Достучаться до небес. Научный взгляд на устройство Вселенной

Если имеешь дело с волнами, нужно, чтобы их гребни и впадины располагались на правильном расстоянии, примерно соответствующем размеру объекта, который ученые пытаются рассмотреть. Волна в этом смысле подобна сети, размер ячейки которой соответствует длине волны. Если известно только, что в сети что-то есть, это «что-то» гарантированно находится в пределах области, по размерам соответствующей размерам сети. Чтобы узнать о положении объекта точнее, потребуется либо сеть с меньшими ячейками, либо другой способ поиска неоднородностей в более мелком масштабе.

Квантовая механика говорит нам, что по характеристикам волны можно судить о вероятности обнаружения частицы в конкретной точке пространства. Волны, о которых идет речь, могут быть обычными световыми волнами, а могут оказаться теми, которые несет в себе каждая отдельная частица. Длина такой волны говорит нам о том, на какое минимальное разрешение мы можем рассчитывать, если будем зондировать малые расстояния с помощью частицы или излучения.

Квантовая механика также утверждает, что короткие волны требуют высоких энергий. Дело в том, что с энергией связана частота, и волны самой высокой частоты — с самой короткой, соответственно, длиной — несут в себе максимальную энергию. Таким образом, квантовая механика связывает высокие энергии и малые расстояния и подсказывает нам, что только эксперименты, оперирующие высокими энергиями, могут помочь ученым проникнуть в тайны внутреннего устройства вещества. Именно по этой принципиальной причине для зондирования самой сердцевины вещества и его фундаментального строения нам необходимы устройства, способные разгонять частицы до высоких энергий.

О том, что высокие энергии позволяют исследовать крохотные расстояния и взаимодействия на этих расстояниях, говорят и квантово–механические волновые соотношения. Чем меньшие расстояния мы хотим рассмотреть, тем более высокие энергии — и, следовательно, более короткие волны — нам потребуются. Квантово–механический принцип неопределенности, утверждающий, что малые расстояния связаны с большими импульсами, получает дополнение в лице специальной теории относительности, которая устанавливает связь между энергией, массой и импульсом и делает эту связь более отчетливой.

Ко всему прочему, Эйнштейн научил нас, что энергия и масса взаимозаменяемы и могут превращаться друг в друга. Так, при столкновении частиц их масса может обернуться энергией, поэтому чем выше энергия, тем более тяжелые материальные частицы могут быть получены, так как Е = mc². Это уравнение означает, что высокая энергия — Е — делает возможным создание более тяжелых частиц с большей массой — m. И эта энергия носит всеобщий характер, из нее может возникнуть частица любого типа, если только она кинематически возможна (иначе говоря, достаточно легка).

Таким образом, высокие энергии, исследованием которых мы занимаемся в настоящее время, — это мостик к меньшим расстояниям и размерам, а возникающие в ходе эксперимента частицы — ключ к пониманию фундаментальных законов природы, действующих на этих расстояниях. Любые новые частицы и взаимодействия, проявляющиеся на малых расстояниях, могут стать ключом к пониманию основы так называемой Стандартной модели элементарных частиц — наших нынешних представлений о самых базовых, самых фундаментальных структурных элементах вещества и их взаимодействиях. Теперь давайте рассмотрим некоторые ключевые открытия, связанные со Стандартной моделью, и методы, которые используют сегодня ученые, чтобы еще немного продвинуться в этом направлении.

ОТКРЫТИЕ ЭЛЕКТРОНОВ И КВАРКОВ

Все объекты в атоме — электроны, обращающиеся вокруг ядра, и кварки, удерживаемые глюонами внутри протонов и нейтронов — были экспериментально обнаружены учеными при помощи Миниатюрных «зондов» с высокими энергиями. Мы уже видели, что электроны в атоме привязаны к ядру силой притяжения противоположных электрических зарядов. Благодаря этой силе энергия системы в целом — атома — оказывается ниже, чем суммарная энергия отдельных его элементов. Поэтому, для того чтобы выделить и исследовать электроны, кто-то должен передать атому достаточно энергии, чтобы его ионизировать — иначе говоря, освободить электроны, оторвав их от ядра. Отдельный электрон для физиков гораздо удобнее: его свойства, такие как заряд и масса, можно исследовать.

Открытие ядра — другой составной части атома — было еще более удивительным событием. Эрнест Резерфорд и его студенты обнаружили ядро в ходе опытов, аналогичных сегодняшним экспериментам с элементарными частицами. Они обстреливали ядрами гелия (которые тогда называли альфа–частицами, потому что о существовании у атомов ядер еще ничего не было известно) тонкую золотую фольгу. Энергия альфа–частиц оказалась достаточной, чтобы Резерфорд смог выявить некие структуры внутри ядра. Он обнаружил, что альфа–частицы, которыми они обстреливали фольгу, иногда отклонялись на значительно больший угол, чем рассчитывали ученые (рис. 20). Они ожидали, что частицы будут равномерно рассеиваться, а вместо этого обнаружили, что некоторые из них отлетают от фольги, будто рикошетят от заключенных внутри тяжелых шариков. Сам Резерфорд описывал это так:

РИС. 20. В эксперименте Резерфорда альфа–частицы (которые, как нам сегодня известно, представляют собой ядра гелия) рассеиваются на золотой фольге. Неожиданно большой угол отражения некоторых альфа–частиц продемонстрировал существование в центре атома концентрированной массы — атомного ядра

«Это было самое невероятное событие из всех, с какими я сталкивался в жизни. Это было почти столь же невероятно, как если бы вы стреляли 15–дюймовым снарядом по листу папиросной бумаги, а снаряд отскочил бы и попал рикошетом в вас самих. После, как следует поразмыслив, я пришел к выводу, что такое отражение должно быть результатом одного–единственного столкновения; я провел расчеты и убедился, что невозможно получить реакцию такой силы, если не взять систему, в которой большая часть массы атома сконцентрирована в крохотном ядре. Именно тогда у меня появилась мысль об атоме с маленьким массивным центром, несущим электрический заряд».

При экспериментальном обнаружении кварков внутри протонов и нейтронов также использовались методы, во многом аналогичные методам Резерфорда, но энергии для этого потребовались намного большие, чем были у его альфа–частиц. Требовался ускоритель частиц. Он должен был придавать электронам — и излучаемым ими фотонам — достаточно высокие энергии.

Первый кольцевой ускоритель элементарных частиц получил название циклотрон, поскольку частицы в нем, ускоряясь, двигались по окружности. Первый циклотрон построил в 1932 г. Эрнест Лоуренс в Университете Калифорнии. Это был очень маленький (около 30 см в диаметре) и слабый по современным стандартам циклотрон. Энергии, которые он позволял получать, даже близко не подходили к уровню, необходимому для обнаружения кварков. Это знаменательное открытие стало возможным лишь после многочисленных усовершенствований конструкции ускорителей; в ходе которых, кстати говоря, было сделано несколько важных открытий.

Задолго до того, как появилась возможность исследовать кварки и внутреннюю структуру атомного ядра, в 1959 г., Эмилио Сегре и Оуэн Чемберлен получили Нобелевскую премию за открытие антипротона (в 1955 г. на бэватроне Лаборатории имени Лоуренса в Беркли). Бэватрон — ускоритель более сложный, чем циклотрон — уже мог доводить энергию протонов до уровня, соответствующего шестикратной массе покоя; этого более чем достаточно для создания пар «протон — антипротон». Протонным пучком на бэватроне бомбардировали различные мишени и (согласно все той же волшебной формуле Е = mc²) получили невиданные прежде разновидности вещества, в том числе антипротоны и антинейтроны.

Вообще, антивещество играет в физике элементарных частиц очень существенную роль, поэтому давайте отвлечемся ненадолго и поговорим об этом замечательном явлении — своеобразном двойнике того вещества, которое мы наблюдаем вокруг. Поскольку заряд любой частицы и соответствующей ей античастицы в сумме дает нуль, вещество при встрече с антивеществом может аннигилировать, то есть взаимно уничтожаться. К примеру, антипротон — одна из форм антивещества — может сливаться с протоном с образованием чистой энергии согласно формуле Эйнштейна Е = mc².