Научный взгляд на устройство вселенной
Более полное изображение протона
жүктеу/скачать 8,11 Mb. Pdf көрінісі
|
knocking on
| Более полное изображение протона
D C C – U U U – D – S – G G G G G G G G G D U S Протон РИС . 18. Большой адронный коллайдер сталкивает высокоэнерге- тические протоны между собой; каждый из протонов содержит три валентных кварка и множество виртуальных кварков и глюонов, ко- торые тоже могут принимать участие в столкновениях Однако в настоящее время БАК исследует энергии, более чем в 1000 раз превосходящие, — и соответственно расстояния, в 1000 с лишним раз меньшие, — чем энергии и расстояния, свя- занные с массой протона. БАК сталкивает между собой два про- тонных пучка, которые предварительно разгоняет до чрезвычайно высоких энергий — более высоких, чем все, что когда-либо имело место на Земле. Протонные пучки, о которых идет речь, состоят из нескольких тысяч сгустков по 100 млрд тщательно выровнен- ных, или коллимированных, протонов, собранных в крохотные субстанции, циркулирующие по подземному туннелю. Вокруг кольца расположены 1232 сверхпроводящих магнита, назначе- ние которых — удерживать протоны внутри трубы, пока электри- ческие поля разгоняют их до высоких энергий. Другие магниты (392 штуки) переориентируют лучи таким образом, что два луча, вместо того чтобы лететь рядом, сталкиваются. Затем — здесь-то все и происходит — магниты проводят два протонных луча по кольцу так точно, что они сталкиваются в об- ласти, меньшей по размеру, чем толщина человеческого волоса. При столкновении некоторая часть энергии ускоренных протонов 122 МАСШТАБИРОВАНИЕ ВЕЩЕСТВА превращается в массу, как гласит знаменитая формула Эйнштейна E = mc 2 . И при этих столкновениях высвобождается столько энер- гии, что могут родиться новые невиданные элементарные части- цы, более тяжелые, чем все, что нам удавалось получить прежде. При встрече протонов кварки и глюоны иногда сталкиваются на высоких энергиях в очень ограниченном пространстве — при- мерно как если бы сталкивались между собой набитые камешками воздушные шарики. БАК сообщает частицам столь высокую энер- гию, что в случае удачи друг с другом сталкиваются отдельные компоненты встречных протонов. В их числе, разумеется, те самые два верхних и один нижний кварки, которые обеспечивают за- ряд протона. При этом заметная часть энергии протона достается и виртуальным частицам. Поэтому в БАКе в столкновении участву- ют не только три кварка, отвечающие за заряд, но и виртуальное «море» частиц. Во время этого процесса — и именно здесь кроется ключ ко всей физике элементарных частиц — количество и типы частиц могут измениться. Полученные на БАКе результаты должны многое рас- сказать нам о самых маленьких расстояниях и размерах. Помимо информации о возможных субструктурах, они должны раскрыть перед нами новые аспекты физических процессов, существенные на этих расстояниях. Энергии, достигаемые на БАКе, представ- ляют собой последний, по крайней мере в обозримом будущем, экспериментальный рубеж в мире сверхмалых масштабов. ТЕХНОЛОГИИ. ЧТО ДАЛЬШЕ? Мы закончили вводное путешествие в мир малых расстояний, доступных человеку при нынешнем уровне развития техноло- гий. Однако границы исследовательских возможностей человека не могут ограничивать природу реальности. Пусть сегодня кажет- ся, что нам трудно придумать и изготовить технические средства, позволяющие напрямую исследовать еще более мелкие размеры и расстояния, мы все же можем попытаться сделать некоторые выводы о структуре и взаимодействиях на них при помощи мате- матических аргументов. ВОЛШЕБНАЯ ЭКСКУРСИЯ В ГЛУБЬ МАТЕРИИ 123 Мы признаем, что без экспериментальных данных невозмож- но точно определить, что существует на тех невообразимо малых масштабах, в которых нам тоже очень хотелось бы разобраться. Тем не менее даже в отсутствие измерений у нас остаются теоре- тические рассуждения, способные направить наши усилия и под- крепить догадки о том, как вещество и силы природы могут вести себя на еще более мелких масштабах. Мы можем поискать на до- ступных нам масштабах новые возможности — средства и спосо- бы, которые помогли бы объяснить и соотнести между собой на- блюдаемые явления, даже если их фундаментальные компоненты недоступны для непосредственных наблюдений. Мы пока еще не знаем, какие из наших теоретических постро- ений окажутся верными. Но даже без непосредственного экспери- ментального доступа к самым маленьким расстояниям можно ска- зать точно: то, что нам удалось наблюдать, серьезно ограничивает спектр явлений, которые в принципе могут быть обнаружены — ведь именно фундаментальная теория в итоге должна объяснить все, что мы видим. А значит, экспериментальные результаты даже на более крупных расстояниях ограничивают спектр возможно- стей и заставляют нас рассуждать в определенных, достаточно конкретных направлениях. Кое-кто даже предполагает, что между энергиями БАКа и еще более высокими энергиями, действующими на еще более малень- ких расстояниях, существует пустыня, то есть некий промежу- ток, практически лишенный значимых расстояний или энергий. Вероятно, подобные теории возникают от недостатка вообра- жения или данных. Но многие ученые считают, что следующие по-настоящему интересные открытия на сверхмалых масштабах должны быть связаны с унификацией всех физических взаимодей- ствий на малых расстояниях. Эта концепция способна распалить воображение как ученых, так и обычных людей. Согласно такому сценарию мир, который мы видим вокруг, пока не раскрывает нам фундаментальную, очень красивую и простую теорию, лежащую в основе всего на свете, ко- торая охватывает все известные физические взаимодействия (или, по крайней мере, все взаимодействия, кроме гравитации). С того 124 МАСШТАБИРОВАНИЕ ВЕЩЕСТВА самого момента, когда ученые впервые поняли, что сил в природе больше, чем одна, множество физиков посвятило свою жизнь по- иску единой теории. Одно из самых интересных рассуждений на эту тему предста- вили Говард Джорджи и Шелдон Глэшоу в 1974 г. Они предполо- жили, что, хотя мы наблюдаем при низких энергиях три негра- витационных взаимодействия, в которых фигурируют различные силы (электромагнитные, а также слабые и сильные ядерные), при гораздо более высоких энергиях останется лишь одно вза- имодействие, одна сила (рис. 19)*. Эта сила охватывает все три известных типа взаимодействия (сильное, слабое и электромаг- нитное). Данное теоретическое построение получило название теории великого объединения (GUT — Grand Unifi ed Theory). жүктеу/скачать 8,11 Mb. Достарыңызбен бөлісу:
|