Глава 3. О современной физике
страница №3
...осколка да еще два или три нейтрона. Поэтому если в кусок урана-235, состоящий из миллиардов миллиардов атомов, попадет первичный нейтрон, который вызовет деление ядра урана и появление других нейтронов, то в свою очередь эти новые нейтроны тоже вызовут реакции деления и рождение дополнительных нейтронов. Каждое деление происходит за очень короткое время (меньше одной миллионной секунды). Таким образом, теоретически должно было бы произойти деление всех атомов урана и рождение огромного количества нейтронов. Каждое деление освобождает большое количество энергии: тысячная часть всей массы превращается в энергию согласно формуле E = mc2, так что при делении 1 кг урана высвободилось бы энергии около 25 млн. кВтч.Если бы действительно за короткое время произошло деление всех ядер, то мы имели бы взрыв атомной бомбы. В реакторе же дела идут иначе. Прежде всего природный уран представляет собой смесь, содержащую преимущественно уран-238, который не делится, и меньше 1% урана-235. Вот почему большинство нейтронов в конце концов поглощается неделящимися ядрами, и цепная реакция не возникает, если для этого не приняты специальные меры: урановые стержни в реакторе окружают так называемым замедлителем (обычной или, лучше, "тяжелой" водой, графитом или бериллием) для замедления вылетающих нейтронов, чтобы они с большей эффективностью вызывали деление. При таком устройстве реактор управляем; если начинается его перегрев, то в него вставляются стержни из материала (например, кадмия), сильно поглощающего нейтроны, что приводит к прекращению реакции.
Мезоны Юкавы
Но вернемся к ядерным силам. Используя представления только о нуклонах, электронах и фотонах, можно (в принципе) дать органичное описание всех химических свойств вещества и начать изучение ядер в правильном направлении. Теория поля, являющаяся, без преувеличения, одной из самых трудных научных дисциплин и краеугольным камнем современной физики, объясняет электрические силы, сводя их к обмену фотонами между заряженными частицами, т.е. не существует действия на расстоянии (которое, кстати, противоречило бы теории относительности), а электрические силы передаются квантами света, играющими роль клея для электрических зарядов.
С помощью дерзкой аналогии японец Юкава постулировал существование тогда еще не найденных частиц, π-мезонов, или пионов, которые должны были "склеивать" нуклоны, играя роль ядерных сил. В послевоенное время пионы, наконец, были обнаружены и детально изучены на ускорителях нового поколения. Существуют пионы положительные, нейтральные и отрицательные, они образуют семейство (триплет) частиц, которые, если не считать заряда, почти тождественны; это семейство добавляется к семейству нуклонов (дублету), имеющему похожие свойства. Успех, пришедший с открытием пионов, побудил физиков заняться постройкой все более мощных ускорителей. Вначале они просто раздвигали мешавшие стены старых зданий, а потом дошли до проектирования таких ускорителей, как комплекс ЛЭП в ЦЕРНе, имеющий в окружности 30 км. За развитием ускорителей последовали открытия новых частиц; теперь уже вновь обнаруженная частица ни у кого не вызовет удивления, если, конечно, не будет наделена какими-то особо привлекательными свойствами.
Частицы и античастицы
Почти все эти частицы чрезвычайно нестабильны, за исключением, например, электрона, протона и фотона. Некоторые частицы распадаются за времена, очень большие по сравнению с атомными; так, время жизни свободного нейтрона больше четверти часа. Что же мы узнали, изучая эти частицы? Кроме всего прочего, была подтверждена теория Дирака, согласно которой всякая частица имеет свою античастицу с совпадающими и одновременно "противоположными" свойствами. Так, антипротон имеет массу и характеристики движения такие же, как у протона, но противоположный заряд. Антиэлектрон (называемый позитроном) положителен и вместе с антипротоном может образовать атом антиводорода. Наконец, фотон сам является своей античастицей, так же как и нейтральный пион. Можно вообразить целые галактики, состоящие из антивещества. Отличить их от нормальных галактик можно было бы, выполнив очень тонкие наблюдения, находящиеся пока за пределами экспериментальных возможностей наших астрофизиков. Развитая на основе представления о существовании позитрона квантовая электродинамика с исключительной точностью объясняет множество эффектов, имеющих важное философское значение и обнаруженных при излучении света атомами.
6. Элементарные частицы
Рассмотрим теперь более подробно основные свойства так называемых "элементарных" частиц. Изучение этих свойств представляет, кроме всего, и заметный методический интерес, поскольку приводит к обсуждению самого процесса исследования исходных составляющих вещества.
Семейства частиц
Сколько элементарных частиц обнаружено до сих пор? Если судить по толщине кратких справочников, где описаны их свойства и которые имеют хождение среди физиков, то несколько сотен. Многие из этих частиц собраны в семейства, похожие на семейства нуклонов или пионов. Эти семейства играют роль, сравнимую с ролью периодической системы Менделеева, столь полезной в химии. Но именно такое сходство и наталкивает на мысль, что мы занимаемся классификацией объектов, похожих на атомы, а вовсе не элементарных. Так или иначе, но уже снова начались поиски действительно элементарных составляющих вещества. К 1963г. выяснилось, что частицы следует объединять в более обширные семейства. Так, например, нуклоны вместе с Λ-частицей и с частицами и должны были образовать сверхсемейство из восьми членов (октет); таким же образом пионы вошли в другой октет и т.д.
Древнегреческие философы приписывали атомам исключительно правильные и симметричные формы. Хотя реальные атомы весьма далеки от этого, мысль о том, что в физике понятие симметрии должно играть важную роль, осталась. Классификация частиц по семействам как раз и отражает существование какой-то симметрии в природе; рассмотрим ее.
SU-3-симметрия
Гейзенберг считал протон и нейтрон двумя состояниями одной и той же частицы - нуклона. Нуклон может перемещаться в пространстве, вращаться вокруг собственной оси, подобно волчку ("спин"), а также принимать два различных образа - быть либо нейтроном, либо протоном. Подобные рассуждения применимы и к трем пионам. Согласно такой точке зрения, переход между протоном и нейтроном происходит в другом, особом, пространстве, для построения которого необходимо ввести дополнительную степень свободы и не ньютоновские измерения.
Прерывистый характер таких переходов обусловлен принципами квантовой механики и тесно связан с идеей квантования орбит, о которой мы уже говорили. Новое пространство, в котором перемещаются нуклоны и пионы, кроме того, что в нем возникают другие семейства частиц, примечательно еще и высокой степенью симметрии (самую простую аналогию мы получим, вообразив круг или сферу). Из этой симметрии следует прежде всего, что частицы, входящие в одно семейство, имеют почти одинаковые свойства, если не считать электрического заряда. Наличие сверх семейств (как говорят физики, мультиплетов SU-3) означает, что у частиц имеются дополнительные степени свободы, или возможности изменения состояния. Существует математическое понятие группы, на котором мы не будем здесь останавливаться. С помощью этого понятия и производится систематизация всех возможных и воображаемых симметрий. Теория групп вошла в теоретическую физику еще в 30-е годы, и ее триумфальное шествие продолжается по сей день. На ее основе можно предсказать детали строения и внутренние иерархии всех семейств группы SU-3; в действительности эти предсказания можно распространить на любую симметрию, включая те, которые еще предстоит открыть.
Кварки
Так было предсказано существование сверхсемейств, состоящих из десяти членов; в одном из них сначала отсутствовал десятый член-частица Ω-, впоследствии открытая на ускорителях. Что еще более удивительно, теория предсказала существование семейства всего из трех частиц, ни одна из которых не была еще обнаружена в природе. Эти гипотетические частицы окрестили "кварками" (слово заимствовано из романа Джойса "Поминки по Финнегану"; "кварк" по-немецки означает также "творог"). Если кварки существуют, то они должны иметь еще не встречавшийся ни у одной частицы дробный электрический заряд, кратный одной трети заряда электрона. По этой причине и из-за их упорного нежелания показаться на ускорителях многие физики ставили под сомнение само их существование. С другой стороны, оказывается очень удобным считать нуклоны, пионы и почти все известные частицы состоящими из кварков. Нуклон, например, состоял бы тогда из трех кварков, а пион - из кварка и антикварка.
Совсем недавно были открыты частицы, для объяснения существования которых требуется введение четвертого и даже пятого кварка. Каждый кварк обладает набором свойств, который получил название "аромат" (ilavour по-английски).
Первая пара кварков, объясняющая строение нуклонов и пионов, известна как u- и d-кварки (up - "вверх" и down - "вниз"). Очарованный и странный (от англ. charm и strangeness) кварки дают начало другим частицам; наконец b - (от слов bottom - "дно" или beauty - "красота") и t (от top - "вершина" или truth - "истина") кварки должны объяснять или предсказывать новые семейства частиц. Кварк t еще не обнаружен, но существует мнение, что он будет открыт в недалеком будущем. Как мы видим, кварки объединены в пары (поколения).
Семейства 1963г. образованы кварками u, d и s; открытие кварков b и t привело к появлению сложных классификационных схем, которые могли бы составить конкуренцию структурным формулам органической химии. По причинам, на которых у нас нет возможности останавливаться, каждый кварк существует в трех состояниях (каждому из которых присвоили свой "цвет": желтый, красный, синий - как цвета испанского флага). Итак, должно быть восемнадцать кварков, отмеченных "цветом" и "ароматом". Некоторые физики считают это число слишком большим и хотели бы разложить кварки на более простые или элементарные составные части.
Глюоны
Что же связывает кварки друг с другом? Для этой цели были придуманы глюоны (glue по-английски означает клей) и создана теория, похожая на квантовую электродинамику и названная квантовой хромодинамикой. Эта теория рассматривает сложный пространственно-временной пинг-понг, отражающий передачу посредством глюонов огромных сил, связывающих отдельные кварки. Такие теории пока еще очень далеки от строгих выводов, подобных тем, какие дает квантовая электродинамика, и, хотя они объясняют качественно многие результаты сами являются объектом горячих споров.
Один из наиболее заметных успехов теории связан с экспериментами на ускорителе "ПЕТРА" (PETRA) в Гамбурге. Согласно выводам квантовой хромодинамики, мы не видим свободных кварков, потому что силы взаимодействия между ними, передаваемые глюонами, не убывают с увеличением расстояния. По сути, кварки всегда связаны атомной "пружиной", которая удерживает их с силой в несколько тонн. В Гамбурге наблюдали столкновения электронов и позитронов очень высоких энергий. Их общая энергия в таком столкновении может материализоваться (согласно формуле E = mc2), превращаясь в пары частиц кварк-антикварк, которые резко расходятся, растягивая "атомную пружину". В конечном итоге множество возникающих при этом частиц разлетается в виде двух струй, ориентированных вдоль "пружины". Временами рождается глюон, который дает начало третьей струе.
Еще одно важное подтверждение существования кварков основано на наблюдаемом распределении заряда внутри нуклонов, которые, судя по всему, состоят из "кусков" с электрическими зарядами, равными дробному заряду - заряду кварка.
Критика понятия элементарности
Полностью ли мы уверены в этих результатах? Попытки во что бы то ни стало найти элементарное всегда сводились к сменявшимся успехам и разочарованиям, которые наслаивались друг на друга, как серия китайских резных шаров. От атомов мы перешли к ядрам, от ядер к нуклонам, от них к кваркам; уже есть предложения заняться поисками "ришонов" ("ришон" на языке идиш означает "первый"), т.е. первичных составляющих вещества. Такие занятия Гейзенберг подверг критике, подхваченной затем Фейнманом. Когда электрон присоединяется к протону, освобождается энергия, соответствующая превращению некоторой массы согласно формуле E = mc2. Этой массы должно не хватать в атоме, который будет "весить" немного меньше, чем его составные части. Пропадает, конечно, ничтожная масса, меньше миллиардной части полной. А вот при образовании ядра уже исчезает одна тысячная часть массы; в случае ядер в отличие от фанерных самолетов вычитается масса клея. В некоторых моделях Ферми пион представлялся как связанное состояние протона и антипротона, каждый из которых имеет массу, в пять раз большую, чем пион; следовательно, "клей" уносит в этом случае 90% всей массы.
Итак, составные части оказываются заметно больше целого. Нельзя и дальше судить о степени элементарности какого-либо объекта на основании его величины; так, масса кварков может оказаться намного больше массы пионов. Это означает также, что процесс дальнейшего проникновения в глубь элементарных частиц может оказаться бесконечным, и, удивляясь, мы будем открывать новые, все более тяжелые, но вовсе не более простые объекты с "клеем" чрезвычайно большой массы.
Квантовая механика усугубляет эти трудности любопытным образом. Соединяясь друг с другом, две частицы вынужденно оказываются в квантованных состояниях; при этом, как в атоме водорода, допустимы только определенные орбиты. Здесь применить критерий элементарности труднее: если бы мы наблюдали непрерывную последовательность орбит, постепенно исчезающих одна внутри другой, то могли бы утверждать, что имеем дело с объектом сложным, но такая возможность закрыта наличием квантов. По этой причине получила распространение идея, согласно которой все частицы состоят друг из друга, и ни одна из них не является элементарной. Другие теории представляют частицы в виде колебательных состояний какого-то сверх поля, являющегося единственной реальностью. Согласно этим теориям, сами понятия элементарности и составного состояния неадекватны и несовершенны. Среди не доведенных до конца попыток создания такой теории следует отметить теорию Гейзенберга, не лишенную в высшей степени оригинальных идей.
Слабые взаимодействия
Мир построен не только из кварков. Это с очевидностью следует из того факта, что электрон и его нейтральный товарищ нейтрино (частица, которую очень трудно обнаружить) не состоят из кварков.
Эти частицы входят в семейство "лептонов", состоящее из трех поколений, как кварки, но лишенных цвета. Кроме поколения электрон - нейтрино, еще обнаружены поколения мюон - нейтрино и τ-мезон - τ-нейтрино. Существуют так называемые слабые взаимодействия, связывающие пары поколений как кварков, так и лептонов. Мы напомним здесь о взаимодействии, ответственном за β-распад ядер, в котором нейтрон превращается в протон, электрон и нейтрино. Согласно теории Салама и Вайнберга-Глэшоу при сверхвысоких энергиях слабые взаимодействия не являются более таковыми и должны объединиться с электромагнитными силами; рождающаяся при этом симметрия обладает ослепительной красотой.
Нарушение симметрий
Итак, природа скрывает часть своего великолепия и заставляет нас строить мощные ускорители, чтобы увидеть лишь эфемерную искорку. Но, как говорил Эйнштейн, "Бог остроумен, но не зол". Эйнштейн был прав: без явного нарушения симметрии, наблюдаемого при низких энергиях, мы не существовали бы, и вещество не принимало бы знакомые нам формы.
Как же на практике получается, что симметрия Вселенной скрыта от нас? Вообразим обыкновенный круглый таз, в котором находится бильярдный шар. Шар, помещенный в середине таза и предоставленный самому себе, скорее всего, скатится к стенке таза, туда, где дно ниже всего. Так что хоть сам таз обладает идеальной цилиндрической симметрией, но в целом общая конфигурация с шаром вне середины вовсе не симметрична. Мы привели пример в библейском стиле, где под тазом нужно понимать природу вообще: даже если она подчиняется в высшей степени симметричным законам, это вовсе не значит, что она должна обязательно оказаться в симметричной конфигурации. Однако если шар толкнуть как следует, то он начнет двигаться по всему тазу и почувствует его цилиндрическую форму. Такой толчок напоминает резкие столкновения, испытываемые частицами на наших ускорителях; на очень короткий промежуток времени вещество вновь обретает свою симметрию, и узнать об этом можно, выполняя серию очень тонких экспериментов.
Значение сил разных типов
Какое значение для человека имеют упомянутые взаимодействия? Как ни странно, все они важны, и это проявляется вполне определенным образом. Гравитационные силы соединяют звезды и планеты; без этих сил вещество в космосе приняло бы неопределенную форму аморфной пыли, линейной структуры, а в звездах не начались бы термоядерные реакции, в которых происходил синтез углерода, необходимого для нашего существования. Электромагнитные силы, как уже было сказано, связывают атомы и делают возможными химические реакции. Сильные взаимодействия обеспечивают связь ядер и вообще ответственны за современное устройство мира элементарных частиц. И слабые силы имеют свое предназначение: в термоядерных реакциях, протекающих в недрах Солнца, происходит непрерывное превращение протонов в нейтроны посредством обратного β-распада, о котором мы уже говорили. Изменение, пусть даже самое незначительное, скорости протекания этой реакции оказало бы серьезное воздействие на светимость Солнца, а значит, и на климат на Земле.
Нарушение симметрии относительно инверсии времени
Наконец, в некоторых процессах, судя по всему, наблюдаются взаимодействия, проявляющиеся при так называемом нарушении СР-симметрии (от английских слов charge - заряд и parity - четность). В теории поля существует фундаментальный принцип, известный как "СРТ-теорема", согласно которому каждому возможному процессу в природе соответствует другой, где частицы наделены зарядами и координатами противоположного знака, а ход времени изменен на обратный. Нарушение симметрии относительно операции зарядового сопряжения и инверсии пространственных координат означает, следовательно, нарушение симметрии относительно обращения хода времени. Если бы мы прокрутили фильм о Солнечной системе в обратном направлении, то увидели бы планеты, движущиеся по несуществующим, хотя и вполне возможным орбитам: законы Ньютона остаются неизменными при обращении хода времени. Еще недавно физикам казалось, что симметрия относительно обращения времени должна сохраняться также и в микрокосме элементарных частиц.
Процессы, в которых нарушается СР-симметрия, разрушили такие представления. Речь идет об эффектах чрезвычайно тонких, наблюдение которых представляет серьезные трудности. Обнаружение таких эффектов в другой галактике в принципе позволило бы выяснить, состоит она из вещества или антивещества. В этих процессах отличие вещества от антивещества связано с направлением хода времени.
Обращение времени в космологии
В последние годы выяснилось, что роль указанных процессов в космологии очень велика. В момент большого взрыва время, если можно так выразиться, бежало только вперед, расширение Вселенной приводило к сильной асимметрии между прошлым и будущим. Мы имеем в виду время, когда Вселенная была заполнена очень горячей смесью равных частей вещества и антивещества. Асимметрия в поведении стрелки времени благоприятствовала тогда разрушению антивещества (пусть даже в малой степени) и оставила избыток протонов. Ядра атомов всего существующего в настоящее время вещества во Вселенной образовались из этого незначительного избытка протонов. Таким образом, само наше существование обязано деятельности сверх слабых взаимодействий в считанные доли секунды после большого взрыва. Если такое представление получит подтверждение, то это означает, что через невообразимо длительный промежуток времени (в годах цифра состоит из единицы, за которой следует 30 нулей) все оставшиеся протоны распадутся и Вселенная окажется заполненной только излучением. Что ж, подождем и посмотрим, успеет ли она, как утверждают некоторые физики, сначала замкнуться сама на себя, повторив большой взрыв в обратном направлении.
7. На пути к единой теории?
Чтобы как-то закончить описание общей картины, до сих пор рисовавшейся как действия различных сил в. природе, имеет смысл упомянуть о настойчивых попытках ученых построить единую (объединенную) теорию всех взаимодействий.
Что подразумевается под единой теорией? Точного и формального определения для нее не существует. Как правило, "единой" считается теория, заменившая и объединившая предшествовавшие ей отдельные теории и позволяющая предсказывать не только явления, предсказуемые прежними теориями, но еще и новые. Кроме того, в возникновении новой теории должна быть необходимость: старые теории подобны деталям, подогнанным друг к другу в оправе новой, каждая деталь нуждается в остальных, и ее собственное существование отдельно от других оказывается неоправданным.
Такая необходимость не всегда очевидна, и ее трудно оценить; иногда она сводится к необходимости эстетической, приводя к простоте, которая впоследствии оказывается мнимой. Для обозначения естественности какой-нибудь гипотезы Эйнштейн применял немецкое слово vernunftig (разумный).
Первым, кто пытался создавать единую теорию, был вовсе не Эйнштейн. В некотором смысле вся история физики - это история подобных попыток. Эйнштейн, можно сказать, был первым физиком, подошедшим столь близко к синтезу этой теории, и первым, кто сознавал, насколько важна деятельность такого рода.
Вклад Эйнштейна
Сегодня мало кто из физиков считает оправданными усилия, предпринятые Эйнштейном на пути к полному объединению теорий, даже если многие признают, что в его последних работах имеется много интересных идей, которыми для различных построений впоследствии воспользовались другие, вдохновляемые примером прославленного мастера. Ни одна из этих теорий не достигала конечной цели. Причин этого много.
Сначала Эйнштейн думал объединить гравитацию и электромагнетизм, он считал, что все явления иной природы окажутся следствиями законов новой единой теории. Он не представлял, насколько расширится круг так называемых "элементарных" частиц и насколько усложнятся их внутренняя структура и поразительные свойства симметрии. Все это было открыто благодаря технической революции в экспериментальной физике уже после его смерти. Более того, Эйнштейн, как известно, так и не принял квантовую механику, хотя, открыв кванты света (фотоны), он стал одним из ее создателей.
Невозможно разобраться в запутанной структуре субатомного мира, не пользуясь квантовой механикой, без нее нельзя понять законы симметрии; планы экспериментов составляются на языке квантов. Поэтому не Эйнштейну, а другим, работавшим в другом направлении, удалось достичь определенных успехов в частичном объединении теорий. Среди таких объединенных теорий, созданных в последнее время, особенно важной стала теория Салама и Вайнберга (с участием Глэшоу; свой вклад в развитие этой теории внесли также т'Хоофт, Хиггс и другие), в которой объединяются слабые взаимодействия и электромагнитное поле, а гравитация остается в стороне. В самом ближайшем будущем, несомненно, появятся новые объединенные теории.
В каком смысле развитие физики можно назвать процессом объединения? Типичный пример нам дал Максвелл, объединивший оптику и теорию электромагнитного поля, показав при этом, что свет - это колебания электромагнитного поля. Тот же Максвелл заложил основы для объединения термодинамики и аналитической механики, создав кинетическую теорию газов. Согласно этой теории, тепло представляет собой не особую форму энергии, а всего лишь механическую энергию, беспорядочно распределенную между миллиардами миллиардов частиц, составляющих газ.
Схема Эйнштейна, пожалуй, лучше очерчена и более точна. Эйнштейн был убежден (справедливо, как нам кажется) в том, что описание природы должно быть основано на понятии волны. Хорошо известным примером этого служит как раз электромагнитное поле. Само его название указывает, что это поле состоит из двух составляющих, из полей электрического и магнитного. Вполне законно рассматривать эти два поля как независимые величины, но сам Максвелл интуитивно чувствовал, что они каким-то таинственным образом связаны.
Теперь вспомним специальную теорию относительности и будем рассматривать разных наблюдателей, движущихся равномерно друг относительно друга. Эйнштейн сразу почувствовал исключительную важность того, что один наблюдатель может увидеть смесь электрического и магнитного полей, в то время как другой будет считать это же поле только электрическим, и наоборот. Отсюда и возникает та необходимость объединения, о которой мы говорили раньше. Так что релятивистский вариант теории Максвелла оказался объединенным в упомянутом нами смысле. В этом же смысле можно утверждать, что общая теория относительности объединила силы, казавшиеся несвязанными, например, гравитацию и инерцию, силы тяготения и центробежные.
Кроме самого Эйнштейна попытки создать единую теорию были предприняты еще в 1919г. математиком Вейлем. Чтобы дать об этом некоторое представление (пусть даже неполное), я расскажу о понятии кривизны в общей теории относительности.
Гауссова кривизна
Применительно к линии на плоскости смысл понятия кривизны очевиден. Так, прямая линия не имеет кривизны, в то время как кривизна окружности постоянна. В общем случае кривизна линии меняется от точки к точке.
Физиков, однако, интересуют не только простые геометрические фигуры. Так, больший интерес вызывает рассмотренный Гауссом случай поверхности в. трехмерном пространстве. Почему...