Глава 6. «видеть» – значит верить

 

Ученые смогли определить, из чего состоит вещество, только после того, как появились инструменты, позволившие заглянуть в его глубины. Слово «заглянуть» здесь означает не прямые наблюдения, а методики непрямых исследований, которые используются для зондирования крохотных расстояний, недоступных невооруженному глазу.

Сделать это без труда удается редко. Тем не менее, несмотря на проблемы и интуитивно непонятные результаты, иногда получаемые в ходе экспериментов, окружающая действительность реальна. Законы природы, даже те, что действуют на крохотных расстояниях, порождают измеримые следствия, до которых рано или поздно добираются самые изобретательные исследователи. Наши сегодняшние знания о веществе и его взаимодействиях – это квинтэссенция многих лет наблюдений, озарений, инноваций и теоретических разработок, позволяющих нам непротиворечиво объяснить огромное разнообразие экспериментальных результатов. При помощи непрямых наблюдений, начало которым положил несколько веков назад Галилей, физики выяснили, что скрывает вещество в своих глубинах.

Теперь мы поговорим о современном состоянии физики элементарных частиц, о теоретических прорывах и экспериментальных открытиях, которые привели нашу науку к ее нынешнему состоянию. Конечно, рассказ об этом будет похож скорее на сухой список: мне придется перечислить ингредиенты, входящие в состав вещества, и рассказать, как каждый из них был открыт. Список станет куда интереснее, если не забывать о том, что эти разнообразные ингредиенты на разных масштабах ведут себя очень по–разному. Кресло, в котором вы сидите, в итоге можно разложить на эти элементы, но, для того чтобы разобраться в его подлинной структуре, понадобилась длинная цепочка открытий.

Ричард Фейнман в свое время пошутил, говоря об одной из своих теорий: «Если она вам не нравится, отправляйтесь куда‑нибудь в другое место – может быть, в другую Вселенную, где правила проще…» Возможно, некоторые утверждения или предположения, которые кажутся нам истинными, слишком громоздки и невнятны. Но человеческое нежелание их принимать, не изменит того факта, что природа устроена именно так – сложно и запутанно.

 

МАЛЫЕ ДЛИНЫ ВОЛН

 

Маленькие расстояния кажутся нам непривычными. Мы не можем узнать, что происходит на самых маленьких расстояниях, без специальных крохотных инструментов. Страница (или экран), которую вы сейчас читаете, выглядит совершенно не так, как элементы, из которых состоит ее вещество. Все дело в том, что человеческое зрение по природе своей основано на наблюдении видимого света. Этот свет излучают электроны, находящиеся на орбитах вокруг центров атомов. Как показано на рис. 14, длина волны видимого света не настолько мала, чтобы позволить нам заглянуть внутрь ядра.

Нам нужно быть умнее – или смелее – и определить, что происходит в атоме на крохотных расстояниях, сравнимых с размером ядра. Для этого необходимо излучение с гораздо меньшей длиной волны, чем у видимого света. Поверить в это, пожалуй, нетрудно. Представьте себе воображаемую волну, длина которой равна размеру Вселенной. С чем бы эта волна ни взаимодействовала, информации от этого взаимодействия не хватит, чтобы обнаружить в пространстве хоть что‑нибудь. Если в этой волне не будет более коротких колебаний, у нас не будет возможности определить – одной только гигантской волной никак не обойтись, –что какой‑то определенный объект находится в каком‑то определенном месте. Это как если накрыть кучу вещей мелкой сетью и спросить, где в этой куче находится ваш бумажник. Вы не сможете его отыскать без инструмента с достаточным разрешением, который позволил бы заглянуть внутрь кучи и различить там более мелкие вещи.

Если имеешь дело с волнами, нужно, чтобы их гребни и впадины располагались на правильном расстоянии, примерно соответствующем размеру объекта, который ученые пытаются рассмотреть. Волна в этом смысле подобна сети, размер ячейки которой соответствует длине волны. Если известно только, что в сети что‑то есть, это «что‑то» гарантированно находится в пределах области, по размерам соответствующей размерам сети. Чтобы узнать о положении объекта точнее, потребуется либо сеть с меньшими ячейками, либо другой способ поиска неоднородностей в более мелком масштабе.

Квантовая механика говорит нам, что по характеристикам волны можно судить о вероятности обнаружения частицы в конкретной точке пространства. Волны, о которых идет речь, могут быть обычными световыми волнами, а могут оказаться теми, которые несет в себе каждая отдельная частица. Длина такой волны говорит нам о том, на какое минимальное разрешение мы можем рассчитывать, если будем зондировать малые расстояния с помощью частицы или излучения.

Квантовая механика также утверждает, что короткие волны требуют высоких энергий. Дело в том, что с энергией связана частота, и волны самой высокой частоты – с самой короткой, соответственно, длиной – несут в себе максимальную энергию. Таким образом, квантовая механика связывает высокие энергии и малые расстояния и подсказывает нам, что только эксперименты, оперирующие высокими энергиями, могут помочь ученым проникнуть в тайны внутреннего устройства вещества. Именно по этой принципиальной причине для зондирования самой сердцевины вещества и его фундаментального строения нам необходимы устройства, способные разгонять частицы до высоких энергий.

О том, что высокие энергии позволяют исследовать крохотные расстояния и взаимодействия на этих расстояниях, говорят и квантово–механические волновые соотношения. Чем меньшие расстояния мы хотим рассмотреть, тем более высокие энергии – и, следовательно, более короткие волны – нам потребуются. Квантово–механический принцип неопределенности, утверждающий, что малые расстояния связаны с большими импульсами, получает дополнение в лице специальной теории относительности, которая устанавливает связь между энергией, массой и импульсом и делает эту связь более отчетливой.

Ко всему прочему, Эйнштейн научил нас, что энергия и масса взаимозаменяемы и могут превращаться друг в друга. Так, при столкновении частиц их масса может обернуться энергией, поэтому чем выше энергия, тем более тяжелые материальные частицы могут быть получены, так как Е = mc ² . Это уравнение означает, что высокая энергия – Е – делает возможным создание более тяжелых частиц с большей массой – т. И эта энергия носит всеобщий характер, 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 природы, 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 некоторые ключевые открытия, связанные со Стандартной моделью, и методы, которые используют сегодня ученые, чтобы еще немного продвинуться в этом направлении.

 

ОТКРЫТИЕ ЭЛЕКТРОНОВ И КВАРКОВ

 

Все объекты в атоме – электроны, обращающиеся вокруг ядра, и кварки, удерживаемые глюонами внутри протонов и нейтронов – были экспериментально обнаружены учеными при помощи Миниатюрных «зондов» с высокими энергиями. Мы уже видели, что электроны в атоме привязаны к ядру силой притяжения противоположных электрических зарядов. Благодаря этой силе энергия 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 электроны, 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 студенты 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 достаточной, чтобы Резерфорд смог выявить некие структуры внутри ядра. Он обнаружил, что альфа–частицы, которыми они обстреливали фольгу, иногда отклонялись на значительно больший угол, чем рассчитывали ученые (рис. 20). Они ожидали, что частицы будут равномерно рассеиваться, а вместо этого обнаружили, что некоторые из них отлетают от фольги, будто рикошетят от заключенных внутри тяжелых шариков. Сам Резерфорд описывал это так:

 

 

«Это было самое невероятное событие из всех, с какими я сталкивался в жизни. Это было почти столь же невероятно, как если бы вы стреляли 15–дюймовым снарядом по листу папиросной бумаги, 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 большая часть массы атома сконцентрирована в крохотном ядре. Именно тогда у меня появилась мысль об атоме с маленьким массивным центром, несущим электрический заряд».

При экспериментальном обнаружении кварков внутри протонов и нейтронов также использовались методы, во многом аналогичные методам Резерфорда, но энергии для этого потребовались намного большие, чем были у его альфа–частиц. Требовался ускоритель частиц. Он должен был придавать электронам – и излучаемым ими фотонам – достаточно высокие энергии.

Первый кольцевой ускоритель элементарных частиц получил название циклотрон, поскольку частицы в нем, ускоряясь, двигались 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 кварков. 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 открытие антипротона (в 1955 г. на бэватроне Лаборатории имени Лоуренса в Беркли). Бэватрон – ускоритель более сложный, чем циклотрон – уже мог доводить энергию протонов до уровня, соответствующего шестикратной массе покоя; этого более чем достаточно для создания пар «протон – антипротон». Протонным пучком на бэватроне бомбардировали различные мишени и (согласно все той же волшебной формуле Е = mc ² ) получили невиданные прежде разновидности вещества, в том числе антипротоны и антинейтроны.

Вообще, антивещество играет в физике элементарных частиц очень существенную роль, поэтому давайте отвлечемся ненадолго и поговорим об этом замечательном явлении – своеобразном двойнике того вещества, которое мы наблюдаем вокруг. Поскольку заряд любой частицы и соответствующей ей античастицы в сумме дает нуль, вещество при встрече с антивеществом может аннигилировать, то есть взаимно уничтожаться. К примеру, антипротон – одна из форм антивещества – может сливаться с протоном с образованием чистой энергии согласно формуле Эйнштейна Е = mc ² .

Британский физик Поль Дирак «открыл» антивещество математически в 1927 г. при попытке отыскать уравнение, которое описывало бы электрон. Единственное уравнение, соответствующее всем известным принципам симметрии, которое ему удалось записать, подразумевало существование частицы с той же массой, что у электрона, но с противоположным зарядом, – частицы, которой до того момента никто никогда не видел.

Дирак в конце концов капитулировал перед уравнением и признал, что эта загадочная частица должна существовать. Американский физик Карл Андерсон открыл позитрон в 1932 г., подтвердив тем самым утверждение Дирака, который сказал как‑то, что «уравнение оказалось умнее меня». Антипротоны – частицы гораздо более тяжелые – были открыты на 20 с лишним лет позже.

Открытие антипротона было важно еще и потому (помимо доказательства существования самой частицы), что наглядно продемонстрировало симметрию вещества и антивещества в природе, 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 антивещества необходима асимметрия, однако пока нам неизвестно, каким образом она возникла.

 

ОТКРЫТИЕ КВАРКОВ

 

С 1967 по 1973 г. Джером Фридман, Генри Кендалл и Ричард Тейлор провели серию экспериментов, которые помогли установить существование кварков внутри протонов и нейтронов. Эксперименты проводились на линейном ускорителе, который, в отличие от прежних бэватронов и циклотронов, ускорял электроны на прямой траектории. Лаборатория в Пало–Альто получила название Стэнфордский линейный ускоритель, или сокращенно SLAC. Электроны, разогнанные на SLAC, начинали излучать фотоны. Эти энергичные – а значит, коротковолновые – фотоны взаимодействовали с кварками внутри атомных ядер. Фридман, Кендалл 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 наличии структуры частота тоже падала, но значительно медленнее. Как и в опыте Резерфорда, приведшем много лет назад к открытию атомного ядра, налетающие частицы (в данном случае фотоны) рассеивались иначе, чем это происходило бы, если бы протон представлял собой просто шарик без внутренней структуры.

Тем не менее даже в экспериментах, проводившихся на необходимом энергетическом уровне, распознать и классифицировать кварки оказалось непросто. Для этого и технологии, и теория должны были достичь такой стадии развития, на которой экспериментальные движения частиц можно было предсказать и понять. Глубокие эксперименты и теоретический анализ, проведенный физиками–теоретиками Джеймсом Бьеркеном и Ричардом Фейнманом, 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 Нобелевской премии.

Никто не мог надеяться на то, что кварки и их свойства можно будет увидеть собственными глазами. В этой области реально применимы только непрямые методы исследований. Тем не менее измерения подтвердили существование кварков. То, что предсказания 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 становились 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 модель – ее элементы обнаруживались один за другим.