Новая Физика Веры

Если же весомый протон встретится с весомым антипротоном, то они превратятся в невесомую энергию двух фотонов, суммарная масса которых будет равна удвоенной массе покоя протона. Если нам как-то удастся «ударить такой удвоенной массой фотонов по вакууму», то он вытолкнет из себя пару элементарных частиц (протон и антипротон) с почти нулевой скоростью. Новорожденные в непосредственной близости протон и антипротон притягиваются друг к другу электростатическими силами и превращаются в невесомую энергию. То же самое произойдет и с другими парами частиц и античастиц. Это значит, что досветовые скорости вещества устойчивы. Иными словами, не так-то легко «утопить» вещество в бушующем океане отрицательной энергии вакуумного пространства.

Существование процессов синтеза и аннигиляции частиц было предсказано теорией Дирака до того, как они были открыты в природе, и с тех пор наблюдались в лаборатории миллионы раз. А теоретической основой для открытий послужил дираковский физический вакуум.

Физика высоких энергий

Возможность возникновения материальных частиц из чистой энергии является прекрасным подтверждением правильности теории относительности. До использования теории относительности при рассмотрении частиц ученые, по сути, решали для себя один вопрос: возможно ли бесконечно делить материю на все более мелкие единицы, или все же существуют мельчайшие неделимые частицы?

Способности человека поражают. Изощренный человеческий ум позволил ученым разделить даже субатомные частицы, столкнув их друг с другом с огромной энергией. Высокоэнергетические столкновения субатомных частиц – основной метод, который используют физики для изучения их свойств, и по этой причине физика частиц носит также название физики высоких энергий. Кинетическая энергия обеспечивается в огромных (достигающих в окружности нескольких миль) ускорителях частиц, в которых частицы разгоняются до скорости, близкой к скорости света, а затем они сталкиваются с другими частицами.

Процесс подготовки. Например, целью эксперимента являются наблюдение и измерение интересующей физиков частицы. Необходимо предварительно подготовить исследуемую частицу: либо изолировать ее, либо создать специально в процессе подготовки эксперимента. Затем разогнать ее в ускорителе частиц до скорости, близкой к скорости света. Когда необходимое количество энергии приобретено, частица покидает ускоритель и перемещается в район мишени, где сталкивается с другими частицами. Рассмотренный этап эксперимента называется подготовкой. Свойства частицы нельзя определить независимо от самого процесса подготовки. Если в подготовку вносятся изменения, свойства частицы тоже изменяются.

Столкновения происходят в пузырьковой камере, которая представляет собой прибор для регистрации следов (треков) заряженных частиц высоких энергий. Большинство частиц, возникающих при столкновениях, очень недолговечны и существуют гораздо меньше одной миллионной доли секунды, после чего они снова распадаются на протоны, нейтроны и электроны. Но, несмотря на крайне непродолжительный срок существования, ученые сумели не только обнаружить эти частицы и измерить их характеристики, но и сфотографировать их следы.

Пузырьковая камера изобретена в 1952 году американским ученым Д. Глейзером, ставшим в 1954 году лауреатом Нобелевской премии по физике. Ее действие основано на вскипании перегретой жидкости вблизи траектории частицы. Прохождение заряженной частицы через перегретую жидкость приводит к образованию вдоль следа частицы «зародышевых» центров кипения. За время порядка 0,5–3 мс образующиеся на зародышах пузырьки достигают размеров 50—300 мкм и могут быть сфотографированы при освещении их импульсным источником света (4). Сами частицы на несколько порядков меньше пузырьков, составляющих следы частиц, но по толщине и искривленности трека физики могут определить, какая частица его оставила. В точках, из которых исходит несколько треков, происходят столкновения частиц; искривления возникают из-за использования исследователями магнитных полей.

В последнее время с целью увеличения энергии столкновения широко применяют встречные пучки, формируемые ускорителями и так называемыми накопительными кольцами: протон-протонные, протон-антипротонные, электрон-электронные, электрон-позитронные. Эти пучки пересекаются, и частицы разных пучков вступают во взаимодействие. В результате они рассеиваются: изменяется состояние их движения, или рождаются новые частицы. С помощью детекторов рассеянные частицы регистрируются и измеряются их характеристики (12).

Столкновения частиц – основной экспериментальный метод для изучения их свойств и взаимодействий, и красивые линии, спирали и дуги в пузырьковых камерах имеют первостепенное значение для современной физики. Подвергая математическому анализу следы частиц, ученые могут говорить о свойствах этих частиц; при этом часто используют компьютеры, ибо анализ очень сложен. Все эти процессы составляют акт измерения.

О спине. Значительная часть необъясненных пока физических эффектов, полученных в ускорителях, связана с поведением частиц, обладающих спином. Спин (от англ. spin – вертеться, вращаться) – собственно момент количества движения элементарной частицы, имеющей квантовую природу, не связанный с перемещением частицы как целого.

Разгоняя в ускорителе поток частиц со спинами, одинаково ориентированными относительно спинов частиц мишени, ученые зафиксировали необычное их поведение. Частицы налетающего потока вели себя так, как будто между ними и частицами мишени не существовала сила электрического отталкивания, которая, казалось бы, должна была возникнуть из-за их одинакового электрического заряда. И наоборот, если ориентация спинов в налетающем потоке и в мишени была разная, результаты оказывались другими.

Многочисленные эксперименты, в которых важную роль играют спины частиц, выявили такие эффекты, которые невозможно объяснить с точки зрения обычных теоретических постановок.

Концепция спина была введена в физику в 1925 году американскими учеными Дж. Уленбеком и С. Гаудсмитом, предположившими на основе анализа спектроскопических данных, что электрон можно рассматривать как «вращающийся волчок» с собственным механическим моментом и собственным (спиновым) магнитным моментом (2). Кроме массы и заряда элементарная частица приобрела еще одну важнейшую характеристику – спин. Спин измеряется в единицах постоянной Планка и характеризуется спиновым квантовым числом, которое для определенных групп элементарных частиц принимает целочисленные или полуцелые значения. Например, спин электрона, протона, мюона, нейтрино и гипотетических кварков равен 1/2; спин пи– и К-мезонов равен 0; спин фотона равен 1.

В науке появились серьезные основания предполагать существование специфических взаимодействий и соответствующих им полевых форм, порожденных классическим спином и угловым моментом вращения. Причем экспериментальные данные показывают, что эти взаимодействия принципиально отличаются от известных фундаментальных взаимодействий: сильное, слабое, гравитационное и электромагнитное.

Интересные результаты, связанные с дальнодействием сил, порожденных телами, обладающими собственным моментом вращения, получены, например, в теоретической астрофизике: сформулированы гипотезы о возможных эффектах, связанных с моментами вращения таких объектов, как звезды, галактики и черные дыры. В частности, советский астрофизик Н. А. Козырев, исследуя поле, характеризующее поток времени, источником которого являются звезды – объекты с большим моментом вращения, по существу, исследовал спиновые поля. Его работы позволили предположить, что воздействие от объектов, обладающих моментом вращения, распространяется со скоростью неизмеримо большей, чем скорость света. Анализ выполнялся на базе таких параметров, как масса, заряд и момент вращения.