что в разреженной среде, например в воздухе, тело движется свободнее и, следовательно, быстрее, чем в плотной среде, скажем в воде; в обоих случаях для преодоления сопротивления среды необходима движущая сила. Аристотель отверг идею атомистов о частицах, свободно движущихся в пустоте, ибо пустота, лишенная субстанции, не могла бы оказывать сопротивление движению. Поэтому частицы в пустоте должны были бы двигаться с бесконечной скоростью, что абсурдно.
Современное (техническое) представление о силе полностью сложилось лишь в XVII в. вслед за признанием законов движения Ньютона. Великим достижением Ньютона стало осознание того, что движение как таковое отнюдь не требует приложения силы. Материальное тело будет двигаться с постоянной скоростью в заданном направлении без какого бы то ни было внешнего воздействия. Только отклонение от равномерного прямолинейного движения требует объяснения, т.е. наличия силы. Ньютон установил, что сила вызывает ускорение и вывел точную математическую формулу, связывающую эти величины.
Теория Ньютона позволила объяснить загадку движения Земли вокруг Солнца. Нет никакой видимой причины, вынуждающей Землю двигаться по орбите. В теории Ньютона такая причина и не требуется. Само движение Земли не требует объяснений, в объяснении нуждается только отклонение от равномерного прямолинейного движения. Траектория Земли в пространстве искривляется относительно направления на Солнце, что легко объяснить солнечным притяжением.
Механика Ньютона быстро получила признание, поскольку успешно описывала связь сил и движения, и в наши дни на ней основываются все технические расчеты. Однако механика Ньютона ничего не говорит о происхождении сил, вызывающих ускорение тел. На первый взгляд кажется, что эти силы многочисленны и разнообразны: напор ветра или набегающего потока воды на препятствие, гидростатическое давление воздуха или воды, непрерывное давление расширяющегося металла, мощный выброс взрывающихся химических веществ, тянущее усилие растянутого резинового жгута, мускульная сила человека, вес тяжелых объектов и т.д. Одни силы действуют непосредственно при контакте с телом (усилие, передаваемое телу натянутой веревкой), другие, например, гравитация, действуют на расстоянии, через пустое пространство.
Однако тщательный анализ показывает, что несмотря на столь большое разнообразие, все происходящее в природе можно свести всего к четырем фундаментальным взаимодействиям. Именно эти взаимодействия в конечном счете отвечают за все в мире, именно они являются источником всех изменений. Каждое из четырех фундаментальных взаимодействий имеет свои отличия и в то же время сходство с тремя остальными. Изучение свойств четырех фундаментальных взаимодействий составляет основную задачу физика и важную предварительную ступень на пути к суперсиле.
Гравитация
Исторически гравитация (тяготение) первым из четырех фундаментальных взаимодействий стала предметом научного исследования. Хотя человек всегда был знаком с гравитацией и основывал на ней сами понятия “вверх” и “вниз”, истинную роль гравитации как силы природы удалось в полной мере осознать только после появления в XVII в. ньютоновской теории гравитации — закона всемирного тяготения. До этого гравитация неразрывно связывалась о Землей и смешивалась с господствовавшим в то или иное время космологическим представлением. Аристотель, считавший, что Земля находится в центре мироздания, усматривал в стремлении тел падать на землю просто пример проявления общего принципа, согласно которому все тела имеют “естественное место” в нашем мире и стремятся занять его. Массивные тела стремятся вниз, тогда как газообразные воспаряют к небесам, т.е. к менее материальной с4)ере. Небесные эфирные элементы обращаются вокруг Земли по строго круговым орбитам, которым соответствует геометрически наиболее совершенное движение.
В средние века, когда закладывались более современные астрономические представления, стало очевидным, что гравитация не ограничена лишь Землей и что гравитационные силы действуют между Солнцем, Луной, планетами и вообще всеми телами в космическом пространстве. Одним из наиболее убедительных подтверждений универсального характера гравитации явилось объяснение Ньютоном океанских приливов действием гравитационного притяжения Луны. Ньютоновский закон обратных квадратов стал воплощением “дальнодействующей” природы гравитации. Это означает, что, хотя интенсивность гравитационного взаимодействия убывает с расстоянием, оно распространяется в пространстве и может сказываться на весьма удаленных от источника телах. В этом нам “повезло”, поскольку гравитация буквально не позволяет Вселенной развалиться на части: она удерживает планеты на орбитах, “связывает” звезды в галактики, препятствуя разбеганию звезд в космическом пространстве. В астрономическом масштабе гравитационное взаимодействие, как правило, играет главную роль.
Важная особенность гравитации — ее универсальность. Ничто во Вселенной не избавлено от нее. Каждая частица испытывает на себе действие гравитации, или, как говорят физики, участвует в гравитационном взаимодействии. Гравитация влияет даже на энергию. К тому же каждая частица сама является источником гравитации. Более того, сила гравитационного взаимодействия одинакова у всех частиц — именно это обстоятельство неявно выражено в знаменитом наблюдении (приписываемом Галилею), что все тела независимо от их веса или состава падают одинаково.
Сила гравитации, действующая между частицами, всегда представляет собой силу притяжения: она стремится сблизить частицы. Гравитационное отталкивание, или “антигравитация”, никогда еще не наблюдалось. Причина этого вполне понятна. Гравитационному отталкиванию должна соответствовать отрицательная энергия. Но поскольку энергия, запасенная в любой частице, всегда положительна и наделяет ее положительной массой, частицы под действием гравитации всегда стремятся сблизиться. Отрицательная энергия в этом смысле есть нечто непонятное. Но хотя частицы не могут обладать отрицательной энергией, энергия поля может быть отрицательной; это приводит к глубоким последствиям, которые мы рассмотрим в дальнейшем.
Возможно, наиболее удивительной особенностью гравитации является ее малая интенсивность. Если бы размеры атома водорода определялись гравитацией, а не взаимодействием между электрическими зарядами, то низшая (самая близкая к ядру) орбита электрона по размерам превосходила бы доступную наблюдению часть Вселенной! В мире субатомных частиц гравитация настолько слаба, что физики склонны полностью пренебрегать ею. Она не проявлялась ни в одном из наблюдавшихся до сих пор процессов с участием частиц.
Гравитационное взаимодействие макроскопических объектов также остается для нас незаметным. Когда мы идет по улице, огромные здания притягивают нас слабыми гравитационными “щупальцами”, но это притяжение слишком слабо, чтобы его ощутить. Однако высокочувствительные устройства в состоянии уловить гравитационные эффекты. Еще в 1774г. шотландец Невил Маскелин обнаружил незначительное отклонение отвеса от вертикали, вызванное гравитационным притяжением расположенной поблизости горы. В 1797г. Генри Кавендиш поставил знаменитый эксперимент, тщательно измерив едва уловимую силу притяжения между двумя шариками, прикрепленными на концах горизонтально подвешенного деревянного стержня, и двумя большими свинцовыми шарами. Это было первое лабораторное наблюдение гравитационного притяжения между двумя телами.
Может показаться удивительным, что мы вообще ощущаем гравитацию, коль скоро она так слаба. Как она может оказаться основной силой во Вселенной? Ответ кроется в универсальности гравитации. Поскольку каждая частица вещества вызывает гравитационное притяжение, гравитация возрастает по мере образования все больших скоплений вещества. Мы ощущаем гравитацию в повседневной жизни потому, что все атомы Земли сообща притягивают нас. Действие гравитационного притяжения одного электрона или протона пренебрежимо мало, но результирующая сила притяжения со стороны всех электронов или протонов может быть значительной. Если бы антигравитирующих частиц было столько же, сколько гравитирующих, то одни частицы нейтрализовали бы другие и сила гравитации, хотя и существовала бы, не была бы заметной, поскольку оказалась бы слишком слабой.
Гравитацию следует рассматривать как поле. Каждая частица является источником гравитационного поля, окружающего ее невидимым ореолом. Другая частица, находящаяся в этом гравитационном поле, испытывает на себе действие силы. Поле—это не просто способ описания гравитации. Как уже упоминалось в гл. 2, в поле могут существовать волнообразные возмущения. Подобно тому как Максвелл обнаружил, что в электромагнитном поле могут возникать волны, распространяющиеся в пространстве, Эйнштейн установил, что волны могут зарождаться и в гравитационном поле.
Ньютоновская теория гравитации, остававшаяся незыблемой на протяжении более 200 лет, была повержена новой физикой, возникшей в первые десятилетия XX в. Долгое время не удавалось объяснить расхождение между предсказаниями теории Ньютона и результатами наблюдений орбиты планеты Меркурий, которая имеет не вполне эллиптическую форму. Небольшое вращение — прецессия — орбиты обусловлено гравитационным возмущением, вызванным воздействием других планет, но и после учета этих возмущений сохранялось небольшое расхождение — всего 43 угловые секунды в столетие, — которое не могла объяснить теория Ньютона.
Более серьезные затруднения возникли, когда теория Ньютона столкнулась с теорией относительности. Согласно Ньютону, гравитационное взаимодействие между двумя телами передается через пространство мгновенно, так что, если бы Солнце вдруг исчезло, траектория Земли тотчас же перестала бы искривляться, хотя мы продолжали бы видеть Солнце еще в течение 8 мин после его исчезновения — за это время солнечный свет достигает Земли. Согласно теории относительности Эйнштейна невозможно распространение физического сигнала со скоростью выше скорости света, и таким образом она вступает в противоречие с теорией гравитации Ньютона.
Пытаясь расширять свою теорию так, чтобы включить в нее гравитацию, Эйнштейн создал (1915) общую теорию относительности, которая не только вытеснила закон всемирного тяготения Ньютона, но и в корне изменила сами “идейные” основы нашего понимания гравитации. В теории Эйнштейна гравитация — это не сила, а проявление искривления пространства-времени. Тела вынуждены следовать по искривленным траекториям вовсе не потому, что на них действует гравитация, — просто они движутся кратчайшим, самым “быстрым”, путем в искривленном пространстве-времени. По Эйнштейну гравитация обусловлена просто геометрией.
Теория Ньютона вполне применима во всех практических приложениях, в частности в авиации и космонавтике, она вполне адекватно описывает и большинство астрономических систем.
Однако она непригодна в тех случаях, когда гравитационные поля достигают большой силы, как вблизи коллапсирующих объектов типа нейтронных звезд или черных дыр. Влияние искривления пространства-времени можно обнаружить даже в умеренных гравитационных полях. Например, прецессия орбиты Меркурия обусловлена искривлением пространства, вызванного гравитационным воздействием Солнца. Кроме того, как упоминалось в гл. 2, очень чувствительные часы могут обнаружить замедление времени на поверхности Земли.
Электромагнетизм
Хотя гравитация первой получила надлежащее научное объяснение, электромагнетизм в равной мере известен людям с незапамятных времен. Электрические силы зримо проявляются при вспышках молний, мы можем видеть, как они “работают” при коронном разряде и других атмосферных явлениях, сопровождающихся свечением. Магнитными силами обусловлена сложная игра света и красок в полярных сияниях.
Считается, что существование электричества впервые установил древнегреческий философ Фалес Милетский. Он заметил, что, если кусок янтаря потереть о шелк или мех, янтарь обретает способность притягивать мелкие предметы. Янтарь по-гречески называется электрон. В средние века открытое Фалесом странное явление тщательно изучал придворный медик английской королевы Елизаветы I Уильям Гильберт, который обнаружил, что способность электризоваться присуща и многим другим веществам. Дальнейшие исследования, проведенные в Англии и других странах Европы, показали, что некоторые вещества ведут себя как изоляторы. Французский ученый Шарль Дюфе установил, что существуют две разновидности электрических зарядов; теперь мы называем их положительными и отрицательными.
В XVIII—XIX вв. природа электричества частично прояснилась после экспериментов Бенджамина Франклина и Майкла Фарадея. Выяснилось, что электрические заряды одного знака отталкиваются, а заряды противоположных знаков притягиваются, и в том и другом случае электрические силы ослабевают с расстоянием в соответствии с законом “обратных квадратов”, который Ньютон вывел ранее для гравитации. Но по величине электрические силы намного превосходят гравитационные. В отличие от слабого гравитационного взаимодействия, наличие которого Кавендишу удалось продемонстрировать только с помощью специального прибора, электрические силы, действующие между телами обычных размеров, можно легко наблюдать.
Работы Фарадея навели на мысль, что электричество скрыто в атоме, но существование электрона было твердо установлено только после того, как Дж. Дж. Томсон открыл “катодные лучи” в 90-е годы прошлого столетия. Ныне известно, что электрический заряд любой частицы вещества всегда кратен фундаментальной единице заряда — своего рода “атому” заряда. Почему это так — чрезвычайно интересный вопрос. Однако не все материальные частицы являются носителями электрического заряда. Например, фотон и нейтрино электрически нейтральны. В этом отношении электричество отличается от гравитации. Все материальные частицы создают гравитационное поле, тогда как с электромагнитным полем связаны только заряженные частицы.
Как и электричество, магнетизм в природе обнаружили древние греки. Примерно к 600г. до н.э. им были известны свойства магнитного железняка (оксида железа); как обнаружилось, его куски могут действовать друг на друга на расстоянии. Примерно через 500 лет китайцы открыли поразительную способность магнитного железняка определенным образом ориентироваться в пространстве и создали первый примитивный компас. Правда, по' началу его использование ограничивалось мистическими действами, и лишь через несколько столетий компас стал навигационным прибором.
К концу XVI в. европейские ученые начали постигать истинную природу магнетизма. Гильберт доказал, что Земля ведет себя как большой магнит, свойства которого весьма напоминают свойства построенной им модели — шара из магнитного железняка. Было установлено, что существуют две разновидности магнетизма, которые в соответствии с магнетизмом Земли получили название северного и южного полюсов. Как и электрические заряды, одноименные магнитные полюса отталкиваются, а разноименные — притягиваются. Однако в отличие от электрических зарядов магнитные полюса встречаются не по отдельности, а только парами — северный полюс и южный полюс. В обычном магните, имеющем форму стержня (прямоугольного параллелепипеда), один конец действует как северный полюс, а другой — как южный. Если стержень разрезать пополам, то на месте разреза возникнут новые полюса, т.е. получатся два новых магнита, каждый из которых имеет и северный, и южный полюса. Все попытки получить таким способом изолированный магнитный полюс — монополь — заканчивались неудачей. Может быть, существование в природе изолированных магнитных полюсов исключено? Если это так, то почему? Как мы увидим в дальнейшем, исследование суперсилы дает ответы на эти интереснейшие вопросы.
Как электрическое и гравитационное взаимодействия, взаимодействие магнитных полюсов подчиняется закону обратных квадратов. Следовательно, электрическая и магнитная силы “дальне-действующие”, и их действие ощутимо на больших расстояниях от источника. Например, магнитное поле Земли простирается далеко в космическое пространство. Солнце также порождает магнитное поле, которое заполняет всю Солнечную систему. Существует даже галактическое магнитное поле.
В начале XIX в. выяснилось, что между электричеством и магнетизмом существует глубокая связь. Датский физик Ханс Кристиан Эрстед открыл, что электрический ток создает вокруг себя магнитное поле, тогда как Майкл Фарадей показал, что переменное магнитное поле индуцирует в проводнике электрический ток. Эти открытия легли в основу динамомашины и электрогенератора, играющих ныне столь важную роль в технике.
Как уже упоминалось в гл. 4, решающий шаг в познании электромагнетизма сделал в 50-х годах XIXв. Максвелл, объединивший электричество и магнетизм в единой теории электромагнетизма — первой единой теории поля. С соответствующими уточнениями для учета квантовых эффектов теория Максвелла с успехом продержалась вплоть до 1967г., когда в объединении взаимодействий был сделан следующий крупный шаг.
Слабое взаимодействие
Человечество познакомилось со слабым взаимодействием, так и не осознав этого события, еще в 1054 г., когда китайские астрономы отметили появление яркой голубой звезды в той области неба, где раньше не наблюдалось ничего. Соперничая в блеске даже с планетами, звезда ярко светила на протяжении нескольких недель, а затем стала медленно угасать. Современные астрономы считают вспышку 1054 г. взрывом сверхновой — гигантским по силе взрывом старой звезды, вызванным внезапным коллапсом ее ядра, который сопровождается кратковременным испусканием огромного количества нейтрино. Обладающие только слабым взаимодействием, эти нейтрино тем не менее разметали наружные слои звезды в космическом пространстве, образовав клочья облаков расширяющегося газа. Ныне сверхновая 1054 г. наблюдается в виде туманного светлого пятнышка в созвездии Тельца.
Сверхновые — один из немногих случаев зримого проявления слабого взаимодействия. Это взаимодействие действительно очень слабое, оно значительно уступает по величине всем взаимодействиям, кроме гравитационного, и в системах, где оно присутствует, его эффекты оказываются в тени электромагнитного и сильного взаимодействий.
К мысли о существовании слабого взаимодействия ученые продвигались медленно. Все началось в 1896 г., когда Анри Беккерель, исследуя загадочное почернение фотографической пластинки, оставшейся в ящике письменного стола радом с кристаллами сульфата урана, случайно открыл радиоактивность. Систематическое исследование радиоактивного излучения было предпринято Эрнестом Резерфордом; он установил, что радиоактивные атомы испускают частицы двух различных типов, которые назвал альфа и бета. Тяжелые положительно заряженные альфа-частицы, как выяснилось, представляли собой быстро движущиеся ядра гелия. Бета-частицы оказались летящими с большой скоростью электронами.
В деталях явление бета-радиоактивности оставалось не до конца понятным вплоть до 30-х годов. Бета-распад обладал в высшей степени странной особенностью. На первый взгляд казалось, что в этом распаде нарушается один из фундаментальных законов физики — закон сохранения энергии. Часть энергии куда-то исчезала. Вольфганг Паули “спас” закон сохранения энергии, предположив, что вместе с электроном при бета-распаде вылетает еще одна частица, нейтральная и обладающая необычайно высокой проникающей способностью, вследствие чего ее не удавалось наблюдать. Она-то и уносит с собой недостающую энергию. Энрико Ферми назвал частицу-невидимку “нейтрино”, что означает “маленькая нейтральная частица”. Нейтрино оказались настолько неуловимыми, что достоверно обнаружить их удалось лишь в 50-х годах.
Однако загадочность оставалась. Электроны и нейтрино испускались нестабильными ядрами. Но физики располагали неопровержимыми доказательствами, что внутри ядер таких частиц нет. Откуда же они возникали? Ферми высказал предположение, что электроны и нейтрино до своего вылета не существуют в ядре в “готовом виде”, а каким-то образом мгновенно образуются из энергии, запасенной радиоактивным ядром. К тому времени было показано, что с точки зрения квантовой теории испускание и поглощение света можно интерпретировать как рождение и уничтожение фотонов; гипотеза Ферми означала, что подобное может происходить с электронами и нейтрино.
Свойства свободных нейтронов подтверждали гипотезу Ферми. Предоставленные самим себе, нейтроны через несколько минут распадаются на протон, электрон и нейтрино. Одна частица исчезает, а три новые появляются. Вскоре стало ясно, что известные силы не могут привести к такому распаду. Бета-распад, видимо, вызывался какой-то иной силой. Измерения скорости бета-распадов показали, что соответствующее этой силе взаимодействие чрезвычайно слабое, гораздо слабее электромагнитного (хотя и гораздо сильнее гравитационного).
С открытием нестабильных субъядерных частиц физики обнаружили, что слабое взаимодействие вызывает множество других превращений. Большинство известных частиц участвуют в слабом взаимодействии. Для неуловимого нейтрино слабое взаимодействие (не считая гравитации)—единственный способ проявить себя.
По своему характеру слабое взаимодействие совершенно не похоже как на гравитационное, так и на электромагнитное. Во-первых, если не считать таких явлении, как взрывы сверхновых, оно не создает тянущих или толкающих усилий в том смысле, как это принято понимать в механике. Слабое взаимодействие вызывает превращения одних частиц в другие, часто приводя продукты реакции в движение с высокими скоростями. Во-вторых, слабое взаимодействие ощутимо только в областях пространства чрезвычайно малой протяженности. Радиус действия слабых сил удалось точно измерить только в начале 80-х годов. Долгое время до этого считалось, что слабое взаимодействие по существу точечное и охватывает слишком малую область пространства, чтобы ее размеры можно было оценить. В отличие от “дальнодействующих” гравитации и электромагнетизма слабое взаимодействие прекращается на расстоянии, большем 10-16 см от источника. Следовательно, оно не может влиять на макроскопические объекты, а ограничивается отдельными субатомными частицами.
Хотя разработанная Ферми и другими физиками в 30-е годы теория слабого взаимодействия непрерывно совершенствовалась, некоторые глубокие противоречия в ней все же не удалось устранить, и стало очевидно, что она не обеспечивает подлинного понимания слабого взаимодействия. Новая теория, заимствовавшая основные идеи Ферми, но дополненная рядом принципиально новых соображений, была создана в конце 60-х годов Стивеном Вайнбергом, работавшим тогда в Гарвардском университете (США), и Абдусом Саламом из “Империал колледжа” (Лондон). Создание новой теории слабого взаимодействия явилось самым крупным шагом (с момента создания Максвеллом теории электромагнитного поля) на пути к суперсиле; о ней мы подробно расскажем в гл. 8.
Сильное взаимодействие
Представление о существовании сильного взаимодействия постепенно складывалось по мере того, как прояснялась структура атомного ядра. Что-то должно было удерживать протоны в ядре, не позволяя им разлетаться под действием электростатического отталкивания. Гравитация для этого слишком слаба; очевидно, необходимо какое-то новое взаимодействие, более сильное, чем электромагнитное. Но за пределами ядра сильное ядерное притяжение не ощущается, поэтому радиус действия новой силы должен быть очень мал. Действительно, сильное взаимодействие резко падает на расстоянии от протона или нейтрона, превышающем примерно 10-13 см. Следовательно, хотя по своей величине сильное взаимодействие существенно превосходит все остальные фундаментальные взаимодействия, оно не может непосредственно проявляться в макроскопических телах.
Сильное взаимодействие испытывают протоны и нейтроны, но не электроны. Нейтрино и фотоны также не подвластны ему. Вообще в сильном взаимодействии участвуют только более тяжелые частицы. Оно проявляется и как обычное притяжение, не позволяющее разваливаться ядру, но вместе с тем и как слабая сила, вызывая распад некоторых нестабильных частиц. Вследствие своей большой величины сильное взаимодействие является источником огромной энергии. По-видимому, наиболее важный пример энергии, высвобождаемой сильным взаимодействием, — это свечение Солнца. В недрах Солнца и звезд непрерывно протекают термоядерные реакции, вызываемые сильным взаимодействием. Именно в результате этого взаимодействия высвобождается энергия водородной бомбы.
Первые попытки объяснить природу сильного взаимодействия не принесли особого успеха. Ни одно из простых математических описаний процесса не было вполне удовлетворительным. Сильное взаимодействие, по-видимому, довольно сложным образом зависит от расстояния, и тем, кто старался моделировать его свойства, приходилось вводить в расчеты много произвольных параметров. Создавалось впечатление, что сильное взаимодействие представляет собой сплав взаимодействий с самыми различными свойствами.
А пока физики-ядерщики пытались преодолеть эти трудности, в начале 60-х годов была предложена кварковая модель. В этой теории нейтроны и протоны рассматриваются не как элементарные частицы, а как составные системы, построенные из трех кварков. Чтобы это “трио” кварков не распадалось, необходима удерживающая их сила, некий “клей”; оказалось, что результирующее взаимодействие между нейтронами и протонами представляет собой просто остаточный эффект более мощного взаимодействия между кварками. Это объяснило, почему сильное взаимодействие кажется столь сложным. Когда протон “прилипает” к нейтрону или другому протону, во взаимодействии участвуют шесть кварков, каждый из которых взаимодействует со всеми остальными. Значительная часть сил тратится на прочное склеивание трио кварков, а небольшая — на скрепление двух трио кварков друг с другом.
Как только природу сильного взаимодействия удалось объяснить на основе взаимодействия кварков, стало легче моделировать его математически. В дальнейшем мы увидим, как подобное описание выявило аналогии между сильным и другими взаимодействиями, указав тем самым на существование объединяющей все взаимодействия суперсилы.
Мир субатомных частиц
Расщепление атома
Часто говорят, что существуют два вида наук — большие науки и малые. Расщепление атома — большая наука. Она располагает гигантскими экспериментальными установками, колоссальными бюджетами и получает львиную долю Нобелевских премий.
Зачем физикам понадобилось расщеплять атом? Простой ответ — чтобы понять, как устроен атом, — содержит лишь долю истины, но есть и более общая причина. Говорить буквально о расщеплении атома не вполне правильно. В действительности речь идет о столкновении частиц высокой энергии. При столкновении субатомных частиц, движущихся с большими скоростями, происходит рождение нового мира взаимодействий и полей. Несущие огромную анергию осколки материи, разлетающиеся после столкновений, таят в себе секреты природы, которые от “сотворения мира” оставались погребенными в недрах атома.
Установки, на которых осуществляется столкновение частиц высоких энергий, — ускорители частиц — поражают своими размерами и стоимостью. Они достигают нескольких километров в поперечнике, и по сравнению с ними даже лаборатории, в которых изучаются столкновения частиц, кажутся крошечными. В других областях научных исследований оборудование размещается в лаборатории, в физике высоких энергий лаборатории пристраиваются к ускорителю. Недавно Европейский центр ядерных исследований (ЦЕРН), расположенный недалеко от Женевы, выделил несколько сотен миллионов долларов на строительство кольцевого ускорителя. Длина окружности сооружаемого для этой цели туннеля достигает 27 км. Ускоритель, получивший название ЛЭП (LEP, Large Electron-Positron ring—большое электрон- позитронное кольцо), предназначен для ускорения электронов и их античастиц (позитронов) до скоростей, всего лишь “на волосок” отличающихся от скорости света. Чтобы иметь представление о масштабах энергии, вообразим, что вместо электронов до таких скоростей разгоняется монетка достоинством в один пенни. В конце цикла ускорения она обладала бы энергией, достаточной для производства электроэнергии на сумму 1000 млн. долл.! Неудивительно, что подобные эксперименты принято относить к физике “высоких энергий”. Двигаясь внутри кольца навстречу друг другу, пучки электронов и позитронов испытывают лобовые столкновения, при которых электроны и позитроны аннигилируют, высвобождая энергию, достаточную для рождения десятков других частиц.
Что это за частицы? Некоторые из них — те самые “кирпичики”, из которых построены мы с вами: протоны и нейтроны, составляющие атомные ядра, и обращающиеся вокруг ядер электроны. Другие частицы обычно в окружающем нас веществе не встречаются: их век чрезвычайно короток, и по истечении его они распадаются на обычные частицы. Число разновидностей таких нестабильных короткоживущих частиц поразительно: их известно уже несколько сотен. Подобно звездам, нестабильные частицы слишком многочисленны, чтобы их различать “по именам”. Многие из них обозначены только греческими буквами, а некоторые — просто числами.
Важно иметь в виду, что все эти многочисленные и разнообразные нестабильные частицы отнюдь не являются в прямом смысле составными частями протонов, нейтронов или электронов. Сталкиваясь, электроны и позитроны высоких энергий вовсе не разлетаются на множество субатомных осколков. Даже при столкновениях протонов высоких энергий, заведомо состоящих из других объектов (кварков), они, как правило, не расщепляются на составные части в обычном смысле. То, что происходит при таких столкновениях, лучше рассматривать как непосредственное рождение новых частиц из энергии столкновения.
Лет двадцать назад физики были совершенно сбиты с толку многочисленностью и разнообразием новых субатомных частиц, которым, казалось, не будет конца. Невозможно было понять, для чего столько частиц. Может быть, элементарные частицы подобны обитателям зоопарка с их неявно выраженной принадлежностью к семействам, но без какой-либо четкой систематики. Или, возможно, как полагали некоторые оптимисты, элементарные частицы таят в себе ключ к Вселенной? Что такое наблюдаемые физиками частицы: малозначительные и случайные осколки материи или возникающие на наших глазах очертания смутно ощущаемого порядка, указывающего на существование богатой и сложной структуры субъядерного мира? Ныне в существовании такой структуры нет никаких сомнений. Микромиру присущ глубокий и рациональный порядок, и мы начинаем понимать, каково значение всех этих частиц.
Первый шаг к пониманию микромира был сделан в результате систематизации всех известных частиц, подобно тому как в XVIII в. биологи составляли подробнейшие каталоги видов растений и животных. К числу наиболее важных характеристик субатомных частиц относятся масса, электрический заряд и спин.
Поскольку масса и вес связаны между собой, частицы с большой массой часто называют “тяжелыми”. Соотношение Эйнштейна Е =mc^ 2 указывает, что масса частицы зависит от ее энергии и, следовательно, от скорости. Движущаяся частица тяжелее покоящейся. Когда говорят о массе частицы, имеют в виду ее массу покоя, поскольку эта масса не зависит от состояния движения. Частица, имеющая нулевую массу покоя, движется со скоростью света. Наиболее очевидный пример частицы с нулевой массой покоя — фотон. Считается, что электрон — самая легкая из частиц с ненулевой массой покоя. Протон и нейтрон почти в 2000 раз тяжелее, тогда как масса самой тяжелой частицы, которую удалось создать в лаборатории (Z-частицы), примерно в 200 000 раз больше массы электрона.
Электрический заряд частиц меняется в довольно узком диапазоне, но, как мы отмечали, всегда кратен фундаментальной единице заряда. Некоторые частицы, например фотон и нейтрино, не имеют электрического заряда. Если заряд положительно заряженного протона принять за +1, то заряд электрона равен -1.
В гл. 2 мы ввели еще одну характеристику частиц — спин. Он также всегда принимает значения, кратные некоторой фундаментальной единице, которая по историческим причинам выбрана равной 1/2. Так, протон, нейтрон и электрон имеют спин 1/2, а спин фотона равен 1. Известны также частицы со спином 0, 3/2 и 2. Фундаментальных частиц со спином больше 2 не обнаружено, и теоретики полагают, что частиц с такими спинами не существует.
Спин частицы — важная характеристика, и в зависимости от его величины все частицы разделяются на два класса. Частицы со спинами 0, 1 и 2 называются “бозонами” — в честь индийского физика Чатьендраната Бозе, а частицы с полуцелым спином (т.е. со спином 1/2 или 3/2 — “фермионами” в честь Энрико Ферми. Принадлежность к одному из этих двух классов является, вероятно, наиболее важной в перечне характеристик частицы.
Другая важная характеристика частицы — ее время жизни. До недавнего времени считалось, что электроны, протоны, фотоны и нейтрино абсолютно стабильны, т.е. имеют бесконечно большое время жизни. Нейтрон остается стабильным, пока он “заперт" в ядре, но свободный нейтрон распадается примерно за 15 мин. Все остальные известные частицы в высшей степени нестабильны, их времена жизни колеблются в пределах от нескольких микросекунд до 10-23 с. Такие интервалы времени кажутся непостижимо малыми, однако не следует забывать, что частица, летящая со скоростью, близкой к скорости света (а большинство частиц, рождающихся на ускорителях, движутся именно с такими скоростями), успевает пролететь за микросекунду расстояние в 300 м.
Нестабильные частицы претерпевают распад, представляющий собой квантовый процесс, и поэтому в распаде всегда есть элемент непредсказуемости. Продолжительность жизни конкретной частицы невозможно предсказать заранее. На основе статистических соображений можно предсказать лишь среднее время жизни. Обычно говорят о периоде полураспада частицы — времени, за которое популяция тождественных частиц сокращается наполовину. Эксперимент показывает, что уменьшение численности популяции происходит по экспоненте (см. рис. 6) и период полураспада составляет 0,693 от среднего времени жизни.
Физикам недостаточно знать, что та или иная частица существует — они стремятся понять, какова ее роль. Ответ на этот вопрос зависит от перечисленных выше свойств частиц, а также от характера сил, действующих на частицу извне и внутри ее. В первую очередь свойства частицы определяются ее способностью (или неспособностью) участвовать в сильном взаимодействии. Частицы, участвующие в сильном взаимодействии, образуют особый класс и называются андронами. Частицы, участвующие в слабом взаимодействии и не участвующие в сильном, называются лептонами, что означает “легкие”. Познакомимся кратко с каждым из этих семейств.
Лептоны
Наиболее известен из лептонов электрон. Подобно всем лептонам, он, по-видимому, является элементарным, точечным объектом. Насколько известно, электрон не имеет внутренней структуры, т.е. не состоит из каких-то других частиц. Хотя лептоны могут иметь электрический заряд, а могут и не иметь, спин у всех у них равен 1/2, следовательно, они относятся к фермионам.
Другой хорошо известный лептон, но уже без заряда, — это нейтрино. Как уже говорилось в гл. 2, нейтрино неуловимы, словно призраки. Так как нейтрино не участвуют ни в сильном, ни в электромагнитном взаимодействиях, они почти полностью игнорируют вещество, проникая через него, как будто его вообще нет. Высокая проникающая способность нейтрино долгое время весьма затрудняла экспериментальное подтверждение их существования. Лишь почти через три десятилетия после предсказания нейтрино они были, наконец, обнаружены в лаборатории. Физикам пришлось ждать создания ядерных реакторов, при работе которых испускается огромное количество нейтрино, и только тогда удалось зарегистрировать лобовое столкновение одной частицы с ядром и тем самым доказать, что она действительно существует. Сегодня удаётся осуществить значительно больше экспериментов с пучками нейтрино, которые возникают при распаде частиц на ускорителе и обладают нужными характеристиками. Подавляющее большинство нейтрино “игнорирует” мишень, но время от времени нейтрино все же взаимодействуют с мишенью, что позволяет получить полезную информацию о структуре других частиц и природе слабого взаимодействия. Разумеется, проведение экспериментов с нейтрино в отличие от экспериментов с другими субатомными частицами не требует использования специальной защиты. Проникающая способность нейтрино столь велика, что они полностью безвредны и проходят сквозь человеческое тело, не причиняя ему ни малейшего вреда.
Несмотря на их неосязаемость, нейтрино занимают особое положение среди других известных частиц, поскольку являются наиболее распространенными частицами по Вселенной, превосходя по численности электроны и протоны в миллиард раз. Вселенная по существу представляет собой море нейтрино, в котором изредка встречаются вкрапления в виде атомов. Вполне возможно даже, что общая масса нейтрино превышает суммарную массу звезд, и поэтому именно нейтрино вносят основной вклад в космическую гравитацию. Согласно данным группы советских исследователей, нейтрино обладает крохотной, но не нулевой массой покоя (менее одной десятитысячной массы электрона); если это действительно так, то гравитационное нейтрино преобладают во Вселенной, что в будущем может вызвать ее коллапс. Так, нейтрино, на первый взгляд наиболее “безобидные” и бестелесные частицы, способны вызвать крушение всей Вселенной.
Среди прочих лептонов следует назвать мюон, открытый в 1936 г. в продуктах взаимодействия космических лучей; он оказался одной из первых известных нестабильных субатомных частиц. Во всех отношениях, кроме стабильности, мюон напоминает электрон: имеет тот же заряд и спин, участвует в тех же взаимодействиях, но имеет большую массу. Примерно за две миллионные доли секунды мюон распадается на электрон и два нейтрино. Мюоны широко распространены в природе, на их долю приходится значительная часть фонового космического излучения, которое регистрируется на поверхности Земли счетчиком Гейгера.
Долгие годы электрон и мюон оставались единственными известными заряженными лептонами. Затем в конце 70-х годов был обнаружен третий заряженный лептон, получивший название “тау-лептон”. При массе около 3500 масс электрона тау-лептон заведомо является “тяжеловесом” в трио заряженных лептонов, но во всем остальном он ведет себя подобно электрону и мюону.
Этим список известных лептонов отнюдь не исчерпывается. В 60-х годах было установлено, что существует несколько типов нейтрино. Нейтрино одного типа рождается вместе с электроном при распаде нейтрона, а нейтрино другого типа — при рождении мюона. Нейтрино каждого типа существует в паре со своим собственным заряженным лептоном; следовательно, есть “электронное нейтрино” и “мюонное нейтрино”. По всей вероятности, должно существовать и нейтрино третьего типа — сопровождающее рождение тау-лептона. В таком случае общее число разновидностей нейтрино равно трем, а общее число лептонов — шести (табл. 1). Разумеется, у каждого лептона есть своя античастица; таким образом, общее число различных лептонов равно двенадцати.
Таблица 1
Шесть лептонов соответствуют заряженным и нейтральным модификациям (античастицы в таблицу не включены). Масса и заряд выражены в единицах соответственно массы и заряда электрона. Имеются данные, свидетельствующие о том, что нейтрино могут обладать небольшой массой
Адроны
В отличие от горстки известных лептонов адронов существует буквально сотни. Одно лишь это наводит на мысль, что адроны — не элементарные частицы, а построены из более мелких составляющих. Все адроны участвуют в сильном, слабом и гравитационном взаимодействиях, но встречаются в двух разновидностях — электрически заряженные и нейтральные. Среди адронов наиболее известны и широко распространены нейтрон и протон. Остальные адроны короткоживущие и распадаются либо менее чем за одну миллионную секунды за счет слабого взаимодействия, либо гораздо быстрее (за время порядка 10-23 с) — за счет сильного взаимодействия.
В 50-х годах физиков крайне озадачили численность и разнообразие адронов. Но мало-помалу частицы удалось классифицировать по трем важным характеристикам: массе, заряду и спину. Постепенно стали появляться признаки порядка и выстраиваться четкая картина. Появились намеки на то, что за кажущимся хаосом данных скрываются симметрии. Решающий шаг в раскрытии тайны адронов был сделан в 1963 г., когда Марри Гелл- Манн и Джордж Цвейг из Калифорнийского технологического института предложили теорию кварков.
Рис. 10 Адроны построены из кварков. Протон (вверху) состоит из двух u-кварков и одного d-кварка. Более легкий пион (внизу) — это мезон, состоящий из одного u-кварка и одного d-антикварка. Другие адроны представляют собой всевозможные комбинации кварков.
Основная идея этой теории очень проста. Все адроны построены из более мелких частиц, называемых кварками. Кварки могут соединяться друг с другом одним из двух возможных способов: либо тройками, либо парами кварк—антикварк. Из трех кварков состоят сравнительно тяжелые частицы — барионы, что означает “тяжелые частицы”. Наиболее известны из барионов нейтрон и протон. Более легкие пары кварк—антикварк образуют частицы, получившие название мезоны — “промежуточные частицы”. Выбор такого наименования объясняется тем, что первые обнаруженные мезоны занимали по массе промежуточное положение между электронами и протонами. Чтобы учесть все известные тогда адроны, Гелл-Манн и Цвейг ввели три различных типа (“аромата”) кварков, получивших довольно причудливые названия: и (от up — верхний), d (от down — нижний) и s (от strange — странный). Допуская возможность различных комбинаций ароматов, можно объяснить существование большого числа адронов. Например, протон состоит из двух и- и одного d-кварков (рис, 10), а нейтрон — из двух d-кварков и одного u-кварка.
Чтобы предложенная Гелл-Манном и Цвейгом теория оказалась действенной, необходимо предположить, что кварки несут дробный электрический заряд. Иначе говоря, они обладают зарядом, величина которого составляет либо 1/3, либо 2/3 фундаментальной единицы — заряда электрона. Комбинация из двух и трех кварков может иметь суммарный заряд, равный нулю или единице. Все кварки имеют спин 1/2. поэтому они относятся к фермионам. Массы кварков не установлены столь точно, как массы других частиц, поскольку энергия связи их в адроне сравнима с массами самих кварков. Однако известно, что s-кварк тяжелее и- и d-кварков.
Внутри адронов кварки могут находиться в возбужденных состояниях, во многом сходных с возбужденными состояниями атома, но со значительно большими энергиями. Избыток энергии, заключенный в возбужденном адроне, настолько увеличивает его массу, что до создания теории кварков физики ошибочно принимали возбужденные адроны за совершенно иные частицы. Ныне установлено, что многие из казавшихся различными адронов в действительности представляют собой лишь возбужденные состояния одного и того же фундаментального набора кварков.
Как уже говорилось в гл. 5, кварки скрепляются между собой сильным взаимодействием. Но они участвуют и в слабом взаимодействии. Слабое взаимодействие может изменять аромат кварка. Именно так происходит распад нейтрона. Один из d-кварков в нейтроне превращается в u-кварк, а избыток заряда уносит рождающийся одновременно электрон. Аналогичным образом, изменяя аромат, слабое взаимодействие приводит к распаду и других адронов.
Существование s-кварков необходимо для построения так называемых “странных” частиц — тяжелых адронов, открытых в начале 50-х годов. Необычное поведение этих частиц, подсказавшее их название, состояло в том, что они не могли распадаться за счет сильного взаимодействия, хотя как сами, так и продукты их распада представляли собой адроны. Физики ломали голову над тем, почему, если и материнские, и дочерние частицы принадлежат к семейству адронов, сильное взаимодействие не вызывает их распада. По какой-то причине эти адроны “предпочитали” гораздо менее интенсивное слабое взаимодействие. Почему? Теория кварков естественным образом решила эту загадку. Сильное взаимодействие не может изменять аромат кварков — на это способно только слабое взаимодействие. А без изменения аромата, сопровождающегося превращением s-кварка в и- или d-кварк, распад невозможен.
В табл. 2 представлены различные возможные комбинации кварков с тремя ароматами и указаны их названия (обычно просто греческая буква). Многочисленные возбужденные состояния не приведены. То обстоятельство, что из различных комбинаций трех основных частиц можно получить все известные адроны, символизировало главный триумф теории кварков. Но несмотря на этот успех, лишь через несколько лет удалось получить прямые физические доказательства существования кварков.
Эти доказательства были получены в 1969 г. в серии исторических экспериментов, проведенных на большом линейном ускорителе в Станфорде (Калифорния, США) — СЛАКе. Станфордские экспериментаторы рассуждали просто. Если в протоне действительно существуют кварки, то можно наблюдать столкновения с этими частицами внутри протона. Необходим лишь субъядерный “снаряд”, который можно было бы направить прямо в недра протона. Использовать для этой цели другой адрон бесполезно, так как он имеет такие же размеры, как и протон. Идеальным снарядом мог бы стать лептон, например электрон. Так как электрон не участвует в сильном взаимодействии, он не “увязнет” в среде, которую образуют кварки. Вместе с тем электрон может почувствовать присутствие кварков благодаря наличию у них электрического заряда.
Таблица 2
Трем ароматам кварков, u, d и s, соответствуют заряды +2/3, -1/3 и -1/3; они комбинируются по три, образуя восемь барионов, приведенных в таблице. Пары кварк— антикварк образуют мезоны. (Некоторые комбинации, такие, как sss опущены.)
В станфордском эксперименте трехкилометровый ускоритель по существу выполнял роль гигантского электронного “микроскопа”, который позволил получить изображение внутренности протона. Обычный электронный микроскоп дает возможность различать детали размером менее одной миллионной сантиметра. Протон же в несколько десятков миллионов раз меньше, и его можно “прощупать” только электронами, разогнанными до энергии 2.1010 эВ. Во времена станфордских экспериментов лишь немногие физики придерживались упрощенной теории кварков. Большинство ученых ожидало, что электроны будут отклоняться электрическими зарядами протонов, но при этом считалось, что заряд равномерно распределен внутри протона. Если бы это было действительно так, то происходило бы в основном слабое рассеяние электронов, т.е. при прохождении через протоны электроны не претерпевали бы сильных отклонений. Эксперимент показал, что картина рассеяния резко отличается от предполагаемой. Все происходило так, как если бы некоторые электроны налетали на крохотные твердые вкрапления и отскакивали от них под самыми невероятными углами. Теперь мы знаем, что такими твердыми вкраплениями внутри протонов являются кварки.
В 1974 г. упрощенному варианту теории кварков, которая к тому времени получила признание среди теоретиков, был нанесен чувствительный удар. С интервалом в несколько дней две группы американских физиков — одна в Станфорде во главе с Бартоном Рихтером, другая в Брукхейвенской национальной лаборатории под руководством Сэмюэла Тинга — объявили об открытии независимо друг от друга нового адрона, который получил название пси-частицы. Само по себе открытие нового адрона вряд ли было бы особо достопримечательным, если бы не одно обстоятельство: дело в том, что в схеме, предлагаемой теорией кварков, не было места ни для одной новой частицы. Все возможные комбинации из и-, d- и s-кварков и их антикварков были уже “израсходованы”. Из чего же состоит пси-частица?