"Демон" и антипротоны

Рассказ о демоне Максвелла полезно заключить историей о том, как демона заставили работать с большой пользой для науки.

По воле своего создателя демон наделен способностью следить за отдельными частицами и в нужное время умеет подправлять их движение.

Но даже демон не может нарушить физические законы и на свою работу он должен тратить энергию. Потратив же энергию, он может уменьшить энтропию системы. Но мы знаем, что изменение энтропии в обратимом процессе связано с расходом тепла: ΔS=ΔQ/T, значит, уменьшая энтропию, демон будет отбирать тепло, а следовательно, и понижать температуру, уменьшая тепловое движение частиц.

Роль демона в нашей истории играет прибор, установленный на пути пучка антипротонов в большом магнитном кольце, где антипротоны постепенно накапливаются па круговой орбите для будущих опытов. Из-за того, что скорости антипротонов не направлены строго по касательной к окружности, они отклоняются от своего пути то внутрь идеальной орбиты, то наружу и задача демона погасить эти колебания (их называют бетатронными) и вернуть убегающие антипротоны на орбиту. Прибор (детектор) устроен так, что он измеряет положение частиц, пролетающих мимо него. Если он обнаруживает, что частица ушла с траектории и летит неправильно, то оп посылает сигнал другому прибору, который называют толкателем (киккером), расположенному впереди по движению частиц. Сигнал передается по хорде, которая, как известно, короче дуги окружности, так что сигнал успевает предупредить толкатель до прихода "убегавшей" частицы.

Роль толкателя состоит в том, чтобы электрическим импульсом толкнуть частицу в нужном направлении и таким образом способствовать уменьшению разброса антипротонов, не давая пучку расширяться.

Этот процесс должен напомнить нам об идее Г. И. Будкера о "новосибирском холодильнике", о котором мы уже говорили.

По идее Будкера "охлаждать", т. е. сжимать пучок антипротонов, должны были электроны, хорошо сформированный пучок которых понижал энтропию антипротонов и тем самым уменьшал разброс скоростей. Оказалось, однако, что для больших ускорителей метод Будкера пришлось видоизменить и новый вариант, предложенный немецким физиком Ван дер Меером, был реализован в Европейском центре ядерных исследований в Швейцарии (ЦЕРН). О нем и идет речь. Простая идея возвращения каждой частицы на орбиту оказывается не такой простой па практике. Антипротоны двигаются по орбите не по одиночке.

Если бы антипротоны летели на больших расстояниях друг от друга, то "толкатель" успевал подправлять движение каждой частицы в отдельности. Но частицы летят сгустками и толчки получают одновременно, как та частица, которой удар был предназначен, так и те, которым он совсем не нужен. Поэтому, кроме полезных толчков, каждая частица получает и много ненужных ей случайных толчков. От этих толчков метод и получил название "стохастического метода охлаждения" от греческого слова "стохастикос" - угадывающий (стохастическими называют случайные процессы в физике).

Пучок антипротонов от случайных толчков, естественно, ухудшается, его "температура" повышается, повышается разброс частиц. Охлаждение пучка осуществляют только точные удары "демона".

Оказывается (это и есть главное в новой идее), что можно так подобрать режим работы приборов, что стохастические удары подавляются точными и пучок антипротонов все же охлаждается. Название "стохастический метод", по сути дела, неправильное - охлаждение достигается точными ударами. Из-за случайных ударов работа демона оказывается в сильной степени необратимой. По даже большие потери энергии оправдывают себя, когда речь идет о такой трудной задаче, как получение хорошего пучка антипротонов.

Остается сказать, что стохастический метод сыграл решающую роль в создании встречных пучков протонов и антипротонов (с энергией частиц 270 МэВ) ; во встречных столкновениях этих частиц были открыты новые частицы W⁺-, W^-- и Z⁰ - бозоны, переносящие слабое взаимодействие^*. Ван дер Меер разделил в 1984 г. Нобелевскую премию с Руббиа за открытие этих частиц. К сожалению, Г. И. Будкер не дожил до торжества своей идеи.

^* (Об этих частицах рассказано в книге: Окунь Л. Б. αβγ... Z.-i М.; Наука, 1985.- (Библиотечка "Квант", вып. 45.))