Научный взгляд на устройство вселенной
жүктеу/скачать 8,11 Mb. Pdf көрінісі
|
knocking on
| E = mc
2 . Это уравнение означает, что вы- сокая энергия — E — делает возможным создание более тяжелых частиц с большей массой — m . И эта энергия носит всеобщий ха- рактер, из нее может возникнуть частица любого типа, если только она кинематически возможна (иначе говоря, достаточно легка). Таким образом, высокие энергии, исследованием которых мы занимаемся в настоящее время, — это мостик к меньшим расстояниям и размерам, а возникающие в ходе эксперимента частицы — ключ к пониманию фундаментальных законов при- роды, действующих на этих расстояниях. Любые новые частицы и взаимодействия, проявляющиеся на малых расстояниях, могут стать ключом к пониманию основы так называемой Стандартной модели элементарных частиц — наших нынешних представлений о самых базовых, самых фундаментальных структурных элементах вещества и их взаимодействиях. Теперь давайте рассмотрим не- которые ключевые открытия, связанные со Стандартной моделью, и методы, которые используют сегодня ученые, чтобы еще немно- го продвинуться в этом направлении. ОТКРЫТИЕ ЭЛЕКТРОНОВ И КВАРКОВ Все объекты в атоме — электроны, обращающиеся вокруг ядра, и кварки, удерживаемые глюонами внутри протонов и нейтро- нов — были экспериментально обнаружены учеными при помощи миниатюрных «зондов» с высокими энергиями. Мы уже видели, 134 МАСШТАБИРОВАНИЕ ВЕЩЕСТВА что электроны в атоме привязаны к ядру силой притяжения про- тивоположных электрических зарядов. Благодаря этой силе энер- гия системы в целом — атома — оказывается ниже, чем суммарная энергия отдельных его элементов. Поэтому, для того чтобы выделить и исследовать электроны, кто-то должен передать атому достаточно энергии, чтобы его ионизировать — иначе говоря, освободить элек- троны, оторвав их от ядра. Отдельный электрон для физиков гораздо удобнее: его свойства, такие как заряд и масса, можно исследовать. Открытие ядра — другой составной части атома — было еще более удивительным событием. Эрнест Резерфорд и его сту- денты обнаружили ядро в ходе опытов, аналогичных сегодняшним экспериментам с элементарными частицами. Они обстреливали ядрами гелия (которые тогда называли альфа-частицами, потому что о существовании у атомов ядер еще ничего не было известно) тонкую золотую фольгу. Энергия альфа-частиц оказалась доста- точной, чтобы Резерфорд смог выявить некие структуры внутри ядра. Он обнаружил, что альфа-частицы, которыми они обстрели- вали фольгу, иногда отклонялись на значительно б о льший угол, чем рассчитывали ученые (рис. 20). Они ожидали, что частицы бу- дут равномерно рассеиваться, а вместо этого обнаружили, что не- которые из них отлетают от фольги, будто рикошетят от заключен- ных внутри тяжелых шариков. Сам Резерфорд описывал это так: Отраженная альфа-частица Поток альфа-частиц Золотая фольга Альфа-частица Атомное ядро РИС . 20. В эксперименте Резерфорда альфа-частицы (которые, как нам сегодня известно, представляют собой ядра гелия) рассеи- ваются на золотой фольге. Неожиданно большой угол отражения не- которых альфа-частиц продемонстрировал существование в центре атома концентрированной массы — атомного ядра «ВИДЕТЬ» — ЗНАЧИТ ВЕРИТЬ 135 «Это было самое невероятное событие из всех, с какими я стал- кивался в жизни. Это было почти столь же невероятно, как если бы вы стреляли 15-дюймовым снарядом по листу папиросной бума- ги, а снаряд отскочил бы и попал рикошетом в вас самих. После, как следует поразмыслив, я пришел к выводу, что такое отражение должно быть результатом одного-единственного столкновения; я провел расчеты и убедился, что невозможно получить реакцию такой силы, если не взять систему, в которой бо льшая часть массы атома сконцентрирована в крохотном ядре. Именно тогда у меня появилась мысль об атоме с маленьким массивным центром, не- сущим электрический заряд». При экспериментальном обнаружении кварков внутри прото- нов и нейтронов также использовались методы, во многом анало- гичные методам Резерфорда, но энергии для этого потребовались намного бо льшие, чем были у его альфа-частиц. Требовался уско- ритель частиц. Он должен был придавать электронам — и излуча- емым ими фотонам — достаточно высокие энергии. Первый кольцевой ускоритель элементарных частиц получил название циклотрон, поскольку частицы в нем, ускоряясь, двига- лись по окружности. Первый циклотрон построил в 1932 г. Эрнест Лоуренс в Университете Калифорнии. Это был очень маленький (около 30 см в диаметре) и слабый по современным стандартам циклотрон. Энергии, которые он позволял получать, даже близко не подходили к уровню, необходимому для обнаружения квар- ков. Это знаменательное открытие стало возможным лишь после многочисленных усовершенствований конструкции ускорителей; в ходе которых, кстати говоря, было сделано несколько важных открытий. Задолго до того, как появилась возможность исследовать кварки и внутреннюю структуру атомного ядра, в 1959 г., Эмилио Сегре и Оуэн Чемберлен получили Нобелевскую премию за от- крытие антипротона (в 1955 г. на бэватроне Лаборатории име- ни Лоуренса в Беркли). Бэватрон — ускоритель более сложный, чем циклотрон — уже мог доводить энергию протонов до уровня, соответствующего шестикратной массе покоя; этого более чем до- статочно для создания пар «протон — антипротон». Протонным 136 МАСШТАБИРОВАНИЕ ВЕЩЕСТВА пучком на бэватроне бомбардировали различные мишени и (со- гласно все той же волшебной формуле жүктеу/скачать 8,11 Mb. Достарыңызбен бөлісу:
|