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.

---

Но видимая глазом радуга цветов занимает довольно скромное место в полном электромагнитном спектре. В 1800 г. британский астроном Вильям Гершель, первооткрыватель планеты Уран, решил измерить температуры различных цветов. Каково же было его удивление, когда он увидел, что в невидимой части за красным концом спектра термометр давал высокие показания. Измеренное Гершелем низкочастотное излучение, которое располагается непосредственно у границы видимого спектра, известно сегодня как инфракрасный свет.

Годом позже немецкий физик Иоганн Риттер, узнав про опыты Гершеля, принялся исследовать область на фиолетовом конце спектра. Он обнаружил, что невидимые лучи из этой части спектра, позже названные ультрафиолетовыми, сильно воздействовали на хлорид серебра, который, как было известно, реагирует на свет.

Следующими в электромагнитном спектре на очереди стояли радиоволны. В конце 80-х гг. XIX в. для проверки теории Максвелла немецкий ученый Генрих Герц собрал излучатель в форме гири, который производил электромагнитные волны с частотами ниже, чем у инфракрасного света. Приемник, расположенный рядом, принимал эти волны, сигнализируя об этом искрой. Измерив скорость и другие свойства волн, Герц доказал, что это невидимые аналоги света. Гипотеза Максвелла получила блестящее подтверждение.

Границы спектра продолжали расширяться. В 1895 г. немецкий физик Вильгельм Рентген обнаружил, что электрический разряд, идущий от спирали, запаянной внутри стеклянной трубки, дает высокочастотное излучение. Невидимые лучи выходили из трубки, преодолевали черный картон, в который Рентген ее оборачивал, пролетали около метра и заставляли светиться бумагу, покрытую химическими солями. Благодаря своей проникающей способности рентгеновское[6] излучение как нельзя лучше подходит для создания изображений. Гамма-излучение, открытое французским ученым Полем Вилларом пять лет спустя после экспериментов Рентгена, обладает еще более высокой частотой и замыкает известный нам электромагнитный спектр.

Да, у света, который диктуют уравнения Максвелла, мало общего с ньютоновскими корпускулами. Электромагнитное излучение, скорее, должно стоять рядом с такими волновыми явлениями, как сейсмические толчки, морские волны и звук. Все эти колебания распространяются по какой-либо материальной среде. Возникает законный вопрос: по какой среде бежит свет? Разве он может бежать по абсолютному вакууму?

Многие ученые XIX столетия думали, что все пространство заполняет неуловимая субстанция под названием эфир, по которой, как по трубам, идут световые колебания. А значит, если измерять скорость света в разных направлениях, она должна меняться вместе с направлением эфирного ветра. Знаменитый эксперимент американских физиков Альберта Майкельсона и Эдварда Морли 1887 г. зарубил эту гипотезу на корню. Однако научному миру было по-прежнему трудно понять, как это свет может лететь в чистейшей пустоте, особенно если учесть почти полную аналогию с волнами в материальных средах.

Факт постоянства скорости света заставил задаться еще одним важным вопросом. В мысленном эксперименте, который много раз проигрывал молодой Альберт Эйнштейн (1879-1955), он пытался представить, что произойдет, если бежать наперегонки со световой волной и «сесть» на нее? Тогда она застынет, как выхваченный фарами из темноты олень? Или, по-другому, измерим ли мы в таком случае нулевую скорость света? Ньютоновская механика отвечает на этот вопрос положительно: если два тела двигаются с одинаковыми скоростями, друг другу они будут казаться покоящимися. В уравнениях Максвелла тем не менее нет никакого намека на скорость наблюдателя. Свет пролетает с одной и той же скоростью, подгоняемый неразрывной связью между электрическими и магнитными колебаниями. На решение этого кажущегося парадокса молодой Эйнштейн потратил немало творческих сил.

Его специальная теория относительности, опубликованная в 1905 г., сняла этот вопрос. Эйнштейн добавил в ньютоновскую механику множители, которые приводили к растяжению временных промежутков и укорочению расстояний для экспериментатора, движущегося почти со скоростью света. Эти два эффекта, известные соответственно как замедление времени и сокращение длины, так друг друга компенсируют, что все наблюдатели меряют одну и ту же скорость света. Как ни удивительно, но они в сущности заставляют нас приписать наблюдателям, летящим с разными скоростями, разный ход времени и разные измеряемые длины. Эту цену, Эйнштейн понимал, он должен заплатить, чтобы согласовать уравнения Максвелла и физику движущихся тел.

Отталкиваясь от нового подхода к измерению расстояний, времени и скорости, Эйнштейн вынужден был расширить и другие понятия физики Ньютона. Например, понятие массы, в которое он включил не только массу покоя, но и релятивистскую массу. Масса покоя характеризует количество содержащейся в теле материи. Эту массу можно поменять, только добавив или убрав часть материала, в то время как релятивистская масса зависит от скорости тела.[7] Покоящийся в начале кусок материи обладает только массой покоя, но, по мере того как его скорость растет, его релятивистская масса становится все больше. Эйнштейн пришел к выводу, что полную энергию тела можно приравнять к его релятивистской массе, умноженной на скорость света в квадрате. Из его знаменитой формулы Е = тс 2 следовало, что при определенных условиях энергия и масса, подобно воде и льду, могут переходить друг в друга.

Второй вопрос, на который Эйнштейн направил свой легендарный ум, звучал так: энергия светового луча зависит исключительно от его яркости, или свое влияние оказывает также и частота? Классическая теория волновых процессов связывает их энергию с величиной колебаний. Волны с крутыми горбами несут больше энергии, чем волны с пологим профилем. Скажем, чем крепче ударишь по барабану, тем более сильные колебания возбудишь, тем громче и энергичней будет звук. Громкость характеризует интенсивность звука и зависит от высоты, или амплитуды, звуковых волн. Так и яркость говорит об интенсивности света и точно таким же образом соотносится с амплитудой световых волн.

Тело, которое поглощает весь падающий на него свет, называется черным телом. Стоит взять черное тело, например в виде ящика (подойдет картонная упаковка от салфеток, обернутая черной бумагой), и нагреть его, как оно начнет излучать. Если предположить, что это электромагнитное излучение всевозможных частот, и попытаться посчитать, сколько излучается на каждой частоте, возникает серьезное препятствие. Как известно, в одну упаковку входит больше сложенных салфеток, чем несложенных. Такая же история с колебаниями: в ящике помещается больше коротковолновых колебаний, нежели длинноволновых. Следовательно, вычисления, основанные на классической теории волн, предсказывают, что львиную долю энергии захватят короткие волны, в то время как длинноволновые моды будут довольствоваться жалкими крохами. Другими словами, из ящика в изобилии будут выходить коротковолновые волны высокой частоты: ультрафиолетовое и более жесткое излучение. Такой сценарий, называемый ультрафиолетовой катастрофой, конечно, не имеет места. Иначе получилось бы вот что: едва вы поставили бы на стол горячий темный контейнер для еды, как он мгновенно превратился бы в солярий, излучающий ультрафиолет, а в придачу небезопасные рентгеновские и даже смертельные гамма-лучи. Так что предположение, что свет ведет себя как классическая волна, приводит к летальному исходу!

В 1900 г. немецкий физик Макс Планк придумал математическое решение парадокса черного тела. Взамен классической картины, в которой энергия волны меняется пропорционально ее яркости, он предложил считать, что световая энергия приходит в виде отдельных порций, квантов («квантум» по-гречески «порция»). Причем энергия в каждом кванте пропорциональна частоте. Коэффициент пропорциональности сегодня называется постоянной Планка. Идея Планка, фактически означавшая перераспределение энергии в низкие частоты, позволяла избежать ультрафиолетовой катастрофы.

Пять лет спустя Эйнштейн применил эту идею о квантах к явлению, получившему название фотоэлектрического эффекта, или просто фотоэффекта. Фотоэффект имеет место, когда свет падает на металл, выбивая из последнего электроны (отрицательно заряженные частицы). Эйнштейн показал, что световую энергию электроны получают в виде отдельных квантов. То есть свет иногда ведет себя как частица, а не как волна. Эта теория стала одним из первых робких шагов к полной квантовой теории материи и энергии. Специальную теорию относительности, работы по фотоэффекту и эквивалентности массы и энергии - все это Эйнштейн опубликовал в 1905 г., который стал для него, как говорят, «годом чудес»[8].

Вскоре русско-немецкий математик Герман Минковский придал специальной теории относительности изящную форму. Приняв время за четвертое измерение, вдобавок к пространственным (длине, ширине и высоте), он заметил, что запись теории Эйнштейна значительно упрощается. Положив конец розни между пространством и временем, Минковский провозгласил рождение четырехмерного «пространства-времени».