Пол Хэлперн - Коллайдер

• Название: Коллайдер
• Автор: Пол Хэлперн
• Издательство: Эксмо
• Жанр: Физика
• Год: 2010

Осенью 2008 года газеты запестрели заголовками, сообщавшими» будто в недрах Большого адронного коллайдера (БАК), на котором физики собирались расщепить вещество на элементарные частицы, родятся микроскопические черные дыры, способные поглотить Землю.

Какое значение имеет БАК для науки? Что ученые ищут? Почему физика, возможно, вскоре совершит один из величайших рывков в своей истории? Все эти вопросы обсуждаются в книге «Коллайдер». Автор, кроме всего прочего, доказывает, почему невозможно ни практически, ни теоретически, что на БАК появятся черные мини-дыры, которых все так боятся.

---

В своем трактате об оптике Ньютон писал: «При размышлении о всех этих вещах мне кажется вероятным, что Бог вначале дал материи форму твердых, массивных, непроницаемых, подвижных частиц таких размеров и фигур и с такими свойствами и пропорциями в отношении к пространству, которые более всего подходили бы к той цели, для которой он создал их. Эти первоначальные частицы, являясь твердыми, несравнимо тверже, чем всякое пористое тело, составленное из них, настолько тверже, что они никогда не изнашиваются и не разбиваются в куски. Никакая обычная сила не способна разделить то, что создал сам Бог при первом творении»9.

Вера Ньютона в то, что это Бог придумал атомы, отражает его глубоко религиозные взгляды на происхождение мироздания. Великий ученый считал, что только бессмертное существо способно сконструировать, запустить и время от времени регулировать в остальном механическую Вселенную. Пример Ньютона наряду с не менее набожным Бойлем показывает, как атомизм и религия могли уживаться в одном человеке.

Из работ Ньютона следовало, что Солнечная система управляется силами тяготения. Они выходят на передний план на астрономических масштабах, но вот чтобы удерживать вместе атомы, гравитация слишком слаба. В связанном состоянии атомы существуют благодаря электростатической силе, представляющей собой частный случай электромагнитного взаимодействия. В то время как сила тяжести определяется массой, электростатическое притяжение или отталкивание действует на тела, обладающие электрическим зарядом - особой физической характеристикой.

Знаменитый американский государственный деятель Бенджамин Франклин, живший в XVIII в., первым стал разделять электрические заряды на положительные и отрицательные. Под влиянием трудов Франклина и Ньютона британский естествоиспытатель Джозеф Пристли предположил, что электростатическая сила, как и сила тяготения, подчиняется закону обратных квадратов, только роль массы играет заряд. В отличие от гравитационных сил, которые всегда являются силами притяжения, электростатические могут приводить как к притяжению, так и к отталкиванию. В 80-х гг. XVIII в. эти гипотезы были подтверждены на опыте французским физиком Шарлем Огюстеном де Кулоном, чье имя и носит сегодня закон электростатического взаимодействия.

Помимо электростатической силы есть еще одна сила, которая тоже может быть силой притяжения или отталкивания, - магнетизм. Аналогом положительных и отрицательных электрических зарядов здесь являются северный и южный полюса магнита. Древним был известен магнитный железняк, и они знали, что если подвесить кусочек магнитной руды в воздухе, то он выстроится вдоль направления север-юг. Само слово «магнетизм» происходит от греческого названия этой руды, а «электричеству» дал начало янтарь, по-гречески «электрон», ведь именно этот материал легко электризуется.

Ньютону в его модели силы представлялись своего рода невидимыми канатами, тянущимися через пространство между телами и связывающими их. Мальчик в церкви, стоящий внизу, тоже, дергая за тонкую веревку, заставляет звонить подвешенный в башне колокол. Эту концепцию называют действием на расстоянии. В каком-то смысле это продолжение идей Демокрита об атомах, движущихся в абсолютной пустоте. Два тела почему-то «чувствуют» друг друга, хотя между ними нет никакой среды, через которую могло бы передаваться взаимодействие.

Британскому физику Майклу Фарадею (1791-1867) идея о действии на расстоянии была интуитивно непонятна. Поэтому он предложил концепцию электрических и магнитных полей, своеобразных посредников, способных переносить электрические и магнитные силы. Поле можно себе представлять в виде океана, заполняющего собой все пространство. Тогда заряд в электрическом поле или магнитный полюс в магнитном - это все равно что пароход, вокруг которого бурлит вода, заставляя мелкие катера отклоняться от курса. Допустим, вы отплыли от калифорнийского побережья на лодке, и вдруг вас начинает шатать из стороны в сторону. Первое, что придет вам в голову: сюда идет большое судно - это от него волны. Так и у заряда с магнитом: они чувствуют возмущение электрического или магнитного поля, произведенное другими зарядами или магнитами.

Ребенок, играющий с бруском магнита в освещаемой электрическими лампами комнате, вряд ли догадается, что у этих двух явлений много общего. Между тем Фарадей, датский физик Ганс Христиан Эрстед и другие ученые XIX столетия экспериментально доказали, что электричество может вызывать магнитные явления и наоборот. Например, заметил Эрстед, если во время включения и выключения рубильника к нему поднести компас, магнитная стрелка у того отклонится. Аналогично если поводить магнитом у провода, то, как показал Фарадей, в нем возникает электрический ток (движение зарядов) - явление, называемое индукцией. Так что сообразительный ребенок мог бы запросто осветить свою детскую, будь у него магнит, лампочка и провод.

И теория дождалась своего создателя. Выдающийся физик Джеймс Клерк Максвелл разработал математический аппарат, с помощью которого удалось объединить электрические и магнитные явления в рамках единой теории электромагнетизма. Родился Максвелл в 1831 г. в Эдинбурге, в Шотландии, а детство провел в сельской местности, где и зародилась его любовь к природе. Он любил прогуливаться вдоль илистых берегов речушек и следовать за их замысловатыми изгибами. Будучи уже взрослым, в Королевском колледже Лондонского университета, где он возглавлял кафедру физики и астрономии, Максвелл заинтересовался другим типом течений - фонтанами электрического и магнитного полей, бьющими из своих источников.

Уверенный в том, что электричество и магнетизм должны описываться одной системой уравнений, в 1861 г. Максвелл собрал воедино все известные тогда факты, указывавшие на взаимосвязь этих на первых взгляд разнородных явлений. Электрическое поле, создаваемое зарядом, а значит, и электростатическая сила описывались законом Кулона. Затем работы Эрстеда помогли Андре-Мари Амперу (1775-1836) установить закон взаимодействия двух токов.[5] Закон Фарадея, в свою очередь, говорил, что изменяющиеся во времени магнитные поля индуцируют электрические поля, и, кроме того, было известно, что и меняющееся электрическое поле рождает магнитное. Максвелл свел все эти законы воедино, ввел дополнительный член в связь между магнитным полем и создающим его током и в своей классической работе «О физических силовых линиях» выписал полную систему уравнений.

Максвелл показал: одно из ее решений предсказывает, что ходящий вверх и вниз по антенне электрический ток будет создавать переменные электрическое и магнитное поля, свободно распространяющиеся в пространстве и колеблющиеся под прямым углом друг к другу. То есть если электрическое поле колеблется в вертикальной плоскости, магнитное будет располагаться в горизонтальной, и наоборот. Получается электромагнитная волна, расходящаяся от источника, как рябь от брошенного в озеро камня.

Электромагнитное излучение - это нечто вроде танца, который совершают стоящие друг за другом мужчины и женщины, причем мужчины двигают руками вверх-вниз, а женщины вправо-влево. Допустим, первым идет мужчина. Когда стоящая позади женщина замечает, что он начал опускать руки, она совершает движение руками вправо-влево. Увидев это, следующий за ней мужчина, в свою очередь, принимается поднимать и опускать руки и т. д. Так волна из сменяющих друг друга движений рук бежит от начала цепочки к ее концу. Подобным же образом сменяют друг друга электрические и магнитные «жесты» в электромагнитной волне, выбрасываемой источником в пространство.

Из открытия Максвелла следовал невероятный вывод. Когда великий физик посчитал скорость электромагнитных волн, оказалась, что она совпадает со скоростью света. Максвеллу ничего не оставалось, как сделать смелое заключение: свет есть электромагнитная волна. Были сорваны покровы с тайны, мучившей человечество с древних времен, - свет не один из элементов («огонь» древних греков), а излучение движущихся электрических зарядов.

До рубежа XIX и XX вв. науке был известен только видимый спектр: цвета радуги, на которые распадается солнечный свет. Каждому чистому тону соответствует своя длина волны и частота электромагнитных волн. Длина волны - это расстояние между двумя последовательными пиками горной цепи электромагнитных колебаний. Частота - количество пиков волны, которые за секунду проходят через определенную точку в пространстве. (Представьте, что вы стоите на платформе и считаете, сколько вагонов идущего мимо экспресса пронеслось за секунду.) Поскольку без материи свет всегда бежит с одной и той же скоростью, следующей из уравнений Максвелла, его длина волны и частота обратно пропорциональны друг другу. У красного, цвета с наибольшей длиной волны, частота самая низкая, как если бы мимо станции проезжал неторопливый грузовой состав. Цвет с наименьшей длиной волны, фиолетовый, наоборот, колеблется быстрее всех, напоминая просвистывающий мимо поезд на магнитной подушке.