Полный текст:
«Во
всем мне хочется дойти до самой сути...
До оснований, до корней, до
сердцевины...»
Б.
Пастернак
Физика частиц, или как ее еще иногда
называют физика высоких энергий — это наука о строении и свойствах материи на
субъядерном уровне, о процессах, происходящих в областях с характерными
размерами не более 10-13 см. И в то же время это наука о наиболее
фундаментальных принципах и законах нашего мира. «Эти два аспекта физики частиц
— обращенный в микромир и глобальный — связаны естественным образом, ибо чем
проще исследуемые объекты и явления, тем четче проявляются в них наиболее общие
законы, поскольку закономерности более сложных систем на них не действуют. На
уровне элементарных частиц остается действие лишь самых основных законов, более
того — свойства этих частиц (в том числе сам факт их существования) являются
проявлением таких законов.»[1]
Как высказался нобелевский лауреат
Вайнберг: «Наша цель — понять основополагающие принципы, которые определяют,
почему природа... такова, какова она есть... Изучение элементарных частиц
представляет на сегодня самый верный — а возможно, и единственный — путь к
пониманию фундаментальных законов природы».[2]
Физика частиц развивается способом
тесного и плодотворного сотрудничества теоретических и практических знаний.
Современные теоретические представления о мире в основном соответствуют
существующим экспериментальным данным и позволяют наметить дальнейшую программу
экспериментальных исследований, определить их цели и задачи на ближайшие годы.
Но нельзя отрицать и возможность того, что результаты будущих экспериментов
могут оказаться неожиданными и важными,
и непредсказанными пока теорией.
Двадцатый век ознаменован стремительным
проникновением в глубь микромира,
последовательными этапами которого были открытие сложного строения атома и
атомная физика, физика атомного ядра и, наконец, субъядерная физика, физика
частиц. «Существование первых четырех
фундаментальных частиц: электрона, протона и нейтрона, из которых «построены»
атомы, и «частицы» света фотона — было установлено в классических экспериментах
по атомной и ядерной физике. Их открытие, завершившееся в 1932 году
обнаружением нейтрона, можно считать началом физики частиц.»[3]
Итак, в 1920-е годы — после введения
принципов квантовой механики— субатомный мир представлялся крайне простым.
Всего два вида элементарных частиц — протоны и нейтроны — составляли ядро атома
(хотя экспериментально существование нейтронов и было подтверждено лишь в
1930-е годы), и один вид частиц — электроны — существовали за пределами ядра,
вращаясь вокруг него на орбитах. Казалось, всё многообразие Вселенной выстроено
из этих трех частиц.
Но столь простой картине мира суждено
было просуществовать недолго. Ученые, оборудовав высокогорные лаборатории по
всему миру, принялись за изучение состава космических лучей, бомбардирующих
нашу планету, и вскоре начали открывать всевозможные частицы, не имеющие ни
малейшего отношения к вышеописанной триаде. В частности, были обнаружены
совершенно немыслимые по своей природе античастицы. Новый период в
физике частиц начался с пятидесятых годов, когда экспериментальные исследования
стали проводиться преимущественно с использованием ускорителей высокой энергии.
Однако, вернемся ближе к интересующему
нас здесь вопросу. Итак, в 1932 году в известном всем Калифорнийском
технологическом институте молодой физик-экспериментатор Карл Дэвид Андерсон,
исследуя космические лучи с помощью камеры Вильсона в магнитном поле, обнаружил
следы частиц с положительным зарядом и массой, существенно меньшей массы
протона, который был тогда единственной известной положительнозаряженной
частицей. Таких следов Андерсон нашел на 15 снимках из 1300. Одна из тех
фотографий оказалась решающей. В ней не было бы ничего необычного, если
перевернуть ее «вниз головой». «Тогда ее следовало бы интерпретировать как след
отрицательной легкой частицы (т. е. электрона) с импульсом 63 МэВ/с,
двигавшейся сверху вниз и прошедшей через помещенную в камере свинцовую
пластину толщиной 6 мм,
после чего ее импульс уменьшился до 23 МэВ/с. Однако, если снимок не
переворачивать, то следует признать, что частица двигалась снизу вверх (что в
космических лучах наблюдается весьма редко), а тогда знак ее электрического
заряда, следующий из знака кривизны траектории, положительный. При этом длина
пробега частицы в верхней половине камеры превышает пробег протона с той же
кривизной траектории в заданном магнитном поле по крайней мере в 10 раз, откуда
непосредственно следует, что масса частицы значительно меньше массы протона.»[4]
Альтернативные варианты толкования были отвергнуты как невероятные.
Верхний предел возможной величины
заряда частицы, который был определен по потерям энергии при прохождении
свинцовой пластины и по визуально оцененной ионизации, оказался таким же, как у
электрона. Если положительный заряд этой частицы равен заряду электрона, то
величина потери энергии при прохождении свинцовой пластины ограничивает
возможное значение ее массы двадцатью массами электрона. Таким образом, после
тщательного анализа полученных данных Андерсон пришел к тому выводу, что
обнаруженные им частицы - «положительно заряженные электроны», названные
позитронами.[5] Так
была впервые экспериментально выявлена античастица — позитрон. В 1932 году
Андерсон опубликовал полученные результаты, а в 1936 году был отмечен за них
половиной Нобелевской премии по физике. (Вторую половину премии получил
австрийский физик-экспериментатор Виктор Франц Гесс, впервые экспериментально
подтвердивший существование космических лучей.) Это был первый (и, пока что,
последний) случай присуждения Нобелевской премии ученому, официально даже не
числившемуся на тот момент в штате научных сотрудников своего университета!
Теоретически существование положительно
заряженного партнера электрона следовало из разработанного Дираком в 1928 году
релятивистского волнового уравнения электрона , оказавшегося симметричным
относительно знака электрического заряда. Изначально Дирак предполагал, что
партнером электрона является протон, так как другие частицы с положительным
зарядом в то время были еще неизвестны. Однако, затем, еще до открытия
Андерсона, стало ясно, что партнер этот должен иметь ту же массу, что и
электрон, и является антиэлектроном, который при столкновении с электроном
должен аннигилировать, превращаясь в два или более фотона («Образование одного
фотона при аннигиляции свободных электрона и позитрона запрещено законом
сохранения импульса; трехфотонная аннигиляция происходит существенно реже, чем
двухфотонная»[6]).
В 1933 году такая аннигиляция электрона и позитрона в два фотона впервые
наблюдалась экспериментально.
Если говорить об аннигиляции, то
следует тут же рассказать и о рождении античастиц и отметить, что это рождение
происходит в столкновениях частиц вещества, разогнанных до энергий,
превосходящих порог рождения пары частица-античастица. Впервые процесс рождения
фотонами пары электрон-позитрон наблюдали супруги Жолио-Кюри в 1933 году с
помощью камеры Вильсона в магнитном поле. Фотон передает рождаемой паре
электрон-позитрон почти всю свою энергию и перестает существовать. В
лабораторных условиях античастицы рождаются во взаимодействиях частиц на
ускорителях; хранение образующихся античастиц осуществляют в накопительных
кольцах при высоком вакууме. В естественных условиях античастицы рождаются при
взаимодействии первичных космических лучей с веществом, например, атмосферы
Земли, а также должны рождаться в окрестностях пульсаров и активных ядер
галактик. Теоретическая астрофизика рассматривает образование античастиц
(позитронов, антинуклонов) при аккреции вещества на чёрные дыры. В рамках
современной космологии рассматривают рождение античастиц при испарении
первичных чёрных дыр малой массы. При температурах, превышающих энергию покоя
частиц данного сорта (в энергетической системе единиц), пары
частица-античастица присутствуют в равновесии с веществом и электромагнитным
излучением. Такие условия могут реализовываться для электрон-позитронных пар в
горячих ядрах массивных звёзд. Согласно теории горячей Вселенной, на очень
ранних стадиях расширения Вселенной в равновесии с веществом и излучением
находились пары частица-античастица всех сортов. В соответствии с моделями
великого объединения эффекты нарушения С- и CP-инвариантности в неравновесных
процессах с несохранением барионного числа могли привести в очень ранней
Вселенной к барионной асимметрии Вселенной даже в условиях строгого начального
равенства числа частиц и античастиц. Это даёт физическое обоснование отсутствию
наблюдательных данных о существовании во Вселенной объектов из античастиц.
Однако, вернемся к первому обнаружению античастицы. Так, следует отметить, что Андерсон, скорее всего, не знал о публикации Дирака абсолютно ничего до
своего экспериментального открытия. Так что в данном случае речь идет, скорее,
об одновременном теоретическом и экспериментальном открытии позитрона, нежели
о целенаправленных поисках экспериментального подтверждения теоретическому
знанию.
«Чтобы понять, как ведут себя частицы и
античастицы при взаимодействии по Дираку, представьте себе ровное поле. Если
взять лопату и вырыть в нем ямку, в поле появятся два объекта — собственно ямка
и кучка грунта рядом с ней. Теперь представим, что кучка грунта — это обычная
частица, а ямка, или «отсутствие кучки грунта», — античастица. Засыпьте ямку
ранее извлеченным из нее грунтом — и не останется ни ямки, ни кучки (аналог
процесса аннигиляции). И снова перед вами ровное поле.»[7]
Как высказывается Ричард Фейнман в
своей публичной лекции на дираковских чтениях в Кембридже: «Дираку первому
удалось с помощью своего релятивистского уравнения объединить квантовую
механику с теорией относительности. Сначала ему казалось, что все дело было в
спине, т. е. собственном угловом моменте; Дирак думал, что спин является
основным следствием релятивистской квантовой теории. Однако именно проблема
отрицательных энергий, возникающих при решении уравнений, в конце концов навела
на мысль, что для объединения квантовой теории с теорией относительности
необходимо допустить существование античастиц. Если сделать это допущение, то
проблему объединения можно решить при любом спине, как это было показано Паули
и Вайскопфом».[8]
Далее, в последующих экспериментах было
установлено, что не только электрон, но и все остальные частицы имеют свои
античастицы.
«Все
следующие за позитроном античастицы были экспериментально обнаружены уже в лабораторных
условиях — на ускорителях. Например, свойства антипротона были предсказаны
теоретиками еще во времена открытия позитрона. Однако для того, чтобы
обнаружить эту частицу, необходимо было иметь ускоренные протоны с энергией
больше 6 ГэВ. Такой ускоритель был специально построен, и начались эксперименты
по обнаружению антипротона и антинейтрона. В 1955 году О. Чемберлену, Э. Сегре,
К. Виганду и Т. Ипсилантису удалось получить и идентифицировать антипротоны,
образующиеся в реакции
p + p >
p + p + + p.
В 1956 году был открыт антинейтрон.
Пятидесятые годы завершились открытием антигиперонов.
Сейчас почти ни у кого не вызывает
сомнения тот факт, что каждая частица имеет "двойника" - античастицу.
Античастицы обладают рядом характеристик, имеющих те же численные значения, что
и частицы и некоторые характеристики с противоположным знаком. Так у частицы и
античастицы одинаковые массы, спины, изоспины, времена жизни; противоположные
знаки у электрических зарядов, магнитных моментов, барионных и лептонных
зарядов, проекций изоспина, четности и др.»[9]
К настоящему времени наблюдались античастицы практически всех известных частиц,
и не вызывает сомнения, что античастицы имеются у всех частиц. Таким образом,
«обобщение правила, что у каждой частицы должна быть своя античастица,
оказалось истинным. Античастица электрона называется позитрон, для других
частиц название античастицы получается просто добавлением «анти» к названию
частицы, например, антипротон или антинейтрон.»[10]
Для некоторых нейтральных частиц,
античастица тождественно совпадает с частицей. Это, в частности, фотон,
нейтральный пи-мезон, эта-мезон и прочие кварконии, хиггсовский бозон, Z-бозон,
гравитон. Такие частицы называют истинно нейтральными. Подчеркнём, что
электрически нейтральные частицы могут и не совпадать со своими античастицами.
Это, в частности, касается нейтрона, нейтрино, нейтрального каона и т. д.
Все известные истинно нейтральные
частицы — бозоны, однако в принципе могут существовать и истинно нейтральные
фермионы (т. н. майорановские частицы).
Говоря о свойствах частиц и античастиц,
Фейнман так же отмечает, что «порядок наступления событий зависит от выбора
системы отсчета, и то, что одному кажется частицей, другому будет
представляться как античастица. Фактически это и означает, что античастицы
обязательно должны существовать. Подводя итог..., можно утверждать следующее:
1) должны существовать античастицы, а также процессы рождения и уничтожения
пар; 2) поведение античастиц определяется поведением обычных частиц.»[11]
Если говорить конкретнее, то «для описания поведения античастицы достаточно
рассмотреть обращенное во времени движение соответствующей частицы»[12]
Фейнман делает на этом особый упор и подытоживает в заключении своей лекции с
присущим ему юмором: «Мы уделяли большое внимание деталям, однако значение
имеют только основные идеи... Если потребовать, чтобы частицы могли обладать
только положительными энергиями, то их траектории будут выходить за пределы
светового конуса в область абсолютно удаленного. Если наблюдать за такими
частицами из другой системы отсчета, то будет казаться, что они движутся вспять
во времени: это античастицы. То, что одному наблюдателю представляется
частицей, другому наблюдателю кажется античастицей...»[13]
Если же говорить о перспективах
развития физической науки, что будет являться логичным, так как мы живем в то
время, когда высокий уровень техники позволяет проводить некоторые сложнейшие
эксперименты, а мировое научное сообщество не разделено на идеологически
враждующие группы, поэтому может работать плодотворнее, то стоит сказать, что вообще, в
начале двадцатого века в физике появились две основополагающие теории — общая
теория относительности Альберта Эйнштейна, которая описывает Вселенную на
макроуровне, и квантовая теория поля, которая описывает Вселенную на
микроуровне. Проблема в том, что эти теории
несовместимы друг с другом. Например, для адекватного описания
происходящего в черных дырах нужны обе теории, а они вступают в противоречие.
Еще Эйнштейн в последние годы жизни хотел разработать Единую теорию поля, но
накопленного эмпирического материала тогда явно не хватало для завершения такой
монументальной задачи. Во второй трети двадцатого века стараниями физиков была
создана Стандартная Модель. Для
дальнейшего объединения фундаментальных взаимодействий в одной теории
описываются различные подходы: теория струн, М-теория теория супергравитации,
петлевая квантовая гравитация и другие.
Хокинг писал
об объединении всех физических теорий в одну фундаментальную теорию в своей
работе «Краткая история времени» так: «...не просто сразу строить полную единую
теорию всего, что происходит во Вселенной. Поэтому мы продвигаемся вперед,
создавая частные теории, описывающие какую-то ограниченную область событий, и
либо пренебрегаем остальными эффектами, либо приближенно заменяем их некоторыми
числами... Но можно надеяться на то, что, в конце концов, будет найдена полная,
непротиворечивая единая теория, в которую все частные теории будут входить в
качестве приближений и которую не нужно будет подгонять под эксперимент
подбором значений входящих в нее произвольных величин. Работа по созданию такой
теории называется объединением физики»[14]
Несомненно,
что внутренне совершенство физической теории, то есть, ее стройность,
логичность, физическое и математическое совершенство, весьма важная черта для
нее, однако, необходимо и практическое подтверждение данных этой теории, ее
эмпирическая проверяемость и подтверждаемость. Таким образом, проблема физики
элементарных частиц не столько в создании теории всего сущего, то есть,
фундаментальной теории объединения всех четырех типов взаимодействий, но в
подтверждении фундаментальной теории в условиях научного эксперимента, то есть,
в ускорителях. Как цитирует М. Каку и его работу «Введение в теорию струн»
Хван, единая фундаментальная теория может быть построена в ближайшие 50-100
лет, а экспериментальные ускорители частиц, возможно, человечеством будут
построены через 500-1000 лет.[15] В этом состоит великий парадокс
нашей эпохи и в физике элементарных частиц: теория так или иначе может быть
построена в течение ближайших десятилетий, однако, ждать ее практической
проверки человечеству придется еще долго, пока не будут построены
соответствующие ускорители частиц, даже Большой Адронный коллайдер, запуск
которого уже не в первый раз отложен, не в состоянии дать нам необходимых
результатов для подтверждения такой теории всего сущего. Однако, физические
эксперименты и теории не стоят на месте, представления о мире меняются с
потрясающей скоростью: если, например, к тридцатым годах прошлого века только
возникло теоретическое предположение о существовании античастиц, то уже в
пятидесятые годы существование многих из них было подтверждено
экспериментально.
Список литературы
1. Калашников В.Ю. «Конец физики»
или новая теория?. // Новые идеи в философии. Пермь, 2003. Вып. 12(1);
2.
Любимов А., Киш Д. Введение в экспериментальную физику частиц. - 2-е изд.,
перераб. И доп. - М.: ФИЗМАТЛИТ, 2001;
3. Фейнман Р. Дюжина лекций:
шесть попроще и шесть посложнее. Перевод с английского Е.В. Фалева и В.А.
Носенко. - М.: БИНОМ. Лаборатория знаний, 2006;
4. Фейнман Р. и Вайнберг С.
Элементарные частицы и законы физики. Перевод с английского канд. физ.-мат.
Наук Д.Е. Лейкина. - М.: Мир, 2000;
5. Хван М.П. Неистовая вселенная: От большого взрыва до
ускоренного расширения, от кварков до суперструн. - М.: ЛЕНАНД, 2006;
6. Интернет-источник: http://nuclphys.sinp.msu.ru;
7. Интернет-источник: http://elementy.ru/.
[1] Любимов А., Киш Д. Введение в
экспериментальную физику частиц. - 2-е изд., перераб. И доп. - М.: ФИЗМАТЛИТ,
2001, с.8
[2] Там же, с.8
[3] Любимов А., Киш Д. Введение в
экспериментальную физику частиц. - 2-е изд., перераб. И доп. - М.: ФИЗМАТЛИТ,
2001, с.14
[4] Любимов А., Киш Д. Введение в
экспериментальную физику частиц. - 2-е изд., перераб. И доп. - М.: ФИЗМАТЛИТ,
2001, с.28
[5] Следует отметить, что до Андерсона следы
легких положительных частиц космических лучей, которые, как можно было
заключить впоследствии, принадлежали позитронам, видели на снимках в камере
Вильсона также Блэкетт и Оккиалини, а еще раньше Скобельцын. Однако
опубликовать окончательный вывод они не решились.
[6] Любимов А., Киш Д. Введение в экспериментальную
физику частиц. - 2-е изд., перераб. и доп. - М.: ФИЗМАТЛИТ, 2001, с.29
[7] http://elementy.ru/trefil/5
[8] Р. Фейнман и С. Вайнберг. Элементарные
частицы и законы физики. Перевод с английского канд. физ.-мат. Наук Д. Е.
Лейкина. - М.: Мир, 2000, с. 7
[9] http://nuclphys.sinp.msu.ru
[10] Р. Фейнман. Дюжина лекций: шесть попроще и
шесть посложнее. Перевод с английского Е.В. Фалева и В.А. Носенко. - М.: БИНОМ.
Лаборатория знаний, 2006, с. 66
[11] Р. Фейнман и С. Вайнберг. Элементарные частицы
и законы физики. Перевод с английского канд. физ.-мат. Наук Д.Е. Лейкина. - М.:
Мир, 2000, с. 12
[12] Там же, с. 28
[13] Там же. 38
[14] Цит. по Калашников В.Ю. «Конец физики»
или новая теория?. // Новые идеи в философии. Пермь, 2003. Вып. 12(1), с. 169
[15] Хван М.П. Неистовая вселенная: От большого
взрыва до ускоренного расширения, от кварков до суперструн. - М.: ЛЕНАНД, 2006,
с. 153