Игорь Иванов - Как расщепляют мгновение

• Название: Как расщепляют мгновение
• Автор: Игорь Иванов
• Жанр: Прочая научная литература

Лекция прочитана на конференции лауреатов Всероссийского конкурса учителей математики и физики фонда Дмитрия Зимина «Династия». 29 июня 2009 года, посёлок Московский

---

Но, тем не менее, этот сам факт можно использовать — что внутри оптического импульса есть меняющееся электрическое поле. Используется это таким образом. Значит, ну, здесь экспериментальная установка нарисована, здесь просто показано, что с помощью двойного зеркала вот в эту точечку, где этот эксперимент, собственно, и протекает, фокусируется сразу два импульса. Во-первых, это очень короткий рентгеновский импульс — здесь вот он на развертке показан. Значит, короткий рентгеновский импульс, который и инициирует этот процесс, то есть он выбивает первый электрон и запускает падение остальных в эту вакансию. И на это накладывается оптический импульс, который очень, конечно, медленный по сравнению с аттосекундами, но тем не менее он есть.

Так вот, значит, вылет первого и второго электронов происходит в какой-то конкретный момент времени. И оказывается, что, когда вот электрон только вылетает, он вдруг ощущает себя внутри электромагнитного поля от светового импульса. Внутри электрического поля светового импульса. И это электрическое поле этот электрон слегка подталкивает — ну, или притормаживает — в зависимости от того, в какой момент времени вылетел электрон, то есть в какую именно фазу этого колебания попал электрон. Вот. То есть с помощью этой методики можно, по крайней мере, различить 1/10 от периода колебания световой волны. То есть в зависимости от того, электрон вылетел в какой-то определенный момент времени или спустя, скажем, 200 аттосекунд, у него уже будет слегка другое распределение по кинетической энергии.

Вот. Здесь показана картинка, но на самом деле это моделирование, то есть здесь — наверное, плохо видно — штрихами показана интенсивность электрического поля в оптическом луче. По оси Х здесь единицы фемтосекунд, а по оси Y здесь, по-моему, энергия... да, это энергия выходящих электронов в килоэлектронвольтах. Ну и здесь видно, что, да, вот эти картинки нарисованы при разных предположениях о времени жизни вот этой глубокой вакансии внутри атома. Скажем, если бы она жила 200 аттосекунд, то эксперимент должен был бы показать вот такое колебание энергии вылетевших электронов, которое более или менее в фазе относительно электрического импульса. Вот. Если 500 ас, то картинка чуть смазывается, если 1 фс — она смазывается еще больше, и т. д.

То есть исследователи просто промоделировали это явление на компьютере, получили ожидаемые картинки, которые были бы при разных предположениях о времени жизни этой вакансии, и просто сравнили затем с экспериментально наблюдаемыми распределениями по энергии электронов. Вот. Ну и получили величину порядка 8 фемтосекунд. То есть в конкретном атоме криптона самая глубокая вакансия жила примерно столько времени.

Зептосекунды

И на этом спектр тоже не кончается, диапазон времен. Есть еще более мелкие процессы, более быстрые процессы, которые протекают на еще более мелких единицах времени. Эти единицы времени называются зептосекунды, 1 зс это 10–21 секунды. На зептосекундном масштабе уже, конечно, нет никаких движений ни атомов, ни даже электронов. И электроны, и атомы стоят. Всё, что может происходить на этом масштабе, — это ядерные реакции. То есть мы уже залезли вглубь ядра.

Значит, можно оценить типичное время, за которое нуклон, двигающийся с типичной ядерной кинетической энергией, проходит диаметр ядра. Это оказывается порядка 1 зептосекунды. Это дает нам примерную оценку того, сколько протекают ядерные реакции, если, скажем, у вас родилось какое-то ядро в столкновении и тут же распалось. Если оно не сдерживается никакими силами, то оно распадается примерно за зептосекунду. Если же у вас есть какие-то дополнительные силы или стимулы для этого ядра немножко пожить, то есть чуть-чуть быть постабильнее, то его время жизни будет по крайней мере на несколько порядков больше, чем зептосекунды.

Вот, оказывается, это можно изучать, и это действительно было недавно использовано, буквально в прошлом году, для обнаружения того, что некоторые изотопы элементов 120 и 124 обладают повышенной стабильностью. (Подробнее см. в новости У изотопов 120-го и 124-го химических элементов обнаружена склонность к долгожительству, «Элементы», 15.08.2008.) Конечно, это не настоящие стабильные атомы, здесь вообще о стабильности говорить не приходится, они жили всего лишь 1–2 аттосекунды, но интерес к ним связан с тем, что эти изотопы, на самом деле, очень нейтроно-дефицитны. Совершенно гарантированно, что у них есть собратья, другие изотопы, с большим количеством нейтронов, которые будут жить намного дольше. Их просто очень тяжело экспериментально получить, поэтому люди сейчас экспериментируют только вот с нейтроно-дефицитными изотопами. Вот. Но получив кое-какие экспериментальные данные даже про эти нейтроно-дефицитные изотопы и сравнив их с теоретическими расчетами, можно действительно улучшить предсказания теоретиков относительно острова стабильности, который, может быть, существует в сверхтрансурановых элементах.

Значит, как это всё можно исследовать. Казалось бы, вообще удивительная вещь: и даже свет, можно считать, стоит, электроны стоят, и атомы стоят. И тем не менее можно это тоже исследовать.

Значит, метод, который здесь используется, называется «методом теней». И выглядит он так. Значит, смотрите, у вас есть кристалл, в котором сидят в кристаллических плоскостях ядра. Вот у вас налетает на эту мишень какое-то другое ядро, сталкивается с этим ядром и на какое-то небольшое время порождает метастабильное и очень тяжелое ядро. Но поскольку закон сохранения импульса соблюдается, это ядро движется по-прежнему вперед с некоторой скоростью. И затем оно распадается. И вот в зависимости от того, где именно оно распадается, картина получается сильно разная. Если оно распадается между кристаллографическими плоскостями, то есть в достаточном удалении от своей исходной плоскости, то дочерние частицы, в принципе, могут вылетать прямо вперед, им ничто не мешает. Если мы будем смотреть на распределение по углу этих дочерних частиц, то мы будем видеть довольно большое количество частиц, которые улетают прямо вперед, то есть вдоль кристаллографической плоскости. А если у вас это ядро распалось практически тут же, на месте, совсем-совсем недалеко отойдя от этой кристаллографической плоскости, то вы не сможете увидеть никакие частицы, которые вылетают вперед, просто потому, что мешает кристаллографическая плоскость. Либо эти частицы перерассеются, либо поглотятся, либо отклонятся электрическим полем на большой угол.

То есть, если вы построите теперь такой график — это количество дочерних частиц в зависимости от угла отклонения от кристаллографической плоскости, — вы увидите настоящую тень от кристаллографической плоскости. Но только эта тень, конечно, не в оптическом диапазоне, не в лучах — эта тень в распределении дочерних ядер, получившихся в этой реакции. Вот. И с помощью этой методики действительно можно вполне надежно отличать ядра, которые живут, скажем, одну аттосекунду или 100 зептосекунд. И с помощью этой методики действительно было показано, что эти элементы — некоторые из этих изотопов — живут достаточно долго.

Йоктосекунды

Идем дальше. Меньше, чем зептосекунды, есть диапазон — называется он йоктосекунды. Йоктосекунда (ис) — это 10–24 степени секунды. Значит, йоктосекунды — это никакие не ядерные масштабы, это масштаб элементарных частиц. Значит, даже ядра уже можно считать замороженными, даже в процессе самой нестабильной ядерной реакции можно считать, что ядро стоит.

Значит, за время порядка йоктосекунд у нас происходят рождения—распады самых нестабильных элементарных частиц. Например, есть такие частицы, называются адронные резонансы, ро-мезоны, дельта-изобары и так далее. То есть это частицы, у которых есть типичное время жизни порядка 10 ис. Но, конечно, они не всегда происходят, они происходят только тогда, когда вы достаточно энергии сообщите телу, то есть, скажем, при столкновении элементарных частиц. И забавная ситуация получается, скажем, если вы замедлите всё время в 1024 раз, у вас весь мир будет стоять, все тела, все электроны, все атомы, все ядра будут стоять, и только где-то будут в элементарных частицах — столкновения в коллайдере — рождаться и распадаться, рождаться и распадаться вот эти вот адроны.

Конечно, никакое реальное смещение тел за это время уже нельзя увидеть, поэтому приходится косвенно получать информацию об этих быстропротекающих процессах.

Ну вот типичная картинка, тоже, по-моему, достаточно красивая, которая получается в столкновении ультрарелятивистских атомных ядер. Здесь вот схематично показано. Значит, это всё передовой край физики элементарных частиц. Эта статья вот еще даже неопубликованная, которая появилась в декабре прошлого года. Значит, в ней показаны последовательные этапы столкновения ультрарелятивистских ядер. То есть, ну, вы представляете, что ультрарелятивистские ядра, когда они разгоняются до большой скорости, они сплющиваются из-за лоренцева сокращения, и когда они сталкиваются лоб в лоб, то это вовсе и не значит, что в этот момент у вас вдруг происходит «бабах». У вас же всё в рамках релятивистской механики происходит. То есть в первые йоктосекунды после вот этого столкновения у вас два ядра вот этих проходят пока друг сквозь друга, то есть те кварковые распределения, которые находились в каждом ядре, они проходят друг сквозь друга и пока еще не трогают друг друга. Однако между ними натягивается силовое глюонное поле. И это вот состояние, которое осознали только недавно, называется «глазма», и оно существует буквально считанные йоктосекунды.