Библиотека по физике Библиотека по физике
Новости    Библиотека    Энциклопедия    Биографии    Ссылки    Карта сайта    О сайте


предыдущая главасодержаниеследующая глава

IV. Космические лучи

Основной метод, которым пользуются физики для исследования структуры материи,- это бомбардировка вещества заряженными частицами высоких энергий. Таким способом удается преодолеть силы отталкивания и получить информацию о внутреннем строении атома. Первым крупным открытием, сделанным таким образом, является наблюдение Резерфордом рассеяния альфа-частиц атомами различных элементов, которое привело к открытию атомного ядра. В 30-е годы были построены ускорители частиц, с помощью которых было сделано много новых открытий. Однако далеко не сразу новая техника достигла желаемого совершенства. Между тем физики обнаружили мощный естественный источник заряженных частиц, позволивший получить ценные сведения о строении атома. Речь идет о космических лучах.

В начале текущего столетия ученые уже немало знали об альфа-, бета- и гамма-лучах - трех разновидностях естественной радиации. Было установлено, что радиоактивные элементы довольно широко распространены в земной коре и создают естественный радиоактивный фон. Ученые считали совершенно логичным, что по мере подъема над земной поверхностью поток радиации должен уменьшаться. Это нашло подтверждение в исследованиях немецкого физика Т. Вульфа, который, поднявшись в 1910 г. на Эйфелеву башню, измерил там радиоактивный фон с помощью электроскопа новой модели.

Всего через год, в 1911 г., молодой австрийский физик Виктор Франц Гесс решил исследовать это явление на больших высотах, используя воздушный шар. В семи полетах на высоте до 5 км Гесс установил, что действительно сначала радиоактивность уменьшается, но с высоты примерно 600 м она начинает расти. В 1912 г. он опубликовал результаты своих весьма точных измерений, из которых следовало, что в земную атмосферу проникает мощная радиация. Открытие австрийского ученого вызвало бурные дискуссии в научной среде. Некоторые видные физики считали, что повышенная радиация на больших высотах объясняется какими-то атмосферными процессами или же облаками пыли, поднимающимися с поверхности Земли.

Внеземное происхождение лучей было окончательно доказано известным американским физиком-экспериментатором Робертом Эндрусом Милликеном. Он использовал воздушные шары с самозаписывающими электроскопами, которые достигали высоты до 15 км и летали там в течение длительного времени. Позднее Милликеи провел новый эксперимент. Поскольку источник радиации искали в космосе, Милликен установил детекторы в озерах, расположенных на разной высоте над уровнем моря, и, исследуя поглощение лучей слоем воды, окончательно доказал их внеземное происхождение. Он дал этой радиации название "космические лучи" и попытался связать их происхождение с процессами образования химических элементов (теория, которая впоследствии была отвергнута).

Проникающая сила космических лучей значительно больше естественной радиации минералов или потоков заряженных частиц, полученных на первых небольших ускорителях. Физики решили воспользоваться этим естественным "ускорителем" частиц, и на протяжении почти двух десятилетий исследования с помощью космических лучей служили важнейшим источником информации о строении атома.

В 1928 г. Поль Адриен Морис Дирак построил релятивистскую теорию движения электрона. Из теории Дирака следовала возможность существования положительно заряженного электрона. В то время уже широко .велись исследования космических лучей, и в 1932 г. американский физик Карл Дейвид Андерсон открыл частицу с массой электрона, но с положительным электрическим зарядом. Это наблюдение было сделано с помощью камеры Вильсона, помещенной в магнитное поле. Новая частица была названа положительным электроном, или позитроном. При дальнейших исследованиях этой частицы обнаружилось, что при столкновении ее с электроном происходит их аннигиляция (исчезновение частиц) и возникает гамма-излучение. Был открыт и обратный процесс - рождение электронно-позитронной пары из гамма-излучения. Так была доказана справедливость идеи Эйнштейна о связи массы и энергии.

Открытие позитрона явилось блестящим подтверждением чисто теоретического предсказания. Оно продемонстрировало также большое значение космических лучей как источника частиц высокой энергии, позволяющих изучать строение вещества. Эти результаты были высоко оценены Нобелевским комитетом по физике, который в 1936 г. принял решение о присуждении премии Виктору Францу Гессу за открытие космических лучей и Карлу Дейвиду Андерсону за открытие позитронов в этих лучах.

Позитрон был открыт в результате тщательного изучения тысяч фотографий следов (треков) частиц, которые были получены с помощью камеры Вильсона. Действие камеры основано на конденсации перенасыщенного пара на ионах, образующихся вдоль траекторий заряженных частиц. Этот замечательный прибор, сыгравший огромную роль в экспериментной ядерной физике, был создан в 1912 г. английским ученым Чарлзом Томсоном Рисом Вильсоном, именем которого он и был назван.

Еще в конце прошлого века, после открытия естественной радиации, наметились основные методы ее исследования. Антуан Анри Беккерель использовал для этой цели фотопластинки, супруги Жолио-Кюри - электроскоп. В 1903 г. Уильям Крукс, будучи уже в весьма солидном возрасте (он родился в 1832 г.), создал прибор для регистрации отдельных альфа-частиц. Спинтарископ Крукса (с ним любил работать Резерфорд) представлял собой пластинку из сернистого цинка, на которой под ударами альфа-частиц возникали вспышки (сцинтилляции); от греческого "спинтар" (вспышка) и происходит название прибора. Главный прибор для исследования заряженных частиц был построен позже и действовал по совершенно иному принципу.

Основные интересы члена Лондонского королевского общества Чарлза Вильсона были сосредоточены на исследовании процессов конденсации водяных паров и образования облаков в атмосфере. Он разработал теорию, согласно которой каждый заряженный ион становится центром конденсации водяных паров воздуха. Поскольку наблюдать образование облаков "в натуре" - задача вряд ли выполнимая, Вильсон сконструировал камеру, в которой с помощью поршневого насоса можно было резко изменять объем и давление, создавая таким образом условия для конденсации пара.

Интерес к ионам неизбежно привел Вильсона к исследованию радиоактивности, ибо естественная радиация - один из важнейших факторов ионообразования в атмосфере. Оставалось сделать всего лишь один шаг, чтобы найти связь между этими явлениями. Вильсон установил, что радиоактивное излучение, проходя через камеру, вызывает образование ионов, которые становятся видимыми благодаря конденсирующимся вокруг них капелькам воды. Таким образом, невидимая частица оставляет в камере реально наблюдаемый след из водяных капелек, который можно сфотографировать.

Хотя и с известным опозданием, Чарлзу Томсону Рису Вильсону, создателю прибора, сыгравшего огромную роль в ядерной физике, в 1927 г. была присуждена Нобелевская премия по физике, которую он разделил с Артуром Комптоном. Они были награждены одновременно, поскольку эффект Комптона наблюдался в камере Вильсона.

С помощью камеры Вильсона Карл Андерсон открыл в 1932 г. позитрон. Камера была помещена в магнитное поле, которое вызывало искривление траектории заряженных частиц; это позволяло быстро и точно идентифицировать их. Через определенный интервал времени делались фотоснимки, на которых затем искали следы новых частиц. Были просмотрены тысячи фотографий, прежде чем на нескольких из них удалось обнаружить следы позитронов. Английский физик Патрик Мейнард Стюарт Блэкетт существенно усовершенствовал камеру Вильсона, что позволило ему достичь значительных результатов без больших затрат времени и фотоматериалов.

В 1932 г. Блэкетт вместе с итальянским физиком Джузеппе Станиславо Оккиалини соединил камеру Вильсона со счетчиками Гейгера - приборами, способными регистрировать даже отдельные частицы. Блэкетт установил один счетчик над камерой, а другой - под ней; электрическая схема была построена таким образом, что фотографирование производилось только в тот момент, когда оба счетчика одновременно давали сигнал,- это означало, что одна и та же частица прошла через них и, следовательно, в камере образовался ее след.

Такая автоматика значительно упростила исследования и дала возможность сделать много новых открытий. С помощью своей камеры Блэкетт вместе с Оккиалини также наблюдали позитроны, причем намного более отчетливо, нежели Андерсон. Впоследствии их аппаратура позволила открыть некоторые другие элементарные частицы. За свой оригинальный вклад в экспериментальную ядерную физику Патрик Блэкетт был удостоен в 1948 г. Нобелевской премии по физике.

Новый метод регистрации частиц с использованием двух и более счетчиков, когда регистрация производится только при их одновременном включении, был предложен учеником Макса Планка, немецким физиком Вальтером Вильгельмом Георгом Боте. Так называемый метод совпадений, разработанный им в 1924 г. в Физико-техническом институте Берлинского университета, давал возможность выделить электрический импульс, порожденный отдельной частицей. В 1929 г. Боте использовал этот метод при исследовании космических лучей. В 1938 г. французский физик Пьер Виктор Оже, поставив несколько счетчиков в одну линию, точно определил направление прихода космических лучей и открыл широкие атмосферные ливни (потоки вторичных частиц, возникающие в атмосфере под действием космических лучей высокой энергии).

В 1954 г. Вальтер Боте стал лауреатом Нобелевской премии по физике (30 лет спустя после сделанного им открытия!) за исследования космических лучей. Он разделил награду с Максом Борном, другим крупнейшим физиком, награжденным за теоретические работы в области квантовой механики, выполненные еще в 20-х годах.

В 1937 г. в космических лучах была открыта новая частица, названная мезоном. Она значительно повысила интерес к теории Юкавы о сильном взаимодействии. Исследования в этом направлении были продолжены в 1946 г. английским физиком Сесилом Франком Пауэллом и его сотрудниками - бразильским физиком Чезаре Мансуэто Джулио Латтесом и Джузеппе Оккиалини.

Эти ученые исследовали космические лучи, используя новый метод регистрации треков частиц с помощью специальных фотопластинок с толстым эмульсионным слоем. Этим методом было открыто несколько видов мезонов; в частности, кроме тяжелого электрона Андерсона (мю-мезона) был обнаружен заряженный пи-мезон (пион). В 1948 г. Пауэлл вместе с Э. Гарднером впервые получил мезоны искусственным путем, подтвердив свое открытие.

Уточненные данные показали, что мю-мезон, масса которого в 207 раз превосходит массу электрона, в действительности является частицей, не связанной с сильным взаимодействием. Переносчиками этого взаимодействия оказались пи-мезоны - частицы, которые живут лишь стомиллионную долю секунды, и поэтому их невозможно наблюдать с помощью камеры Вильсона. Масса пи-мезона примерно в 270 раз больше, чем у электрона.

Фотографический метод Сесила Пауэлла, с помощью которого фиксировали след частицы непосредственно на фотоэмульсии, позволил экспериментально доказать справедливость теории сильного взаимодействия Юкавы. В 1950 г. английский ученый стал лауреатом Нобелевской премии по физике за введенный им метод исследования частиц и открытие мезонов.

В последние годы космические лучи интересуют преимущественно астрофизиков. Для исследований в микромире используется другая техника. Вместе с тем ввиду непомерного удорожания ускорительной техники "небесный ускоритель" вновь начинает завоевывать популярность. В составе космических лучей встречаются частицы такой огромной энергии, какую не в состоянии обеспечить ни один ускоритель, построенный человеком. Правда, обнаружение таких частиц - явление чрезвычайно редкое, и подобные исследования требуют довольно много времени, однако это позволяет получать уникальные данные о микромире.

Элементарные частицы

Представление об атоме как о наименьшей, неделимой структурной частице вещества претерпело с конца прошлого столетия принципиальные изменения. Физики установили, что он представляет собой сложную структуру, состоящую из более мелких частиц.

Прежде всего был открыт электрон, который сравнительно легко отрывается от атома и, кроме того, участвует в процессах излучения света. В 1897 г. Джозеф Джон Томсон окончательно идентифицировал электрон и определил основные его характеристики. Тогда же было установлено, что элементарным носителем положительного заряда является ион водорода, который Резерфорд назвал в 1914 г. протоном. Спустя шесть лет Резерфорд предсказал существование нейтрона, открытого Чедвиком в 1932 г. В том же году был обнаружен и предсказанный Дираком позитрон. Тем временем опыты Комптона показали, что фотон также можно рассматривать как частицу (эта мысль была высказана Эйнштейном еще в 1905 г.).

Чтобы объяснить некоторые особенности бета-распада, Вольфганг Паули в 1931 г. постулировал существование нейтральной частицы, чрезвычайно слабо взаимодействующей с веществом. Итальянский физик Энрико Ферми назвал ее "нейтрино" ("маленький нейтрон"). Лишь в 1959 г. Фредерик Райнес и Клайд Лоррен Коуэн смогли обнаружить нейтрино.

В 1936 г. группа ученых, среди которых был и Андерсон, открыли первый мезон. Десять лет спустя Пауэлл, Латтес, Оккиалини и Мюирхед показали, что наряду с мю-мезонами существуют пи-мезоны. Именно последние, как потом обнаружилось, и связаны с ядерными взаимодействиями.

В 1944 г. Владимир Иосифович Векслер в Советском Союзе и Эдвин Маттисон Макмиллан в США предложили новые модели ускорителей, так называемые синхротроны, которые позволяли ускорять частицы до значительно более высоких энергий. Благодаря этим достижениям физики получили более широкие возможности для исследований, нежели при работе с космическими лучами. При соударении ускоренных частиц с мишенью возникали частицы, о существовании которых ученые и не предполагали. Так, в 1947 г. были открыты К-мезоны и гипероны.

Обнаружилось, что продолжительность жизни этих частиц в миллиарды раз превышает предсказанную теоретически. Это казалось очень странным, отсюда новые частицы и получили свое название - "странные", а их соответствующее свойство - странность. Позднее выяснилось, что странные частицы рождаются парами; разлетаясь в разные стороны, они не могут больше взаимодействовать. Этим и объясняется большая продолжительность их жизни. Если бы странные частицы оставались вместе, то они исчезали бы значительно быстрее, в точном соответствии с теорией.

С К-мезонами в 50-е годы была связана проблема тау- и тета-частиц. Обе они относятся к К-мезонам, причем тау-частица распадается на три пи-мезона, а тета-частица - на два. В остальном эти два К-мезона одинаковы. Теоретики исходили из предположения, что одна из частиц имеет отрицательную четность, а другая - положительную. Этот вопрос был решен двумя физиками китайского происхождения, работавшими в Брукхейвенской национальной лаборатории США. Ли Цзундао и Янг Чжэньнин пришли к выводу, что четность не сохраняется в слабых взаимодействиях. В этом процессе вновь образовавшиеся частицы разлетаются в определенных направлениях. От их пространственной ориентации зависит и характер распада.

Это открытие вызвало настоящую сенсацию среди физиков, которые раньше принимали за аксиому, что взаимодействия в микромире характеризуются определенной пространственной симметрией. Нарушение этой симметрии указывало на какие-то новые, неизвестные свойства элементарных частиц. Нобелевский комитет по физике, оценив важность этого открытия, уже в 1957 г., всего год спустя после опубликования Ли и Янгом их результатов, присудил им Нобелевскую премию.

Из уравнений волновой механики Дирака вытекает существование не только положительного "электрона", но и отрицательного "протона". После открытия позитрона физикам стало ясно, что наряду с веществом должно существовать и антивещество, состоящее из античастиц. Антипротон, однако, удалось обнаружить лишь через 20 лет после открытия позитрона. Это сделали в 1955 г. Эмилио Джино Сегре и Оуэн Чемберлен вместе с К. Вигандом и Т. Ипсилантисом на новом ускорителе (безатроне), построенном специально для поиска антипротона. Это было замечательным достижением, ибо теперь в принципе уже можно было бы получить антиводород. В 1956 г. на том же ускорителе был обнаружен и антинейтрон; он отличается от нейтрона лишь направлением магнитного момента.

Эти открытия значительно расширили представления о веществе и поставили вопрос: почему Вселенная построена из вещества и нет ли в ней областей, состоящих из антивещества? От ответа на него будет зависеть, какую модель эволюции Вселенной следует избрать. За открытие антипротона Чемберлен и Сегре были удостоены в 1959 г. Нобелевской премии по физике.

Эмилио Сегре осуществил немало интересных научных исследований и открытий, принесших ему известность. Некоторые из его коллег высказали сожаление, что Нобелевская премия была присуждена ему за открытие антипротона, т. е. за результат, который, по их мнению, доступен любому при наличии такой машины, как бетатрон; они полагали, что Сегре был достоин этой награды и за другие, более фундаментальные результаты.

Исследование частиц, число которых благодаря использованию ускорителей непрерывно возрастало, требовало новых методов их наблюдения и идентификации. Вслед за камерой Вильсона и ее усовершенствованной Блэкеттом модели, счетчиками Гейгера - Мюллера* и ядерными фотоэмульсиями Пауэлла пришел новый метод наблюдений, основанный на эффекте Черенкова. Явление, скрывающееся под этим названием, было давно известно ученым: свечение кристаллов и жидкостей под действием излучения наблюдалось неоднократно. Еще в 20-е годы предпринимались попытки объяснить его механизм, но проблема была решена лишь после тщательных исследований советского ученого, начатых в 1932 г.

* (Ханс Гейгер в 1908 г. определил заряд электрона и вместе с Э. Резерфордом изобрел счетчик заряженных частиц, который в 1928 г. был им усовершенствован вместе с В. Мюллером.- Прим. ред.)

Сначала Павел Алексеевич Черенков, 28-летний аспирант академика Сергея Ивановича Вавилова, занимался исследованием люминесценции растворов урановых солей под действием гамма-лучей. В 1934 г. Черенков заметил, что наряду с обычной люминесценцией, вызываемой гамма-лучами, возникает свечение иного характера. В 1936 г. он установил фундаментальное свойство этого излучения- его направленность.

Фактический материал, полученный Черенковым, Позволил двум советским физикам, Игорю Евгеньевичу Тамму и Илье Михайловичу Франку, создать в 1937 г. теорию эффекта Черенкова. Оказалось, что излучение возникает при прохождении частицы через кристалл или жидкость со скоростью, превышающей скорость света в данной среде. Свет распространяется со скоростью 300 000 км/с только в вакууме. В воде, например, скорость света составляет лишь 200 000 км/с, и законы физики вполне допускают возможность движения какой-либо частицы со скоростью большей, чем эта. Электромагнитные волны, образующиеся при таком сверхсветовом движении частицы, имеют форму конуса, в вершине которого находится частица; зная угол у вершины конуса, можно определять скорость ее движения.

Черенков, будучи прежде всего экспериментатором, предложил использовать открытый им эффект для регистрации заряженных частиц. Этим методом и был зарегистрирован антипротон. Подготавливается грандиозный международный эксперимент, в котором планируется установить черенковские счетчики на дне моря для регистрации частиц высоких энергий, в том числе и нейтрино. Открытие Черенкова и предложенная Таммом и Франком теория этого эффекта принесли им в 1958 г. Нобелевскую премию по физике.

С появлением новых сверхмощных ускорителей стало ясно, что камера Вильсона свои возможности исчерпала. На смену ей пришел новый прибор, сконструированный в 1952 г. американским физиком Доналдом Артуром Глазером. Его пузырьковая камера состоит из резервуара с жидким водородом, находящимся при температуре, близкой к точке кипения. Проходя через него, заряженные частицы нарушают равновесие, и вдоль их пути образуются пузырьки газа. Хорошо известно, что жидкости имеют плотность значительно выше, чем газы. Чтобы создать такой эффект, как и в жидком водороде, заряженная частица должна пройти в газе в тысячу раз большее расстояние. На практике это означает, что след длиной 10 см в пузырькой камере равнозначен 100-метровому следу в камере Вильсона.

Такое тысячекратное увеличение возможностей позволяет значительно более длительное время следить за движением частиц и их превращениями. Современные пузырьковые камеры так велики, что фотокамера не в силах охватить их во всю глубину; поэтому для получения траекторий частиц иногда применяется голография, дающая трехмерное изображение траекторий даже очень короткоживущих частиц.

Доналд Глазер, исследователь очень широкого диапазона, занимавшийся изучением элементарных частиц, космических лучей, молекулярной биологии, за создание пузырьковой камеры получил в 1960 г. Нобелевскую премию по физике.

Первая большая пузырьковая камера была сконструирована американским физиком Луисом Уолтером Альваресом. Он усовершенствовал конструкцию камеры, приспособив ее для количественных измерений. В 1955 г. в Радиационной лаборатории им. Э. О. Лоуренса в Беркли Альварес начал проводить обширные эксперименты и открыл десятки новых, неизвестных элементарных частиц. К 1960 г. это изобилие частиц стало беспокоить физиков - казалось маловероятным, чтобы было так много элементарных "кирпичиков" вещества.

Большая часть частиц, открытых Альваресом, имела исключительно короткую продолжительность жизни. Было установлено, что их образование объясняется резонансными явлениями. Например, нуклон, соединяясь с пи-мезоном, образует систему, которая ведет себя как новая частица, но быстро распадается. Сейчас известны сотни частиц-резонансов, и большая заслуга в этом принадлежит группе Альвареса. За обширные исследования, которые велись на протяжении более 10 лет, этот ученый получил в 1968 г. Нобелевскую премию по физике.

Уже в 50-е годы стали накапливаться данные, ставящие под сомнение концепцию об элементарности известных тогда частиц. Заговорили об их структуре. В этой области работал Роберт Хофстедтер, профессор Стан-фор дского университета. В 1955 г. он начал эксперименты по исследованию структуры нуклонов с помощью большого линейного ускорителя в Станфорде. Пучок электронов энергией в 1 млрд. эВ использовался для бомбардировки протонов и нейтронов. Картина рассеяния очень напоминала ту, которую в свое время наблюдал сотрудник Резерфорда Марсден при изучении рассеяния альфа-частиц золотой фольги. Тогда, в 1911 г., в результате этих экспериментов было установлено, что атом имеет ядро. Эксперименты Хофстедтера показали, что протон и нейтрон также имеют "ядро", окруженное облаком из пи-мезонов, так называемой "мезонной шубой". За открытие внутренней структуры нуклонов Роберт Хофстедтер был удостоен в 1961 г. Нобелевской премии по физике, разделив ее с Рудольфом Мёссбауэром, открывшим известный эффект, названный его именем.

Большое число частиц, обнаруженных в 50-е годы, заставило ученых заняться поиском системы для их классификации. Предполагалось, что протон и нейтрон следует рассматривать как фундаментальные частицы, из которых построены остальные. В свете этого пи-мезон, например, представляли как протон и нейтрон в связанном состоянии.

Эти представления были развиты в 1956 г. Сёити Сакатой, который принял за фундаментальные частицы протон, нейтрон и ламбда-нуль-гиперон. Эти частицы иногда называют сакатанами.

Через несколько лет оказалось, что Саката действительно уловил определенные закономерности в мире частиц. Его теория получила дальнейшее развитие и, по существу, была поставлена на новую основу Марри Гелл-Маном и Джорджем Цвейгом. В 1964 г. они выдвинули гипотезу субчастиц, из которых построены нуклоны, мезоны и гипероны. Это - одно из самых последних и важнейших событий в физике, которое заслуживает самостоятельного рассмотрения.

Кварки. Великое объединение

В начале 60-х годов к нескольким элементарным частицам, которые физики считали составными частями атома, добавилось еще около 200. Это повергло ученых в уныние. Пытаясь найти выход из создавшегося положения, ученые стали разрабатывать теории, в которых предполагалось, что большинство известных элементарных частиц построены из субчастиц. Они и были признаны истинно элементарными.

Одной из таких теорий, которая впоследствии получила всеобщее признание, является гипотеза кварков. Она была предложена в 1964 г. Марри Гелл-Маном, профессором Калифорнийского технологического института, и независимо Джоржем Цвейгом, молодым сотрудником того же института. В свете этой теории протон и нейтрон представляют собой различные комбинации двух типов кварков (так называемых "ароматов"), обозначаемых латинскими буквами u и d. Эти обозначения происходят от английских слов up и down (что значит "верх" и "низ") и связаны с определенными квантовыми характеристиками кварков. Нейтрон и протон состоят из трех кварков: протон - из uud, а нейтрон - из udd; w-кварк имеет электрический заряд 2/3" d-кварк - 1/3. Эти комбинации кварков как раз и дают заряд протона, равный 1, и нейтрона - 0.

Чтобы объяснить строение странных частиц, был введен третий s-кварк (от английского слова strange, что значит "странный"). Странные частицы не могут превращаться в протоны и нейтроны, поэтому для их характеристики Гелл-Ман ввел в 1953 г. новое квантовое число - странность, он же открыл закон сохранения странности.

Согласно кварковой модели, мезоны также являются составными частицами, состоящими из кварка и антикварка.

Названные выше частицы относятся к группе адронов (их модель предложил в 1969 г. Дж. Цвейг), которые участвуют в сильных взаимодействиях. Таким образом, их большое разнообразие удалось свести всего к трем типам кварков. Кроме них к числу истинно элементарных частиц (т. е. не имеющих внутренней структуры) относятся так называемые лептоны: электрон, мюон, а также электронное и мюонное нейтрино. Гипотеза кварков ознаменовала собой начало нового этапа в развитии физики микромира. Ее значение столь же велико, как и открытия структуры атома в начале века. Экзотическое название quark ("кварк") было заимствовано Гелл-Маном из книги известного английского писателя Джеймса Джойса "Поминки по Финнегану". Между прочим, в английском и немецком языках название "кварк" имеет особый вид простокваши*.

* (В разговорном немецком языке слово quark означает также "чепуха".- Прим. ред.)

Создание кварковой модели с самого начала произвело огромное впечатление, и большинство физиков не сомневались, что присуждение Гелл-Ману Нобелевской премии - это лишь вопрос времени. Тем не менее в Стокгольме не торопились, и лишь через 5 лет, в 1969 г., Гелл-Ману была присуждена Нобелевская премия по физике.

Еще в 1964 г., когда Гелл-Ман и Цвейг постулировали существование 3 кварков, Джеймс Бьёркен и Шелдон Глэшоу предложили дополнить систему Гелл-Мана - Цвейга четвертым кварком, который дал возможность строить новые комбинации и описывать состояние новых частиц. Введение еще одного кварка позволило разрешить многие проблемы, мучившие теоретиков, и, быть может, именно испытываемое чувство удовлетворения побудило физиков назвать связанное с этим кварком новое квантовое число очарованием. Сам же кварк был назван очарованным; он обозначается латинской буквой с (от английского charm, что значит "очарование"). Одним из следствий введения с-кварка явилось предсказание существования нового типа мезонов, состоящих из с-кварка и соответствующего антикварка. Эти частицы, относящиеся к группе адронов, были открыты в 1974 г. одновременно двумя группами исследователей.

Одна из групп, возглавляемая профессором Массачусетского технологического института Сэмюэлом Тингом, после нескольких лет исследования открыла частицу, которая была названа джи-частицей. Открытие было сделано при изучении процессов взаимодействия гамма-излучения с веществом (т. е. с адронами) и адронов с адронами. При этом образуется пара электрон - позитрон. В частности, эксперименты, проведенные весной 1974 г., в ходе которых исследовалось взаимодействие протонов с атомными ядрами мишени, указывали на возможность существования массивной частицы с эквивалентной энергией 3.1 ГэВ (1 ГэВ = 109 эВ). Для сравнения можно сказать, что выраженная в единицах энергии масса пи-мезона составляет 140 МэВ, а протона - 939 МэВ.

Параллельно в Станфордеком университете (шт. Калифорния) работала группа под руководством Бертона Рихтера. На большом линейном ускорителе исследовалось образование адронов при столкновении позитронов и электронов больших энергий. При энергии порядка 3.2 ГэВ была открыта частица, которая распадалась на нуклоны. Рихтер назвал ее пси-частицей.

Так, в результате работы двух групп в науку вошла новая частица. Обе группы опубликовали свои результаты одновременно - в декабре 1974 г. Было установлено, что частица относится к классу мезонов и состоит из с-кварка и его античастицы. Вскоре было открыто несколько видов таких частиц, и они получили общее название "пси-частицы". Она состоит из двух кварков, связанных так же, как позитрон и электрон в позитронии. Оказалось, что эта частица относится к новому семейству частиц, получивших название "очарованные". Позитрон и электрон связаны в атоме позитрония электромагнитным взаимодействием, которое описывается в квантовой электродинамике. Два кварка в очарованной частице связываются посредством так называемого цветного взаимодействия, которое изучается квантовой хромодинамикой. Новая квантовая характеристика "цвет" была введена Гелл-Маном и Цвейгом, чтобы удовлетворить принципу Паули. (Разумеется, здесь цвет является лишь условным наименованием, используемым для "маркировки" кварков, и не имеет ничего общего с обычными цветами). Согласно этому принципу, две (или более) тождественные частицы с полуцелым спином, входящие в одну физическую систему, не могут одновременно находиться в одном и том же квантовом состоянии. Однако предсказанная Гелл-Маном теоретически и впоследствии обнаруженная экспериментально частица омега-минус-гиперон, состоящая из трех s-кварков, оказалась именно такой системой. Чтобы спасти положение, ввели новое квантовое число - цвет. Если принять, что три s-кварка отличаются по цвету, то все становится на свои места.

Цвет можно рассматривать как аналог электрического заряда. Считается, что кварки связаны между собой специфическим цветным взаимодействием, носителем которого является частица, названная глюоном (от английского glue, т. е. "клей"). По аналогии с квантовой электродинамикой эта новая область квантовой теории поля получила название квантовой хромодинамики.

Открытия Рихтера и Тинга явились убедительным свидетельством в пользу гипотезы кварков и хромодинамики. Поэтому уже в 1976 г. Нобелевский комитет присудил этим двум исследователям премию по физике. Таким образом, награждение состоялось спустя менее двух лет после опубликования результатов исследований.

Какова же современная картина классификации элементарных частиц? Выяснилось, что к четырем уже названным кваркам следует добавить еще b-кварк (от англ. beauty, что значит "красота") и t-кварк (от англ. truth - "истина"). Эти шесть кварков различаются между собой по характеристикам, называемым ароматами, и группируются в три семейства, причем каждое из них встречается в трех цветах: красном, желтом и синем. Шесть "ароматов" по три цвета составляют, таким образом, 18 элементарных частиц; кроме того, существует семейство лептонов, куда входят электрон, мюон и тау-частица, а также электронное, мюонное и тау-нейтрино, т. е. лептонов всего шесть. Если их добавить к 18 кваркам, то фундаментальных частиц становится 24, а с учетом их античастиц - 48. Это, пожалуй, слишком много, чтобы их можно было считать совершенно элементарными.

Разрабатываются новые модели, согласно которым даже эти частицы состоят из субчастиц. Но эти модели весьма гипотетичны, поскольку в настоящее время наука не располагает экспериментальными данными, которые могли бы подтвердить или опровергнуть их. Гигантские ускорители уже достигли предела своих возможностей, а строительство еще более мощных - очень трудное и дорогостоящее дело. Это побуждает физиков обратить взгляд в космос. Во Вселенной вещество может находиться в таких состояниях, когда проявляются его фундаментальные свойства. Может быть, внимательно прислушиваясь к сигналам, идущим из Вселенной, мы получим возможность понять нечто большее о мире, в котором живем.

Связь исследований микромира с изучением Вселенной - одно из самых поразительных явлений в современной физике. Это - поистине замечательное объединение.

В современной физике на повестке дня стоят и другие объединения. Речь идет о силах, действующих в окружающем нас мире. Еще в XVII в. Ньютон описал гравитационное взаимодействие, управляющее движением небесных тел. В XIX в. Максвелл объединил электричество и магнетизм, создав единую теорию электромагнитного взаимодействия. В 30-е годы нашего столетия, после открытия нейтрона, заговорили о сильном (ядерном) взаимодействии, связывающем нуклоны в атомном ядре, а исследования бета-распада привели к понятию слабого взаимодействия. Стали предприниматься попытки их объединения.

Альберт Эйнштейн 35 лет своей жизни посвятил созданию единой теории электромагнитного и гравитационного взаимодействий. Он начал свою работу тогда, когда еще не были известны другие виды взаимодействий, существующие в микромире. Эйнштейн не достиг успеха. Однако в последнее десятилетие другие исследователи сумели объединить электромагнитное и слабое взаимодействия, создав единую теорию электрослабого взаимодействия. Над этой проблемой работали многие ученые, среди которых выделяются имена Стивена Вайнберга, Шелдона Глэшоу и Абдуса Салама - лауреатов Нобелевской премии по физике за 1979 г.

Попытки создать теорию слабого взаимодействия ученые стали предпринимать в 50-х годах - после того, как Ричард Фейнман, Юлиус Швингер и Синъитиро Томонага создали современную квантовую электродинамику. К 1948 г. независимо друг от друга они разработали теорию, связывающую квантовую механику с релятивистскими представлениями, которая позволила объяснить экспериментальные результаты, полученные в спектроскопии и других исследованиях атомов. В частности, японский физик Томонага создал в 1946 г. теорию, математический аппарат которой давал возможность довольно точно рассчитывать процессы электромагнитного взаимодействия электронов и фотонов.

Американский физик Р. Фейнман известен не только работами в области квантовой электродинамики, но и знаменитыми диаграммами Фейнмана, которые позволяют наглядно объяснить возможные превращения частиц.

Ю. Швингер из Гарвардского университета вычислил аномальный магнитный момент электрона и объяснил так называемый "лэмбовский сдвиг" в спектре водорода, открытый Уиллисом Лэмбом - одним из лауреатов Нобелевской премии по физике за 1955 г. Ю. Швингер был учителем Шелдона Глэшоу, о котором речь пойдет дальше.

За создание релятивистской квантовой электродинамики Фейнман, Швингер и Томонага были удостоены в 1965 г. Нобелевской премии по физике.

После того как эта задача в общих чертах была решена, ученые занялись слабыми взаимодействиями. К 1958 г. благодаря работам Ричарда Фейнмана, Марри Гелл-Мана, Роберта Маршака и Эннакала Ченди Джорджа Сударшана была разработана универсальная теория слабых взаимодействий. Еще тогда, возвращаясь к некоторым идеям Ферми 30-х годов, Швингер высказал мысль о возможности объединения слабых и электромагнитных взаимодействий. Примерно к тому же периоду относятся и первые работы А. Салама, С. Вайнберга и Ш. Глэшоу.

В современных теориях ядерных взаимодействий квантовые представления приводят к выводу о существовании объектов двух классов: частиц вещества и частиц - квантов поля, которые переносят взаимодействие. Еще Юкава, теоретически предсказавший существование квантов сильного взаимодействия, пытался ввести подобные представления и для слабого взаимодействия. Работы Янга Чжэньнина и Роберта Миллса (1954 г.) позволили развить эту идею дальше. Теперь решением проблемы занялись многие ученые, ив 1961 г. Шелдон Глэшоу сумел создать теорию слабого взаимодействия. Помимо описания слабого взаимодействия стало возможным установить его связь с электромагнитным взаимодействием. В электродинамике взаимодействие передается нейтральным фотоном. Согласно новой объединенной теории, электрослабое взаимодействие передается четырьмя частицами, три из которых (два так называемых промежуточных векторных бозона и один нейтральный бозон) имеют довольно большую массу, а четвертой является фотон. Необходимость большой массы частиц - переносчиков слабого взаимодействия вытекает из того, что это взаимодействие осуществляется на очень коротких расстояниях, тогда как не имеющий массы фотон обусловливает дальнодействующее электромагнитное взаимодействие. Но чтобы подтвердить экспериментально существование бозонов, необходимы сверхмощные ускорители. В ряде .известных научных центров началось их конструирование, и некоторые из них вступят в строй в ближайшие годы. Одновременно физики и инженеры, стремясь расширить возможности уже существующей техники, приступили к ее усовершенствованию.

Еще в 60-е годы советский физик Герш Ицкович Будкер, работавший в Институте ядерной физики Сибирского отделения АН СССР указал, что возможности ускорителя существенно возрастут, если вместо бомбардировки ускоренными частицами неподвижной мишени использовать соударение встречных пучков частиц; в частности, он предложил использовать столкновение протонов с антипротонами. Главная проблема при этом состояла в получении достаточно однородных пучков частиц, движущихся с одинаковой скоростью. В 1956 г. голландский инженер Симон ван дер Меер, работавший в ЦЕРН (Европейский центр ядерных исследований), сконструировал датчики, которые позволяли следить за состоянием потока частиц. При возникновении каких-либо неоднородностей в пучке немедленно производится соответствующая корректировка режима ускорителя и таким образом достигается однородность пучков. Проект начал претворяться в жизнь в 1978 г., когда итальянский физик Карло. Руббиа предложил использовать для этой цели сооружающийся большой ускоритель протонов (протонный суперсинхротрон), важным элементом которого стал накопитель, разработанный Ван дер Меером.

С помощью этой аппаратуры через несколько лет подготовительных работ наконец удалось добиться желаемого успеха. В январе 1983 г. были обнаружены промежуточные векторные бозоцы W+ и W-, а в мае удалось зарегистрировать и нейтральные 2°-бозоны, которые наблюдаются в десять раз реже. В подготовке и проведении этого сложнейшего эксперимента участвовало несколько десятков человек: физиков, инженеров и техников; однако особый, принципиальный вклад внесли в нее Карло Руббиа, который спланировал и привел в движение весь проект, и Симон ван дер Меер, сконструировавшей необходимую аппаратуру. В 1984 г., менее чем через полтора года после открытия, эти два ученых были удостоены Нобелевской премии по физике.

Объединенная теория слабого и электромагнитного взаимодействий возвестила о новом этапе в развитии современной физики, отмеченном стремлением к унификации различных представлений и открытию более фундаментальных свойств материи. Разработка объединенной теории позволит углубить наши знания о кварках. Следующим этапом развития физики микромира должно стать создание единой теории сильных и электрослабых взаимодействий.

В более отдаленном будущем ученые надеются создать общую теорию, в которой должны слиться воедино электромагнетизм, гравитация, сильное и слабое взаимодействия,- таким образом, возможно, удастся осуществить мечту Эйнштейна о великом объединении всех сил природы.

Новые представления о строении частиц и их взаимодействии позволили внести ясность в вопрос о симметрии в микромире. Длительное время считалось, что физическое взаимодействие характеризуется так называемой пространственной четностью, т. е. оно симметрично по отношению к операции зеркального отражения; иными словами, если изменить направление движения всех объектов на противоположные (взять зеркальное отражение процесса), то ничего не изменится. Это интуитивное представление было разрушено в 1956 г., когда Ли Цзундао и Янг Чжэньнин показали, что в слабых взаимодействиях пространственная четность нарушается.

Другим типом симметрии, который физики принимали, исходя из интуитивных соображений, была симметрия между частицами и античастицами, называемая симметрией относительно операции зарядового сопряжения. Предполагалось, что, если в ядерной реакции все частицы заменить их античастицами, то конечный результат не изменится. Экспериментальные данные, однако, опровергли и это мнение. Тогда, чтобы спасти положение, теоретики предположили, что в слабых взаимодействиях сохраняется комбинированная четность*, т. е., чтобы законы симметрии здесь выполнялись, необходимо вместе с зеркальным отражением произвести замену всех частиц их античастицами, иначе говоря, совершить оба преобразования одновременно. И действительно, в этом случае результаты опытов подкрепляли теорию, и "духи" на некоторое время успокоились.

* (Одновременно (и независимо) с Ли и Янгом закон сохранения комбинированной четности предложил советский ученый академик Лев Давидович Ландау.- Прим. ред.)

Выводы Ли и Янга базировались на данных распада К-мезонов. Решающая информация о так называемых тау- и тета-частицах, указывающая на их идентичность, была получена в 1956 г. Вэлом Фитчем из Принстонского университета. В 1961 г. этот же исследователь открыл нейтральный К-мезон, или, точнее, его античастицу. Эти два микрообъекта отличаются только одним из квантовых чисел - странностью. Согласно теории, получаемый пучок нейтральных К-мезонов должен состоять приблизительно из одинакового числа частиц и античастиц. В то время как имеющие малую продолжительность жизни нейтральные К-мезоны быстро распадаются на два пи-мезона, это, согласно закону сохранения комбинированной четности, не распространяется на их античастицы. Эксперименты такого рода были проведены в 1964 г. в Принстоне Вэлом Фитчем и Джеймсом Кронином. Поначалу экспериментальные данные согласовались с теорией, но затем в 0,2% случаев наблюдался распад более устойчивых античастиц.

Это было катастрофой для теории. Последний принцип симметрии - закон комбинированной четности --оказался нарушенным. Результаты Кронина и Фитча были оглашены в августе 1964 г. на XII Международной конференции по физике высоких энергий, происходившей в Дубне. Впоследствии были обнаружены и другие процессы, где нарушается пространственно-зарядовая симметрия. Стало очевидным, что открыто некое фундаментальное свойство слабых взаимодействий.

В соответствии с современными теориями, объясняющими электромагнитные и слабые взаимодействия обменом фотонами и бозонами, нарушение симметрии обусловлено именно последними (квантами слабого взаимодействия). Такое нарушение не могло получиться в системе из двух пар кварков (ud и sc), и поэтому в 1973 г. Кобаяси и Маскава предположили существование третьей пары кварков (bt). В 1975 г. был открыт тяжелый тау-лептон, состоящий из этой пары кварков, а в 1977 г.- ипсилон-мезон (Y), состоящий из двух связанных b-кварков. Шестой t-кварк открыт летом 1984 г. в ЦЕРН той же группой исследователей, которая обнаружила промежуточные векторные бозоны. Он был замечен при распаде W-частиц.

Современная физика, ставящая своей целью объяснить все многообразие явлений в рамках одной теории, уже нашла взаимосвязь между нарушениями комбинированной четности и эволюцией Вселенной. Астрофизические исследования показывают, что во Вселенной практически нет антивещества. Встречающиеся единичные античастицы, по всей вероятности, имеют вторичное происхождение. Предполагается, однако, что на очень ранних стадиях возникновения Вселенной, когда только образовались частицы, число нуклонов и антинуклонов было почти одинаковым. Из этого "почти" и возник мир, в котором мы живем. Частицы и античастицы аннигилировали, в результате чего возникло излучение - фотоны. Если бы число античастиц и частиц было одинаковым, то во Вселенной сегодня не было бы вещества, а только одни фотоны. К счастью, мир "с самого начала" был слегка асимметричен. В свете подобных представлений приходится признать нарушение комбинированной четности.

Начало таким теоретическим рассуждениям было положено сенсационным открытием Фитча и Кронина в 1964 г. Нобелевский комитет по физике проявил в последние годы замечательную последовательность в своих решениях. В 1978 г. были награждены Арно Аллан Пензиас и Роберт Вудров Вильсон - за открытие реликтового фонового электромагнитного излучения, которое возникло еще в момент рождения Вселенной. В 1979 г. Нобелевская премия по физике была присуждена Вайнбергу, Глэшоу и Саламу за создание объединенной теории слабых и электромагнитных взаимодействий, а в 1980 г. Нобелевскую премию получили Вэл Логсдон Фитч и Джеймс Уотсон Кронин за открытие нарушения комбинированной пространственно-зарядовой симметрии. Эти три открытия, сделанные в различных областях науки,- новые зернышки в мозаике, воссоздающей все более законченную картину мира.

предыдущая главасодержаниеследующая глава




Пользовательского поиска




Физики превратили непроводящий полимер в полупроводник силой звука

Десять невозможных вещей, ставших возможными благодаря современной физике

Физики нашли возможную брешь в Стандартной модели

Ученые объяснили звуки метеоров

Теория эмерджентности: что такое реальность?

Ученые математически доказали недостижимость абсолютного нуля температуры

Четыре крупнейших ошибки в научной жизни Эйнштейна






© Злыгостев Алексей Сергеевич, подборка материалов, оцифровка, статьи, оформление, разработка ПО 2001-2017
При копировании материалов проекта обязательно ставить ссылку на страницу источник:
http://physiclib.ru/ 'PhysicLib.ru: Библиотека по физике'

Рейтинг@Mail.ru