Научный взгляд на устройство вселенной
жүктеу/скачать 8,11 Mb. Pdf көрінісі
|
knocking on
| E
= mc 2 ) получили невидан- ные прежде разновидности вещества, в том числе антипротоны и антинейтроны. Вообще, антивещество играет в физике элементарных частиц очень существенную роль, поэтому давайте отвлечемся ненадол- го и поговорим об этом замечательном явлении — своеобраз- ном двойнике того вещества, которое мы наблюдаем вокруг. По- скольку заряд любой частицы и соответствующей ей античастицы в сумме дает нуль, вещество при встрече с антивеществом мо- жет аннигилировать, то есть взаимно уничтожаться. К примеру, антипротон — одна из форм антивещества — может сливаться с протоном с образованием чистой энергии согласно формуле Эйнштейна E = mc 2 . Британский физик Поль Дирак «открыл» антивещество ма- тематически в 1927 г. при попытке отыскать уравнение, которое описывало бы электрон. Единственное уравнение, соответствую- щее всем известным принципам симметрии, которое ему удалось записать, подразумевало существование частицы с той же массой, что у электрона, но с противоположным зарядом, — частицы, ко- торой до того момента никто никогда не видел. Дирак в конце концов капитулировал перед уравнением и при- знал, что эта загадочная частица должна существовать. Американ- ский физик Карл Андерсон открыл позитрон в 1932 г., подтвердив тем самым утверждение Дирака, который сказал как-то, что «урав- нение оказалось умнее меня». Антипротоны — частицы гораздо более тяжелые — были открыты на 20 с лишним лет позже. Открытие антипротона было важно еще и потому (помимо до- казательства существования самой частицы), что наглядно про- демонстрировало симметрию вещества и антивещества в при- роде, которая играет в физическом устройстве нашей Вселенной принципиальную роль. Однако мир наш состоит из вещества, а не из антивещества, и большая часть массы обычного вещества заключена в протонах и нейтронах, а не в соответствующих им античастицах. Для существования нашего человеческого мира — такого, каким мы его знаем, — в количестве вещества и антивеще- «ВИДЕТЬ» — ЗНАЧИТ ВЕРИТЬ 137 ства необходима асимметрия , однако пока нам неизвестно, каким образом она возникла. ОТКРЫТИЕ КВАРКОВ С 1967 по 1973 г. Джером Фридман, Генри Кендалл и Ричард Тей- лор провели серию экспериментов, которые помогли установить существование кварков внутри протонов и нейтронов. Экспери- менты проводились на линейном ускорителе, который, в отли- чие от прежних бэватронов и циклотронов, ускорял электроны на прямой траектории. Лаборатория в Пало-Альто получила назва- ние Стэнфордский линейный ускоритель, или сокращенно SLAC. Электроны, разогнанные на SLAC, начинали излучать фотоны. Эти энергичные — а значит, коротковолновые — фотоны взаи- модействовали с кварками внутри атомных ядер. Фридман, Кен- далл и Тейлор измерили, как меняется частота взаимодействий с ростом энергии столкновения. Если бы у частиц в атомном ядре не было внутренней структуры, эта частота падала бы. При нали- чии структуры частота тоже падала, но значительно медленнее. Как и в опыте Резерфорда, приведшем много лет назад к откры- тию атомного ядра, налетающие частицы (в данном случае фото- ны) рассеивались иначе, чем это происходило бы, если бы протон представлял собой просто шарик без внутренней структуры. Тем не менее даже в экспериментах, проводившихся на не- обходимом энергетическом уровне, распознать и классифициро- вать кварки оказалось непросто. Для этого и технологии, и теория должны были достичь такой стадии развития, на которой экспери- ментальные движения частиц можно было предсказать и понять. Глубокие эксперименты и теоретический анализ, проведенный физиками-теоретиками Джеймсом Бьеркеном и Ричардом Фейн- маном, показали, что частота взаимодействий хорошо согласуется с предположением о существовании внутри атомного ядра некой структуры; таким образом было доказано наличие внутренних элементов протонов и нейтронов, то есть кварков. В 1990 г. за это открытие Фридман, Кендалл и Тейлор были удостоены Нобелев- ской премии. 138 МАСШТАБИРОВАНИЕ ВЕЩЕСТВА Никто не мог надеяться на то, что кварки и их свойства мож- но будет увидеть собственными глазами. В этой области реально применимы только непрямые методы исследований. Тем не менее измерения подтвердили существование кварков. То, что предска- зания и измеряемые характеристики хорошо согласуются между собой, а также вполне наглядная гипотеза о кварках говорили в пользу их существования. Со временем физикам и инженерам удалось создать новые, усовершенствованные типы ускорителей, способные разгонять частицы до все более высоких энергий. Чем совершеннее станови- лись ускорители, тем более высокоэнергетические частицы можно было использовать для зондирования структуры вещества — и, соответственно, тем меньшие расстояния исследовать. Открытия, сделанные в этот период, помогли разработать Стандартную мо- дель — ее элементы обнаруживались один за другим. ЭКСПЕРИМЕНТЫ С НЕПОДВИЖНОЙ МИШЕНЬЮ ИЛИ КОЛЛАЙДЕРЫ? Эксперименты, аналогичные тем, благодаря которым были от- крыты кварки, где пучок ускоренных электронов направляется на закрепленный образец вещества, называются экспериментами с неподвижной мишенью . В них один пучок ускоренных электро- нов направляется на вещество, которое играет роль своеобразной неподвижной мишени. В современных ускорителях, работающих со сверхвысокими энергиями, все иначе. В них происходят столкновения двух по- токов частиц, причем оба потока предварительно разгоняются до высоких энергий (рис. 21). Несложно догадаться, что пучки при этом должны быть точно сфокусированы и направлены в одну и ту же крошечную область — только так можно обеспечить ка- кие бы то ни было столкновения. Это значительно уменьшает число получаемых столкновений, поскольку вероятность того, что частица в пучке взаимодействует с чем-нибудь во фрагменте вещества, намного больше вероятности ее взаимодействия с ча- стицей во встречном пучке. |