Марк Перельман - Наблюдения и озарения или Как физики выявляют законы природы

• Название: Наблюдения и озарения или Как физики выявляют законы природы
• Автор: Марк Перельман
• Издательство: Книжный дом «ЛИБРОКОМ»
• Жанр: Прочая научная литература
• Год: 2012
• ISBN: 978-5-397-02592-8

Все мы знакомы с открытиями, ставшими заметными вехами на пути понимания человеком законов окружающего мира: начиная с догадки Архимеда о величине силы, действующей на погруженное в жидкость тело, и заканчивая новейшими теориями скрытых размерностей пространства-времени.

Но как были сделаны эти открытия? Почему именно в свое время? Почему именно теми, кого мы сейчас считаем первооткрывателями? И что делать тому, кто хочет не только понять, как устроено все вокруг, но и узнать, каким путем человечество пришло к современной картине мира? Книга, которую вы держите в руках, поможет прикоснуться к тайне гениальных прозрений.

Рассказы «Наблюдения и озарения, или Как физики выявляют законы природы» написаны человеком неравнодушным, любящим и знающим физику, искренне восхищающимся ее красотой. Поэтому книга не просто захватывает — она позволяет почувствовать себя посвященными в великую тайну. Вместе с автором вы будете восхищаться красотой мироздания и удивляться неожиданным озарениям, которые помогли эту красоту раскрыть.

Первая часть книги, «От Аристотеля до Николы Теслы», расскажет о пути развития науки, начиная с утверждения Аристотеля «Природа не терпит пустоты» и эпициклов Птолемея, и до гелиоцентрической системы Коперника и Галилея и великих уравнений Максвелла. Читатель проделает этот огромный путь рука об руку с гениями, жившими задолго до нас.

«От кванта до темной материи» — вторая часть книги. Она рассказывает о вещах, которые мы не можем увидеть, не можем понять с точки зрения обыденной, бытовой ЛОГИКИ' о принципе относительности, замедлении времени, квантовании энергии, принципе неопределенности, черных дырах и темной материи. История загадочной, сложной и увлекательной современной физики раскроется перед читателем.

Итак, вперед — совершать открытия вместе с гениями!

---

Схему Гелл-Манна-Неэмана можно сравнить с Периодической системой Менделеева, поскольку она не только упорядочила известные частицы, но и предсказала свойства неизвестных еще частиц. Теория эта была подтверждена в 1964 г. открытием синглета, предсказанной частицы — омега-минус-гиперона (Ω-).

Ювал Неэман (1926–2006) окончил инженерный факультет, с 15 лет в подпольных вооруженных формированиях, с начала Войны за независимость Израиля в 1948 г. в армии, непосредственно в боевых частях. Несмотря на блестящие перспективы службы (с 1952 г. начальник отдела стратегического планирования Генштаба), переходит на должность военного атташе посольства Израиля в Лондоне, параллельно в 1958 г. поступает на физический факультет Лондонского университета (самый старый студент!) и за три года, с военными перерывами, заканчивает его. Кроме теоретических исследований организовал ядерный центр Израиля, был также министром науки.

Согласно этой модели, у лямбда- и сигма-гиперонов странность S = -1, поэтому они рождаются в паре с одним К-мезоном (у которых странность S = 1). У кси-гиперонов (они образуют дублет) странность S = -2, и их рождение сопровождается появлением двух К-мезонов, а вот у омега-гиперона (синглет, хоть и заряженный) странность S = -3, поэтому он рождается только вместе с тремя К-мезонами. Очевидно также, что поскольку при распаде частиц странность должна меняться на единицу, то кси-гипероны распадаются на лямбда-или сигма-частицы и пионы, а затем те уже распадаются дальше. Ну а омега-гиперон должен претерпеть цепочку трех последовательных распадов с изменениями странности в каждом из них на единицу.

б. Модель Ферми — Янга

Мы уже не раз говорили о том, что масса связанной системы меньше суммы масс составляющих частиц в свободном состоянии, а возникающий дефект масс соответствует, согласно формуле Эйнштейна, энергии связи частиц. При образовании химических соединений или планетных систем дефекты масс столь малы, что практически не измеримы. В ядрах атомов энергия связи нуклонов уже составляет до полупроцента их массы, и именно поэтому изменение величины этого дефекта масс является источником получения атомной (точнее, ядерной) энергии.

Но, вообще говоря, нет никаких ограничений на величину дефекта масс — в принципе, он может составлять и большую часть массы. Вот такую идею и ввели в 1949 г. Ферми и Янг для представления пионов как составных систем.

Они предложили рассматривать пи-плюс-мезон как тесно связанную систему из протона и антинейтрона с противоположно направленными спинами: π+ = (p+͞n) и соответственно π_ = (n+͞p), при этом пи-ноль-мезон половину времени проводит как система протон-анти-протон, а вторую половину — как нейтрон-антинейтрон. Если такая система нечетная, то она соответствует π0, а если комбинация четная, то другой частице, также позже обнаруженной. Дефект масс при образовании пионов составляет 13/14 полной массы двух нуклонов, но ничего невозможного такой дефект масс собой не представляет — зато сразу становится на три частицы меньше!

К тому же нуклон-антинуклон могут составлять и другие системы, например, со спинами, направленными в одну сторону, — в этом случае они образуют семейство так называемых ро-мезонов; можно рассматривать системы нуклон-антинуклон с высшими моментами и т. д. Такого рода «частицы» имеют очень короткие времена жизни, и их обычно называют нуклонными или мезонными резонансами или резононами, в принципе, для них можно установить некое подобие системы возбужденных состояний атомов в модели Бора.

Модель Ферми-Янга выглядела очень заманчивой — существенно уменьшался список основных «кирпичиков» мироздания. Поэтому с открытием новых частиц естественным выглядело распространить на них схожие представления.

Первым в этом направлении был Сенти Саката (1911–1970): он показал, что если помимо нуклонов принять за основную частицу лямбда-гиперон, то можно построить все остальные странные частицы (1956). Так К+-мезон составляется из протона и анти-лямбда, К--мезон составляется из лямбда-гиперона и антипротона, сигма-гипероны — из лямбда и пионов. Было создано еще несколько подобных моделей, в которых к нуклонам добавлялась та или иная странная частица, и в конце концов стало ясно, что достаточно принять в качестве основной любую из них, — никаких особых преимуществ ни одна из частных моделей не имела — наступившее положение назвали «ядерной демократией» (автор также принимал участие в этих поисках).

7. Теория кварков

Казалось, что явление ядерной демократии полностью обесценило возможность выбора тех частиц, которые можно принять за основные. И тут возникла совершенна новая, поистине «сумасшедшая» идея: а почему этот поиск идет только среди уже найденных частиц, может быть, нужно придумать новые частицы, которые единственным, точнее, самым простейшим образом (это основное требование!) позволят построить составные модели всех остальных?

Именно по такому пути Джордж Цвейг (родился в 1937 г. в Москве) и Мюррей Гелл-Манн сумели в 1963–1964 гг. оптимизировать составную модель частиц: они нашли, независимо, простейший вариант основных частиц, кварков, из которых можно составить все остальные. Однако при этом им пришлось предположить совершенно, казалось бы, невероятные, противоречащие всему опыту физики параметры таких частиц: их электрические и барионные заряды должны были бы составлять, соответственно, одну или две трети от заряда электрона и по одной трети барионного заряда протона. (Напомним, что заряд электрона всегда считался наименьшим возможным, равно как и барионный заряд нуклона.)

Цвейг назвал эти придуманные частицы тузами, а Гелл-Манн — кварками и этим задал работу интерпретаторам: обычно принимается, что это слово, несколько искаженное, он заимствовал из романа Джеймса Джойса «Поминки по Финнегану», где официант почему-то выкрикивает: «Три кварка, три кварка для сэра Марка!».

Попробуем пояснить, как они могли конструировать эту модель. Хотя во многих моделях гипероны составлялись из трех частиц (двух барионов и одного антибариона, общая формула ВВВ), они приняли, что каждый барион (и нуклон, и гиперон) состоит из трех кварков, обозначаемых буквой q, поэтому барионный заряд каждого кварка равен одной трети обычного, и все барионы составлены по общей формуле В = qqq, а все антибарионы — из трех антикварков. Все мезоны состоят из кварка и антикварка, поэтому их общая формула имеет вид М = ͞qq. Ясно также, что все кварки должны иметь спин равный ½, т. е. быть фермионами.

Теперь нужно посмотреть, сколько, по минимуму, нужно типов кварков для конструирования всех барионов, и каковы необходимые для этого странность и электрические заряды. Поскольку барионный заряд составляет одну треть наблюдаемого, то естественно начать с такого же деления и электрического заряда, тогда элементарный перебор всех возможностей показывает, что достаточно ввести три кварка: u-кварк с зарядом в две трети элементарного заряда (2/3е), d-кварк с зарядом минус одна треть (-1/3е), оба с нулевой странностью, и s-кварк с зарядом -1/3е, но со странностью -1. (Обозначения соответствуют первым буквам английских слов up, down, strange — верхний, нижний, странный.)

В этой теории известные частицы представимы так: протон р=uud, нейтрон п = udd, лямбда-гиперон Λ = uds, пион π+ = ͞du, каон К+ = ͞sи и так далее вплоть до Ω- = sss. И естественно, что резононы могут теперь рассматриваться как возбужденные состояния системы кварков. Именно эти кварки играют роль партонов в составе частиц: они были обнаружены, как упоминалось выше, в экспериментах Дж. И. Фридмана, Г. У. Кендалла и Р. Е. Тэйлора — идейно этот эксперимент напоминает опыт Резерфорда, в котором была определена структура атома, только измерялось рассеяние электронов — их структура известна, и поэтому их можно использовать для выявления структуры других частиц.

Казалось бы, все хорошо, но, помимо проблем наблюдения, сразу же возникает противоречие: согласно принципу запрета Паули, никакие два фермиона не могут, имея одинаковыми все квантовые числа, находиться точно в одинаковом положении, а в этих моделях одинаковые кварки занимают одно и то же положение (в резононе Δ++, который был открыт еще Ферми в рассеянии π+-мезона на протоне и имеет двойной заряд и спин 3/2, оказалось три u-кварка в одинаковом состоянии!). Эту проблему пришлось разрешать привычным образом — вводить новое квантовое число: поскольку в частице не более трех кварков, то это число может принимать три значения, и его назвали «цвет» — Н. Н. Боголюбов, А. Н. Тавхелидзе и др. (по аналогии с синтезом любого видимого цвета из трех составляющих: красного, зеленого, синего). Таким образом, например, омега-минус-гиперон нужно писать как Ω- = sкsзsс — все кварки различны и поэтому могут иметь остальные квантовые числа одинаковыми. Наблюдаемые частицы должны быть бесцветными, т. е. барионы должны содержать кварки всех трех цветов, а мезоны — по кварку и антикварку одинакового цвета. После этого законы взаимодействия между «цветными» кварками были, естественно, названы квантовой хромодинамикой (о ней — в следующем разделе).