Независимый бостонский альманах

КРУГИ НА ВОДЕ, или ЗАЧЕМ ЧЕЛОВЕЧЕСТВУ УСКОРИТЕЛИ

26-07-2004

Валентин ИвановИванов Валентин Яковлевич, доктор физико-математических наук, профессор. Родился в 1948 году в г. Облучье Хабаровского края. В 1963-1967 гг. учился в Сахалинской мореходке, затем работал радистом на судах дальневосточного пароходства. С 1968 по 1973 учился на физфаке Новосибирского университета. Далее работал в Институте ядерной физики, Вычислительном центре, новосибирском филиале ИТМиВТ, Институте математики - в Новосибирске, центре космического материаловедения в Калуге. В настоящее время - в Стенфордском центре линейных ускорителей (СЛАК), в Калифорнии. Опубликовал 2 книги по физической электронике и более 200 научных работ.

Андрей СерыйАндрей Серый. После окончания физматшколы в 1981 поступил на физфак НГУ, с 1986 г. работал в Институте ядерной физики (Новосибирск) и филиале ИЯФ в Протвино. В 1994 гю защитил кандидатскую диссертацию. Занимался изучением электронного охлаждения ионных пучков, затем переключился на работу по проектированию линейного коллайдера, в частности, системы фокусировки пучка, которая позволила бы сжать пучок в месте столкновения до размеров в несколько нанометров. Последние пять лет работает в СЛАК и занимается проблемами динамики пучков и проектированием теперь уже международного линейного коллайдера ILC.

Бросая в воду камешки, смотри на круги, ими образуемые;
иначе такое бросание будет пустою забавою.

Козьма Прутков

Нет ничего в этом мире удивительнее и загадочнее, чем сам человек. Ему лестно называть себя венцом творения, в то время как, глядя на плоды его деяний, чаще хочется сделать заключение о том, что он – величайшай ошибка Создателя. И святые книги повествуют нам о том, что чуть ли не сразу после сотворения человека бог постоянно его наказывает, причём размеры наказания растут по экспоненте: изгнание Адама и Евы из Эдема, полное уничтожение двух городов Содома и Гоморры, практически полное уничтожение всего человечества во время потопа, - но результатов исправления пока не видно, и даже самые осторожные экстраполяции позволяют нам достаточно определённо заключить, чем всё это должно закончиться. В самом деле, треть человечества систематически голодает, а человек строит гигантские машины стоимостью более 5 миллиардов долларов для того, чтобы изучать свойства кварков. Россия чуть ли не в руинах лежит, мало ей проблем с Чечнёй и олигархами, а она выдвигает и серьёзно прорабатывает проект полёта на Марс.

-Какие к чёрту кварки,- воскликнет раздражённый читатель,- да на эти деньжищи можно купить миллиард бутылок прекрасного и недорогого, кстати, французского вина “Божоле”! Кто мне эти кварки, родственники что ли?

Мы его понимаем и не осуждаем, а лишь ещё раз обращаем ваше внимание на странности этого божьего ли, природного ли создания, именующего себя “хомо сапиенс” - человек разумный, в то время как большая часть его поступков, казалось бы, говорит о прямо противоположном. Вот взять хотя бы современные ускорители заряженных частиц. В своём кратком очерке мы, разумеется, не собираемся детально разбирать все связанные с ними вопросы, а коснёмся лишь двух: для чего их строят и как они устроены.

Нечто вроде введения в натуральную философию

Любопытство является неотъемлемым человеческим качеством, проявляющимся с раннего детства. Только у одних оно фокусируется на желании узнать, как устроен будильник внутри (тогда оно называется любознательностью), а другие предпочитают заглядывать за занавески и в замочные скважины (там тоже может оказаться масса интересного). Одной из наиболее древних форм такого рода любопытства являлось желание узнать, как устроен окружающий нас мир природы. В результате появился целый спектр естественных наук (ранее называвшихся натуральной философией), ведущую роль среди которых играет физика. Древнее название отражает тот факт, что основным методом исследования в течение многих столетий оставалось пассивное наблюдение и размышления над результатами таких наблюдений. По отношению к современному толкованию слова “физика” этот этап можно было бы назвать “пре-физика” или “архе-физика”. Построенные на основе таких рассуждений модели мира можно назвать умозрительными.

Первым последовательным экспериментатором в изучении мира природы можно считать Галилео Галилея. Даже самый ленивый школьник помнит, что Галилей, бросая с Пизанской башни различные предметы, открыл, что они падают с одинаковым ускорением, независимо от их веса и материала, из которого они изготовлены, что противоречило учению непогрешимого авторитета того времени Аристотеля. Кроме того, он впервые сформулировал принцип относительности равномерного прямолинейного движения и написал блестящую научную работу с критикой геоцентрической системы Птолемея. Именно эти его открытия говорят, прежде всего, об ограниченности умозрительных теорий и ставят вопросы о пределах применимости эмпирически установленных законов природы. Таким образом начиналась та наука, которую я бы условно назвал классической физикой Галилея-Ньютона. Разумеется, за чёрточкой, соединяющей эти имена стоит целый ряд блестящих исследователей, поэтому сами имена можно рассматривать как скобки, открывающие и закрывающие целую эпоху развития физической картины мира.

События, происшедшие в начале ХХ века, с полным правом можно назвать революционными, ибо они открыли новую физику, которую также условно мы называем физикой Эйнштейна-Бора. В этой физике практически не осталось места для умозрительных аналогий. Именно поэтому она оказалась весьма не простой для массового восприятия. Новые понятия были слишком далеки от тех образов, которые обычно рождаются на основе непосредственного восприятия явлений природы нашими органами чувств, и, в совокупности своей, рождают понятие здравого смысла, как основы стратегии разумного поведения. Так, теория относительности в качестве главных своих следствий определяет единство пространства-времени (четырёхмерный мир), а квантовая механика - единство вещества-энергии (другими словами, волн и частиц). Это были попытки объединить несоединимое, поскольку камень – это локальный объект, имеющий конкретные размеры и положение в пространстве, в то время как волна, порождаемая им на водной глади, есть объект распределённый, не локализованный в конкретном месте.

Атомистическая гипотеза строения материи, выдвинутая Демокритом в V веке до н.э., была лишь случайной догадкой, для подтверждения которой у её автора не было решительно никаких данных. Именно поэтому все свойства атомов Демокрит легко и непринуждённо высасывал из пальца. Так, он считал, что существует бесконечное число видов атомов, отличающихся друг от друга формой, размерами и расположением крючочков, которыми они зацепляются друг за друга, образуя бесконечное число сочетаний. Понятно, почему теории строения объектов окружающего мира в виде композиции четырёх основных субстанций: огня, воды, воздуха и земли - были намного более популярными. Последние теории были гораздо более наглядными, умозрительными, в то время как представить атомы, которые не может разглядеть даже самый зоркий человек, способен далеко не всякий. Первые основания для подтверждения атомистической гипотезы появились лишь в XVIII веке, когда Дж. Дальтон открыл закон кратных отношений. Так, например, для фиксированного количества азота при различных условиях с ним могут прореагировать различные массы кислорода, относящиеся к массе азота как 1:2:3:4:5. Сегодня хорошо известно, что при этих реакциях образуются соединения N2O, NO, N2O3, NO2, N2O51. Однако, только с середины XIX века началось признание существования атомов и молекул. Как видно, только через 24 столетия можно стало утверждать, насколько догадка Демокрита была гениальной.

В 1869 году русский учёный Д.И. Менделеев открыл периодический закон химических элементов и предложил их классификацию в виде периодической таблицы, носящей его имя. Как и в случае с Демокритом, здесь не обошлось без ошибок и заблуждений. Так, Менделеев долго и с большим упорством отстаивал существование нулевого, “солнечного” элемента, но главная ошибка состояла в том, что в основу классификации следует положить вовсе не массу элемента, а нечто другое (наличие у элементов природных изотопов сильно осложняло задачу идентификации и классификации их). Самое главное, никто не мог сказать, почему в классификации элементов имеет место такая периодичность.

Заключительные штрихи в исследовании фундаментальных свойств материи методами классической физики были сделаны Дж. Томсоном, который в 1897 году открыл первую элементарную частицу электрон и измерил его заряд и массу, а также Э. Резерфордом в 1908 году, когда он открыл существование у атома плотного ядра. С этого времени утвердилась планетарная модель атома, в которой лёгкие, отрицательно заряженные электроны вращаются по замкнутым орбитам вокруг положительно заряженного ядра. Теперь уже можно было строить догадки, что за “крючочки” заставляют одни атомы объединяться с другими в сложные соединения, а иные атомы – игнорировать приглашения к альянсу.

Планетарная модель атома, однако, порождала парадокс. Согласно принципу относительности, существует только один вид специального, выделенного движения, при котором объект не взаимодействует с остальным миром, не обменивается при этом с ним энергией. Это уже хорошо известное нам прямолинейное и равномерное движение. Любое отклонение от этого случая свидетельствует о том, что со стороны внешнего по отношению к объекту мира произошло вмешательство (действует сила), которое и изменило характеристики движения объекта. Согласно этой фундаментальной концепции, вращающийся электрон должен непрерывно излучать энергию во внешнюю среду, в результате чего он должен упасть на ядро. Простой подсчет показывает, что если в начальный момент t=0 мы зафиксируем существование нашего прекрасного мира и отпустим его эволюционировать по законам классической физики, то примерно через 1 микросекунду все электроны атомов упадут на ближайшие ядра, и мир на этом закончит своё существование. Но ведь он существует достаточно долго и сохраняет при этом поразительную стабильность.

Парадокс этот был разрешён Н.Бором в 1913 году, однако догадка в этом случае не была высосана из пальца. Основанием послужили известные Бору к тому времени работы М.Планка и А.Эйнштейна по анализу спектра излучения атомов и фотоэффекту. Работы эти показывали, что изменение состояния микрообъекта возможно лишь при изменении его энергии строго определёнными порциями, которые назвали квантами. Оказывается, человечеству уже давно был известен ещё один вид беспрерывного движения, которое не является равномерным и прямолинейным – колебания идеального маятника без трения. Существенным отличием от прямолинейного движения здесь является то, что период колебания (или частота) здесь не может быть каким угодно, а однозначно определяется его параметрами, в то время как прямолинейное движение может осуществляться с произвольной скоростью. Для шарика на нитке этими параметрами являются длина нити и масса шарика. Было известно также, что маятник или любая другая колебательная система (осциллятор) имеет не одну, а целый спектр разрешенных частот колебаний, находящихся в кратных отношениях друг к другу – дискретный спектр гармоник. Ассоциация вращающегося вокруг ядра электрона с осциллятором позволяет предположить, что на определённых частотах такой маятник может колебаться сколь угодно долго, не теряя энергии. Для этого нужно лишь предположить, что электрон имеет волновые свойства и длина его волны укладывается целое число раз на длине орбиты его вращения. Тогда, сделав полный оборот вокруг ядра, он окажется в точности в том же самом состоянии. Гипотеза достаточно “сумасшедшая”, но приняв её, оказалось возможным объяснить практически все известные к тому времени свойства атомов, особенности их строения и предсказать с огромной точностью многие новые их свойства. Так родилась квантовая механика.

Исследования структуры ядра путём бомбардировки их частицами высокой энергии, проведённые в 1932 году Д. Чедвиком, показали, что ядро состоит из положительно заряженных частиц – протонов и нейтральных частиц примерно такой же массы – нейтронов. Причины стабильности атома, как сложной системы, казались достаточно ясными: положительно заряженное ядро притягивает отрицательные электроны, не давая им разлететься в стороны, как солнце притягивает планеты. Разница лишь в том, что в первом случае стабильность атома обусловлена электромагнитными силами, а во втором случае – силами гравитации. Правда и здесь много непонятностей. Интенсивность электромагнитных сил обратно пропорциональна квадрату расстояния между объектами. Электроны не могут упасть прямо на ядро лишь потому, что они постоянно “падают” на ядро и, набирая при этом энергию, постоянно “промахиваются мимо. Как же в таком случае не разлетаются в стороны протоны ядра, располагающиеся друг от друга на неизмеримо меньших расстояниях, чем по отношению к электронам? Эта догадка не замедлила появиться: нейтроны играют роль “ядерного клея” и обеспечивают устойчивость ядра. Но что же это за силы, склеивающие ядро? Вот тут и настало время поговорить о так называемых фундаментальных силах.

Знания о силах, которые мы вынесли из школы, оказались довольно запутанными. Самой простой казалась механическая сила. Я стою на полу, мой вес через подошвы обуви давит вниз, к центру Земли на пол, но я не проваливаюсь, потому что со стороны пола на мои подошвы действует уравновешивающая сила, называемая реакцией опоры. Что может быть проще? Однако в разделе, посвящённом основам атомной физики, узнаём, что если атом увеличить до размеров Большого Театра, то его ядро будет размером со спичесную головку, а электроны ещё в тысячу раз меньше. Значит атомы, да и вся материя состоят, главным образом, из пустоты. Почему же тогда я не проваливаюсь сквозь пол?

В конце концов, оказывается, что механическая сила оказывается лишь вспомогательным понятием, которое лишь упрощает понимание того, что имеет место на самом деле. А на самом деле, эта “неправильная” сила аккумулирует силы электромагнитного отталкивания электронных оболочек всех атомов, приближающихся друг к другу на достаточно малые расстояния. Иначе говоря, электромагнитная сила является фундаментальной, а механическая – нет. Точно также, гравитационная сила является фундаментальной, а сила трения – нет, поскольку она также сводится к суммарному воздействию гравитационной силы, прижимающей трущиеся поверхности друг к другу, и электромагнитной, препятствующей трущимся поверхностям проникать друг в друга. Не удостоились свойства фундаментальности и множество других сил: поверхностного натяжения, инерции, давления, вязкости, упругости и т.д.

Какие же ещё фундаментальные силы известны народу? Самые дошлые скажут, что их всего четыре, и назовут оставшиеся две, но рассказать подробности об этих остальных способны не многие, поскольку в повседневной жизни пользоваться ими не приходится. Упав с высоты и сломав ногу, или даже просто набив шишку, начинаешь проникаться уважением к силам тяготения или гравитации. Получив удар током, понимаешь и серьёзность электромагнитных сил, а остальные силы пока ещё ждут времени своих массовых применений. Одну из этих сил пора уже назвать. Устойчивость ядер атомов обеспечивает сильное или ядерное взаимодействие, и “полезность” этой силы не вызывает сомнений. А вот последняя сила из списка фундаментальных – слабое взаимодействие – помогает объяснить совсем странные процессы взаимопревращения одних частиц в другие. Между этими силами есть интересное различие. Переносчиком электромагнитного взаимодействия является безмассовый фотон, и именно поэтому электромагнитные силы действуют на большом расстоянии. Хотя они и уменьшаются пропорционально квадрату расстояния от источника в статическом случае (закон Кулона), но при изменении интенсивности источника во времени порождают особую форму существовавния (электромагнитные волны), которая позволяет им распространяться без потерь на огромные расстояния. Типичным примером тому служит реликтовое излучение, пронизывающее Вселенную чуть ли не со времени её образования. Однако слабое взаимодействие переносится массивными W и Z частицами, которые почти в сто раз тяжелее протона; чем и объясняется его слабость и “близкодействие”.

Впервые силы слабого взаимодействия были введены для пояснения эффекта бета-распада, в котором нейтрон ядра превращается в протон, испуская при этом электрон, а поскольку в этой реакции энергия не сохранялась, пришлось открыть новую частицу, уносящую излишек энергии – нейтрино. Для чего нужны ядру подобные трюки, сразу не понять. Одно из объяснений может быть таким: чтобы не наскучило однообразие ядерно-семейной жизни.

Стандартная Модель

Рассказывать всю историю открытия и исследования свойств элементарных частиц нам не позволяет объём статьи, поэтому мы опишем лишь современную картину классификации частиц, получившую название “Стандартная модель”. Ко второй половине ХХ века было открыто уже достаточно много новых частиц, но понимания самых важных свойств этого зоопарка не было. Во-первых, хотелось бы знать, сколько всего частиц разрешено в природе. Во-вторых, почему есть частицы примерно в триста раз массивнее электрона, но нет частиц с массами в 2, 3 или 5 электронных масс? То есть, хотелось бы объяснить свойства спектра масс элементарных частиц. Или вот, скажем, давно известно, что относительно такого свойства как электрический заряд, все частицы можно распределить в три семейства: нейтральные, с положительным и отрицательным зарядом, но в любом случае заряд по абсолютной величине в точности равен заряду электрона. А почему?

В итоге длительных, кропотливых и весьма дорогостоящих исследований родился аналог таблицы Менделеева, но уже не для атомов, а для элементарных частиц. Согласно Стандартной Модели все частицы материи группируются в три семейства, а каждое семейство включает два лептона (лёгкие частицы) и два кварка. Группируясь по три, кварки образуют тяжёлые частицы – адроны. Первое семейство состоит из кварков up и down с электрическими зарядами +2/3 и

-1/3 заряда электрона, соответственно. Именно они образуют протоны (uud) и нейтроны (ddu), лептоны же этого семейства включают электрон и электронное нейтрино νe. Из кирпичиков этого семейства и построен весь окружающий наш стабильный мир, а остальные два семейства включают лишь нестабильные частицы с коротким временем жизни. Мы уже упоминали, что все элементарные частицы имеют либо нулевой заряд, либо заряд, равный по абсолютной величине заряду электрона. Так и кварки группируются таким образом, чтобы полный заряд образуемой ими частицы был целочисленно кратным заряду электрона, и при любых реакциях с порождением новых частиц суммарный заряд будет сохраняться. Вот почему нельзя получить свободный кварк и исследовать его отдельно.

Кварки второго семейства - charm и strange, а лептоны – мю мезон μ и соответствующее ему нейтрино n μ . Наконец, третье семейство состоит из кварков top и bottom и лептонов τ и ντ. Каждой частице описанного семейства нужно сопоставить соответствующую античастицу. Античастицы сначала были предсказаны Полем Дираком, а затем открыты и исследованы экспериментально. В описанной нами модели кварки, кроме обычного заряда, характеризующего абсолютно все частицы, наделены специфическим, только им присущим “цветовым зарядом или “цветом”, который сохраняется при сильных взаимодействиях. По этой причине теория, описывающая поведение кварков, называется квантовой хромодинамикой (chromos цвета). С открытием кварков несколько изменился смысл термина “сильное взаимодействие”. Теперь сильным взаимодействием называют силы, связывающие кварки в протоны и нейтроны, а остаточным сильным взаимодействием называют ядерные силы, объединяющие протоны и нейтроны в ядре.

Теперь самое время спросить, что это за “звери” – мезоны, и для чего они нужны. По поводу названия, всё просто: мезон означает средний, поскольку их массы являются промежуточными между массой лёгкого электрона и тяжелых ядерных частиц. До открытия структуры протонов и нейтронов, считалось, что именно нейтрон ответственен за стабильность ядра. В 1935 году Хидеки Юкава предсказал свойства переносчика этого взаимодействия – мезона, который играет роль “ядерного клея”. Только в 1947 году были открыты π-мезоны (положительно заряженный, отрицательный и нейтральный), предсказанные Юкавой. Позднее были открыты К-мезоны (К+, К- и два нейтральных К0 и К0) и самый тяжёлый η0 мезон. Все они участвуют в сильных взаимодействиях. Исключение составляет μ-мезон, который по свойствам аналогичен электрону, за исключением массы, составляющей 207 электронных масс. Кроме того, в отличие от электрона, он нестабилен. Он был открыт раньше предстаказанного Юкавой мезона и внёс сумятицу в классификацию частиц, поскольку в сильных взаимодействиях не участвует. Поэтому его название позже посчитали исторической “опечаткой” и, разобравшись, отнесли “неправильный” мезон к лептонам. Состоят мезоны из пар кварк-антикварк. В такой бинарной комбинации полный заряд тоже оказывается целочисленным. Таким образом, переносчиком сильного взаимодействия являются глюоны, а остаточного сильного взаимодействия – мезоны. А по поводу их назначения скажем следующее.

Смысл термина “взаимодействие частиц” мы можем проиллюстрировать следующим образом. Вообразим в пустом пространстве (космосе) два объекта (космических корабля, например). Объект А запускает массивное тело М (пушечное ядро, торпеду, биллиардный шар) в направлении объекта В. Движущееся тело обладает соответствующими характеристиками движения – энергией и импульсом. Если объект В захватит тело М, то в соответствии с законом сохранения импульса он начнёт удаляться от объекта А, а если он отразит тело обратно, то скорость удаления станет ещё больше. Однако, объект В может и оттолкнуть тело М в противоположную сторону, тогда он станет приближаться к объекту А. Такая модель хорошо иллюстрирует, как работают силы притяжения или отталкивания между объектами, причём природа этих сил может быть любой (гравитационные, электромагнитные и т.д.). В нашем случае тело М можно назвать дискретным переносчиком силового взаимодействия через пустое пространство (идея силового поля). Для всех рассмотренных нами фундаментальных сил есть свои переносчики. Для электромагнитного поля это фотоны, для гравитационного – гравитоны (гипотетические, пока не открытые частицы), для сильного – глюоны (“ядерный клей”), для слабого – бозоны с зарядом W+, W- и нейтральный Z0. Само взаимодействие объектов представляет собой непрерывный процесс испускания и поглощения ими частиц – переносчиков взаимодействия, которые вне каждого такого акта взаимодействия не существуют, поэтому называются виртуальными, в отличие от реальных частиц, взаимодействующих друг с другом и доступных для измерений их параметров. Так, бета-распад (слабое взаимодействие) представляет собой превращение нейтрона в протон, электрон и электронное анти-нейтрино, осуществляемое виртуальным W+ бозоном. Это значит, что с помощью измерительной аппаратуры мы можем узнать физические параметры исходной частицы (нейтрона) и продуктов реакции (p, e, νe), но не переносчика взаимодействия в силу краткости времени его существования. Параметры переносчиков взаимодействия вычисляются косвенно с использованием законов созранения энергии и импульса.

Итак, все частицы материи называют фермионами (их поведение подчиняется статистике Ферми-Дирака), а переносчики взаимодействий бозонами (описываются статистикой Бозе-Эйнштейна). Отличительным признаком фермионов является полуцелые значения их спина, бозонов – целочисленные значения спина. Подобно тому, как женщина не любит появляться в обществе в платье, которое уже носит другая женщина, так и фермионы, согласно принципу запрета Паули, не могут занимать состояние в сложной системе, которое уже занято другим фермионом. Поведение же бозонов более склонно к анархии, на них этот запрет не действует.

Проблемы модели Большого Взрыва

Разобравшись немного со структурой Стандартной Модели, можно посвятить некоторое время описанию того, как появилась наша Вселенная, и динамики её дальнейшего развития. Любой культурный человек слышал что-либо о Большом Взрыве. Любопытно, что описание первых фаз возникновения Вселенной весьма напоминает описание сотворения мира в первой книге библии Бытие. Схожесть этих описаний начинается с того, что и в физической картине мира в начале было ничто. Вопрос о том, витал ли дух над бездной, физики обычно опускают, но вопрос о первопричине, которая вызвала этот взрыв, столь же неясен, как и суть бога. Дело в том, что в начальный момент, называемый космической сингулярностью, у Вселенной не было различаемых частей. Можно сказать, что космический бульон, родившийся из точки, расширяясь, какое-то время был однороден, поэтому в начальном периоде не было пространства со всеми его метрическими атрибутами. Но если нет пространства, то нет и отдельных событий, значит нельзя ввести и понятие причинно-следственных связей между событиями. Поэтому смысл фраз “Вселенная родилась в результате первичного взрыва” и “Вселенную сотворил бог своею волей” по сути один и тот же, раз уж причин нельзя установить в принципе. По мере расширения этого бульона в нём падала плотность энергии и возникали элементарные возбуждения, называемые струнами. Следующие фазы расширения привели к образованию кварк-глюонной плазмы, потом составных “элементарных частиц – фермионов и бозонов (слабые взаимодействия), ядер атомов (сильные взаимодействия), нейтральных атомов, молекул (электромагнитные взаимодействия), звёзд, планет и газовых туманностей (гравитация).

В модели Большого Взрыва уже появляются парадоксы. Дело в том, что уравнения, описывающие поведение частиц и античастиц, абсолютно равноправны (симметричны). Следовательно, в начальной фазе развития Вселенной число частиц и античастиц должно быть одинаково. Куда же делись античастицы, раз в наблюдаемой части Вселенной они сейчас скорее редкие гости, чем полноправные хозяева?

Кодекс Справедливости для физического мира называется законами сохранения. Сами законы сохранения являются следствиями симметрии свойств физической системы, неизменности (инвариантности) при преобразованиях динамических переменных, описывающих состояние системы. Так, инвариантность свойств системы относительно изменения отсчета времени порождает закон сохранения энергии. Математически это выражается в том, что функция, описывающая поведение физической системы (Лагранжиан) не зависит от времени явно. Инвариантность относительно трансляций в пространстве приводит к закону сохранения импульса, а относительно поворотов в пространстве – к закону сохранения момента импульса. Точно также получаются законы сохранения заряда, изоспина и многих других экзотических параметров объектов микромира. Таким же образом была сформулирована и знаменитая СРТ-теорема или закон сохранения чётности. Согласно ей, если изменить знаки заряда у частиц, а также знаки пространственных переменных и времени, то мы получим уравнения, описывающие античастицы. Однако, последующие эксперименты показали, что вероятности процессов рождения частиц и античастиц слегка отличаются, значит, симметрия или инвариантность соблюдаются не точно, а приближённо. Вот это “слегка” и предопределило то, что наш мир через десятки миллиардов лет состоит, преобладающим образом, из частиц, а не античастиц.

Другой парадокс заключается в том, что если общая масса и энергия Вселенной сохраняются, а размеры её постоянно растут, то скорость убегания отдельных её фрагментов друг от друга и от общего центра должна падать со временем. Между тем, астрономы наблюдают обратную картину: скорость убегания со временем растёт. Объяснить это возможно лишь тем, что во Вселенной есть неучтённая масса со странными свойствами. Более подробные выкладки показали, что наша Вселенная на 95% состоит из этой самой неучтённой массы и соответствующей ей энергии, причём неучтённая масса отталкивает обычную массу, поддающуюся измерениям. Эта масса таинственного вещества была названа “темновой материей”. Материя эта так долго пряталась от пытливого взгляда исследователей природы потому, что она не взаимодействует с обычной материей и антиматерией ни электромагнитным образом, ни путём сильного взаимодействия. Таким образом, есть только два вида взаимодействий, способных обнаружить темновую материю. Астрономические наблюдения эволюции Вселенной дают нам результаты гравитационного взаимодействия, а на уровне элементарных частиц её может обнаружить слабое взаимодействие.

На пути к Великому объединению

Суть идеи Великого объединения заключается в том, что природа в своей основе едина, и все известные нам фундаментальные силы суть проявления некоей единой суперсилы. Интересующимся рекомендую прочитать книгу Пола Девиса “Суперсила”2. Смысл же этого объединения можно пояснить наглядным примером.

Слово “электромагнитный является составным в различных языках. Оно уже объединяет электрическую и магнитную силы в одну единую электромагнитную силу. Так было не всегда. Уже древним грекам было известно, что если потереть янтарь о шерсть, он начинает притягивать мелкие предметы. Это были первые знания об электричестве. С другой стороны, со времён древнего Китая путешественникам и мореплавателям давно был знаком “магнитный камень”, из которого изготавливали стрелки, упрямо показывающие на одну и ту же точку, названную впоследствии магнитным полюсом земли. Но лишь после открытия М. Фарадеем и Дж. Генри электромагнитной индукции в 1831 году стало ясно, что эти два древнейших изобретения эксплуатируют одну и ту же электромагнитную силу. Оказалось, что неподвижный заряд создаёт только электростатическое поле, а вот изменяющийся во времени или движущийся в пространстве заряд (называемый электрическим током), создаёт ещ и магнитное поле. Чем быстрее изменяются его характеристики, тем больше интенсивность магнитного поля. Сложнее оказалось объяснить поле постоянного магнита. Оказалось, оно имеет квантовую природу и объясняется молекулярными микропроцессами. Электроны атомов любого вещества, обладают спином ½, их можно представить как микроскопические вращающиеся волчки. Под действием случайных причин ориентация оси каждого такого волчка для большинства веществ случайна, и их суммарное магнитное поле при усреднении равно нулю. Но при определённых условиях индивидуальным волчкам становится энергетически выгодным выстраиваться, как солдаты на параде. В таком случае магнитные микрополя волчков складываются, порождая отличное от нуля магнитное поле. Такие вещества называют магнетиками. Итак, электромагнитная природа этой силы выступает во всей полноте тогда, когда её электрическая и магнитная компоненты сравнимы по величине.

Если силу электромагнитного взаимодействия двух кварков принять за единицу, то гравитационная сила их взаимодействия будет равна 10-41, слабая 10-4, а сильное взаимодействие будет порядка 60. Точно таким же образом, как с электромагнитной силой, можно создать условия, при которых, например, слабое взаимодействие станет сравнимым с электромагнитным. Что же это за условия?

Всякие измерения в мире микрообъектов усложняются необходимостью учитывать их квантовые свойства. Главное из них состоит в том, что любая частица обладает волновыми свойствами, и предел точности измерений ограничивается соотношением неопределённости Гейзенберга Δх·Δр = const, поэтому чем более мелкие масштабы объектов Δυ мы хотим исследовать, тем большие импульсы Δр (и соответственно энергии) мы должны сообщать частицам для того, чтобы обеспечить необходимое разрешение.

Для того, чтобы электромагнитные силы сравнялись со слабыми потребуется разогнать частицы до энергии порядка 1011 электронвольт (100 GeV) и столкнуть их друг с другом. Теоретическое обоснование электрослабого взаимодействия было проделано Вайнбергом и Саламом и в 1973 году было блестяще подтверждено экспериментами в CERN. Для объединения сильного и электрослабого взаимодействий требуются ещ более высокие энергии порядка 1015 GeV, а объединение всех четырёх фундаментальных сил наступает при энергии планковского предела 1019 GeV. Существует мнение, что столь фантастические энергии не могут быть достигнуты в земных условиях, поэтому в дальнейшем эксперименты в области физики высоких энергий будут перенесены в космос. Однако большинство физиков полагают, что Великое объединение должно произойти при гораздо более низких энергиях порядка 1 TeV (1000 GeV) на основе совершенно иной теории.

Расширения Стандартной Модели

Стандартная Модель не в состоянии ответить на ряд вопросов:

  • Чем обусловлены конкретные значения масс покоя, магнитного момента и спина элементарных частиц?

 

 

  • Почему имеется только три семейства частиц материи, включающие кварки и лептоны?

 

 

  • Почему все частицы имеют либо нулевой заряд, либо заряд, равный по абсолютной величине заряду электрона?

 

 

Эти и многие другие вопросы подвигнули физиков разрабатывать новые теории, расширяя Стандартную Модель и наделяя её новыми свойствами. Одно из таких расширений называется полями Хиггса. Свойства электро-слабого взаимодействия были многократно проверены экспериментально, включая открытие W и Z частиц на ускорителе LEP в CERN, однако теория предсказывала, что переносчики как слабого, так и электромагнитного взаимодействия должны быть безмассовыми, и никак не объясняла существующую парадоксальную несправедливость (называемую также спонтанным нарушением симметрии) в распределении массы между частицами.

Вид на окрестности Женевы, где расположена лаборатория CERN и её ускорители LEP (большое кольцо) и SPS (малое кольцо), на которых были открыты W и Z бозоны. Пунктирная линия показывает границу Франции и Швейцарии.

Питер Хиггс из Эдинбургского университета, аж в далеком 1964 году показал, что существование особого рода частиц, заполняющих все пространство своим полем, может объяснить наличие массивных и безмассовых частиц. Гипотетическая, пока еще не открытая частица Хиггса является одной из самых таинственных, и поэтому понятны многочисленные попытки объяснить механизм частицы Хиггса на языке аналогий, без привлечения формул. Например, в 1993 году министр науки Великобритании обьявил конкурс (с призом в виде шампанского) на лучшее объяснение подхода Хиггса, которое бы уместилось на одной странице. Предложенные аналогии включали в себя, например, увеличение эффективной массы тела при движении в вязкой жидкости; или аналогию с древесными кольцами, когда частица свободно движущаяся вдоль колец, наблюдается как безмассовый фотон, а частица, движущаяся поперек – как массивный W или Z; и даже такое забавное наблюдение увеличения эффективной массы премьер-министра, мгновенно окружаемого толпой сторонников при входе в банкетный зал.

Как и всякий переносчик взаимодействий, частица Хиггса должна быть бозоном с нулевым значением спина. Тщательные исследования, проведенные в CERN на ускорителе LEP (Large Electron Positron) не обнаружили бозона Хиггса на энергиях до 114 GeV.На поиски частицы Хиггса нацелен работающий в Лаборатории Ферми (Чикаго) ускоритель Теватрон (в котором сталкивающиеся протоны и антипротоны разогнаны до энергии, при которой их масса примерно в тысячу раз превышает их массу покоя), и строящийся в CERN ускоритель LHC (Large Hadron Collider), в котором протонные пучки будут разогнаны до энергии еще в семь раз больше, чем в Теватроне. Последние исследования на этом ускорителе позволили уточнить нижнюю границу для массы частицы Хиггса - 117 GeV. Современное состояние науки позволяет надеятся, опираясь на анализ косвенных данных, что энергия ускорителя LHC будет достаточна, чтобы родить частицу Хиггсa. (И зафиксировать ее – о детекторах рожденных частиц поговорим несколько позже). Максимальная ожидаемая масса бозона Хиггса лежит в пределах 219-251 GeV. Если же окажется, что Природа устроена как то по-другому, и, например, существует несколько частиц Хиггсa с разными массами, или даже если будет доказано, что такой частицы нет, то это будет не менее ценным научным результатом (“отрицательный результат – тоже результат”).

 

Вид на лабораторию Ферми в районе Чикаго. Главный инжектор (нижнее кольцо) и Теватрон с периметром 6.28 км (верхнее кольцо) расположены под землёй на грубине около 10 метров. Последний, наиболее тяжёлый top кварк был открыт на этом ускорителе.

Следующим кандидатом для физики TeV-диапазона энергий является суперсимметрия3. Согласно этой теории, каждой известной ныне частице должен соответствовать супресимметричный партнёр, который намного тяжелее исходной частицы и имеет значение спина, отличающееся на половину единицы. Так, электрону соответствует s-электрон, а каждому кварку - s-кварк. Суперпартнёры бозонов получили свои названия путём добавления суффикса ино” к корню названия обычной частицы. Например, партнёром фотона будет частица фотино, глюона – глюино. Для частицы Хиггса существует некоторое усложнение: в суперсимметричных теориях требуется присутствие как электрически заряженных частиц Н+ и Н-, так и трёх нейтральных частиц, совместно обозначаемых Н0.Иными словами, суперсимметрия – это симметрия между фермионами и бозонами. Данная модель основывается на двух базовых идеях. Во-первых, суперсимметричные частицы должны быть достаточно стабильными, чтобы дожить до наших дней со времени Большого взрыва. Во-вторых, их массы должны лежать в TeV-диапазоне, что обеспечит объединениe сильного и электрослабого взаимодействий в этом диапазоне, объяснит спектр масс и значение заряда электрона, остававшиеся загадочными в Стандартной модели. Суперсимметричная теория предсказывает значение массы наиболее тяжёлого нейтрино около 0.03 eV.

Третья, более поздняя модель физики TeV-диапазона энергий – теория струн – является наиболее вероятным кандидатом для построения теории квантовой гравитации и, тем самым, ставящая точку в теории Великого Объединения. Пионерами в этой области являются М. Грин4 и Дж. Шварц. В соответствии с их подходом, любая известная нам частица представляет собой колебания некоторой микроскопической струны с кварками на концах, натяжение которой определяет массу этой частицы. Средняя длина струн при этом получается порядка 10-35 м. Поскольку спектр колебаний любой струны содержит высшие гармоники, возбуждения частицы-струны” есть набор точечных состояний. Частицы, отвечающие высшим гармоникам пока не обнаружены, потому что их массы слишком велики. Энергия, необходимая для рождения частиц, отвечающих высшим состояниям, столь велика, что подобные процессы могли происходить лишь на ранних стадиях развития Вселенной. Теория суперструн не согласуется с концепцией 4-мерного пространства-времени, а требует введения дополнительных “скрытых” измерений, которые являются свёрнутыми, недоступными для исследования при тех энергиях, когда длина волны деБройля, характеризующая волновые свойства каждой частицы, много больше характерных масштабов взаимодействий, свойственных этим дополнительным измерениям. Так, если смотреть на поливочный шланг с расстояния 100 метров, он кажется тонкой одномерной нитью, на расстоянии 10 метров мы видим резиновый цилиндр радиусом 8 сантиметров, на расстоянии 1 метр мы замечаем толщину стенки этого шланга в 5 миллиметров, а применив лупу, мы можем рассмотреть структуру волокон корда, составляющего основу трубки, их диаметр и топологию переплетения нитей. То же самое происходит с проявлением дополнительных измерений при повышении энергии взаимодействия частиц.

Теории струн существовали уже долгое время, но именно соединение их с принципом суперсимметрии, то есть построение “суперструн”, привело Грина и Шварца к успеху. В этой теории струны взаимодействуют друг с другом и сами с собой, когда их концы касаются и склеиваются”. Струны с открытыми концами переносят электромагнитные, сильные и слабые взаимодействия, а замкнутые в кольцо – переносят гравитационное взаимодействие.

Продолжение следует

  1. А.А. Матышев. Атомная физика, Ч.1. С-Пб: Изд-во СПбГПУ, 2004.- с.11.
  2. П. Девис. Суперсила. Поиски единой теории природы.- М.: Мир, 1989
  3. Г.Э. Хабер, Г.Л. Клейн. Обладает ли природа суперсимметрией? В мире науки, 1986, №8.- с.26.
  4. Green M. Superstring Theories in the Real World/ New Scientist. 29 Aug. 1985.- P.35.
Комментарии

Добавить изображение



Добавить статью
в гостевую книгу

Будем рады, если вы добавите запись в нашу гостевую книгу. Будьте добры, заполните эту форму. Необходимой является информация о вашем имени и комментарии, все остальное – по желанию… Спасибо!

Если у вас проблемы с кириллическими фонтами, вы можете воспользоваться автоматическим декодером AUTOMATIC CYRILLIC CONVERTER.

Для ввода специальных символов вы можете воспользоваться вот этой таблицей. (Латинские буквы с диакритическими знаками вводить нельзя!)

Ваше имя:

URL:

Штат:

E-mail:

Город:

Страна:

Комментарии:

Сколько бдет 5+25=?