Если у вас возникли сложности с курсовой, контрольной, дипломной, рефератом, отчетом по практике, научно-исследовательской и любой другой работой - мы готовы помочь.
Предоплата всего
Подписываем
8. На пути к единой фундаментальной теории материи
Вопрос о внутренней структуре материи («из чего все состоит?») является одним из главных в естествознании. Однако, несмотря на достигнутый в прошлом столетии прогресс в изучении этого вопроса, мы по-прежнему еще не пришли к однозначному представлению о первоосновах материального мира. Более того, скорость увеличения достоверной информации в последнее время заметно уменьшилась, так как экспериментальное продвижение в глубь микромира требует колоссальных энергетических затрат, которые обеспечиваются гигантскими ускорителями. Подсчитано, что если энергия, доступная в лабораторных экспериментах, будет по-прежнему увеличиваться на порядок величины каждое десятилетие (как это имело место в недавнем прошлом), то проверка некоторых современных теорий будет возможна лишь через ~ 200 лет.
Эти теории чрезвычайно сложны и настолько далеки от обычных макроскопических представлений, что даже поверхностное ознакомление с ними требует серьезной физико-математической подготовки. В результате между все более изолирующими себя специалистами в области физики микромира и остальной массой неискушенных в этих вопросах людей образуется глубокая пропасть, которая в ряде случаев влияет на прогресс науки в гораздо большей степени, чем недостаточная мощность экспериментальных установок. Дело в том, что невозможность понять и, следовательно, оценить достижения естествознания в этой области сопровождаются резким сокращением государственной поддержки, включая финансирование. Например, в 1993 году Конгресс США принял решение отказать в выделении 4 млрд. долларов на строительство ускорителя на встречных пучках (суперколлайдера), с помощью которого ученые надеялись проверить некоторые выводы современной теории элементарных частиц, в частности, обнаружить и исследовать предсказываемую этой теорией массивную частицу - бозон Хиггса. Мотивировался отказ тем, что «американский народ не интересуется массой хиггсовского бозона, у него есть более насущные проблемы, связанные с медициной, экологией и т.п.»1. Недавно по аналогичной причине США вышли из крупнейшей международной программы, направленной на создание мощного термоядерного реактора. Примеров такого «прагматического» подхода к фундаментальным естественнонаучным проблемам в последнее время становится все больше, в том числе и в России.
Вместе с тем желание узнать, как устроен мир, заставляет простых людей обращаться к далеким от науки «теориям», насыщенным демагогическими, схоластическими спекуляциями и «сенсационными» выводами из них. Единственным выходом из этого порочного круга является пропаганда накопленных знаний и идей в области физики микромира в такой форме, которая была бы доступной для широкого круга людей.
8. 1. Становление субатомной физики
За столетие, прошедшее после открытия первой элементарной частицы - электрона (Дж.Дж. Томсон, 1997 г.), человечество узнало о структуре материи гораздо больше, чем за все предыдущие тысячелетия. Уже к концу первого десятилетия XX в. стало ясно, что «неделимый» атом имеет планетарную структуру (Э. Резерфорд, 1911 г.), в центре которой находится очень маленькое положительно заряженное ядро, окруженное «точечными» отрицательно заряженными электронами, последовательно заполняющими дискретные орбиты.
В 1996 году А. Беккерель открыл радиоактивность тяжелых элементов. Последующее исследование этого явления (П. и М. Кюри и другие) убедительно показало, что ядро, как и атом, имеет внутреннюю структуру. В 1919 году Э. Резерфорд надежно идентифицировал протон, а в 1932 году Дж. Чедвик обнаружил другую субъядерную частицу - нейтрон. Из этих двух частиц - их называют нуклонами - состоят, как тогда считалось, ядра атомов, причем число протонов определяет заряд ядра, а число нуклонов - его массу. В том же 1932 году произошло еще одно сенсационное событие в области физики элементарных частиц. Исследуя космические лучи, американский физик К. Андерсон впервые наблюдал позитроны, теоретически предсказанные П. Дираком в 1929 году.
Дальнейшее продвижение в глубь материи требовало существенной модернизации экспериментальных методов и создания мощных ускорителей. Дело в том, что размеры элементарных частиц чрезвычайно малы, например, радиус ядра составляет всего 10-13 см, что в сто тысяч раз меньше самых маленьких атомов. Чтобы «увидеть» такие объекты (не глазом, конечно, а соответствующими приборами), необходимо «осветить» их потоком излучения или частиц с длиной волны, значительно (на один - два порядка) меньшей, чем размер исследуемого объекта. В противном случае дифракционные эффекты могут до неузнаваемости исказить получаемое «изображение». Аналогичная проблема в области исследования молекулярных структур успешно решается с помощью электронных микроскопов, в которых объект зондируется пучком быстрых, или, как говорят физики, жестких электронов. В соответствии с формулой де Бройля длина волны такого электронного пучка определяется постоянной Планка h и импульсом электронов p = mev = , где E = eU - кинетическая энергия электронов, ускоренных напряжением U:
= = . (8.1)
Если подставить в эту формулу известные значения постоянной Планка h, массы me и заряда e электрона, то зависимость длины волны (в ангстремах = 10-10 м) от напряжения U (в вольтах) можно записать в виде
= . (8.2)
Из этого выражения видно, что применяемым в современных электронных микроскопах ускоряющим напряжениям U ~ 105 - 106 В, соответствуют длины волн ~ 0,01 - 0,04 ангстрем. С пучками, имеющими такую длину волны, можно изучать молекулярные и даже атомные структуры, когда требуется разрешение порядка ангстрема. Однако, очевидно, что для исследования элементарных частиц, имеющих субъядерные размеры порядка 10-13 см и меньше, необходимы в миллиарды раз более мощные пучки. С этой целью и создаются ускорители, в которых пучки электронов или более тяжелых частиц (протонов, нейтронов и т.п.) многократно проходят область ускоряющего напряжения. Энергии таких пучков настолько велики, что позволяют не только «рассматривать», но и «дробить» исследуемые объекты, в том числе и элементарные частицы. Используемые для экспериментов в этой области гигантские ускорители поражают своим весом, размерами и стоимостью. В определенном смысле их можно назвать «пирамидами ХХ века».
8. 2. Фундаментальные взаимодействия в природе
К середине ХХ века экспериментальная база для проведения исследований микромира была в основном создана и начался планомерной штурм глубинной структуры вещества. Результаты этого штурма оказались во многом неожиданными и привели к совершенно новому взгляду на природу материи.
Во-первых, почти сразу было обнаружено несколько сотен различных элементарных частиц, и число их продолжает расти. Это вызвало недоумение и даже разочарование ученых. Ведь трудно поверить, что Природа заложила в свой фундамент столь разнообразную первооснову. Возник вопрос: действительно ли обнаруженные частицы являются элементарными? Довольно скоро стало ясно, что число «истинно элементарных» частиц гораздо меньше.
Во-вторых, подавляющее большинство элементарных частиц являются нестабильными, их время жизни ничтожно мало. При этом во всех известных сегодня реакциях эти частицы лишь переходят друг в друга и никакие более простые «куски» от них не отщепляются. Но самое удивительное заключается в том, что при таких взаимных превращениях уже не имеют места привычные для нас представления о части и целом, о простом и сложном. Например, протон, испустив достаточно массивный положительно заряженный мезон, становится нейтроном, который при определенных условиях может испустить отрицательно заряженный мезон и в свою очередь превратиться в... протон. На первый взгляд это противоречит здравому смыслу, так как нейтрон массивнее протона и, следовательно, не может быть его частью. Кроме того, протон в этой реакции оказывается как бы частью самого себя. Однако в микромире часть может оказаться не менее сложной и даже более массивной, чем целое. Это связано с тем, что говорить об отдельных частях любой системы можно только в том случае, когда связь этих частей друг с другом гораздо слабее, чем внутренняя связь самих частей. Например, в атомах и даже в атомных ядрах энергия связи отдельных компонентов (электронов и ядер - в атомах, нуклонов - в ядрах) значительно меньше, чем энергия покоя этих компонентов, и это позволяет нам говорить, что атом состоит из ядра и электронов, а атомное ядро - из нуклонов. В самих же нуклонах и других элементарных частицах энергия связи их «частей» сравнима или даже больше энергии покоя, так что «части» теряют свою индивидуальность, а утверждение о том, что какая-то частица состоит из других частиц становится весьма условным. Вообще идея механической делимости объектов в области микромира теряет смысл. Опыт показывает, что, являясь нестабильными, большинство элементарных частиц быстро распадается на несколько других, те в свою очередь также распадаются и конца этому процессу нет. Получается как бы единая крепко сплетенная сеть, где нет ни начала, ни конца и все частицы являются одновременно и элементарными, и сложными.
В-третьих, для объяснения поведения этих частиц известных к тому времени законов электромагнетизма и гравитации оказалось недостаточно и к ним пришлось добавить еще два специфических для микромира взаимодействия: сильное и слабое. Таким образом, в настоящее время известны четыре фундаментальных (т.е. не сводящихся друг к другу) взаимодействия, которые и определяют иерархию элементарных частиц. Рассмотрим эти взаимодействия в порядке уменьшения их «интенсивности».
Сильное взаимодействие имеет характер притяжения между большинством элементарных частиц, в частности, оно обеспечивает связь нуклонов (протонов и нейтронов) в атомных ядрах; проявляется только на очень малых расстояниях, сравнимых с размерами ядер (~ 10-13 см), т.е. является короткодействующим и на этих расстояниях существенно (более чем в сто раз) превосходит электромагнитное взаимодействие.
Электромагнитное взаимодействие обусловливает связь заряженных частиц в атомах и молекулах; осуществляется на значительных расстояниях, описывается известными законами электричества и магнетизма.
Слабое взаимодействие проявляется при распаде некоторых квазистабильных элементарных частиц (например, при -распаде нейтрона: n0 p+ + e- +e, где p+ - протон, е- - электрон, е - электронное антинейтрино); осуществляется на очень малых расстояниях (~ 10-16 см); играет важную роль в термоядерных реакциях, поэтому активно участвует в эволюции звезд и других космических объектов.
Наконец, гравитационное взаимодействие является самым универсальным, так как осуществляется между всеми материальными объектами. Оно действует на очень больших расстояниях (как и электромагнитное), однако, в силу своей малости, играет несущественную роль в микромире вплоть до расстояний порядка 10-33 см (так называемая «планковская длина»). Ожидается, что на столь малых расстояниях гравитационное взаимодействие становится «равноправным» участником событий. С другой стороны, гравитация является основным фактором, определяющим поведение объектов мегамира.
Все эти взаимодействия в масштабах микромира имеют по своей природе квантовый характер. Это означает, что в соответствии с современными представлениями, каждое из них осуществляется путем обмена квантами соответствующего поля. Например, кванты электромагнитного поля - фотоны - представляют собой дискретные «порции» с энергией Е, пропорциональной частоте колебаний этого поля: Е = h, где h - постоянная Планка. Такой подход к описанию взаимодействий фактически представляет собой диалектические единство концепций близкодействия и дальнодействия. Действительно, наличие «посредника», «переносчика» взаимодействия напоминает нам о концепции близкодействия. В то же время обмен дискретными порциями энергии фактически «реанимирует» идею дальнодействия, лишая ее, правда, гипотезы о мгновенной скорости передачи взаимодействия.
8. 3. Стандартная модель элементарных частиц
В масштабах микромира фактически теряется разница между частицами вещества и частицами (квантами) поля, поэтому в соответствии с общепринятой в настоящее время стандартной моделью все известные на сегодняшний день элементарные частицы делятся на два больших класса: частицы - источники взаимодействий и частицы - переносчики взаимодействий (рис.8.1). Частицы первого класса, в свою очередь, подразделяются на две группы, отличающиеся тем, что частицы первой группы - адроны1 - участвуют во всех четырех фундаментальных взаимодействиях, включая сильные, а частицы второй группы - лептоны- не участвуют в сильных взаимодействиях. К адронам относится очень много различных элементарных частиц, большинство из которых имеет своего «двойника» - античастицу. Как правило, это довольно массивные частицы, с малым временем жизни. Исключение составляют нуклоны, причем считается, что время жизни протона превышает возраст Вселенной. Лептонами являются шесть элементарных частиц: электрон е, мюон и таон , а также связанные с ними три нейтрино е, и . Кроме того, каждая из этих частиц также имеет своего «двойника» - соответствующую античастицу. Все лептоны настолько похожи друг на друга по некоторым, специфическим в масштабах микромира свойствам, что мюон и таон можно было бы назвать тяжелыми электронами, а нейтрино - электронами, «потерявшими» заряд и массу. В то же время, в отличие от электронов, мюоны и таоны являются радиоактивными, а все нейтрино чрезвычайно слабо взаимодействуют с веществом и поэтому настолько неуловимы, что, например, их поток проходит через Солнце, практически не ослабляясь. Отметим, что нейтрино в последнее время привлекают к себе огромный интерес, особенно в связи с проблемами космологии, так как считается, что в потоках нейтрино сосредоточена значительная часть массы Вселенной.
Что касается адронов, то сравнительно недавно, около 30 лет назад, физики нащупали еще один «этаж» в их строении. Рассматриваемая стандартная модель предполагает, что все адроны являются суперпозицией нескольких кварков и антикварков. Кварки различаются по свойствам, многие из которых не имеют аналогов в макромире. Различные кварки обозначаются буквами латинского алфавита: u («up» ), d («down»), c («charm»), b («beauty»), s («strange»), t («truth»). Кроме того,
Рис.8.1. Стандартная модель элементарных частиц
каждый из перечисленных кварков может существовать в трех состояниях, которые называются «цветом»: «синем», «зеленом» и «красном». В последнее время стало общепринятым говорить еще и об «аромате» кварка - так называют все его параметры, не зависящие от «цвета». Конечно, все эти термины не имеют ничего общего с обычными значениями соответствующих слов. Этими вполне научными терминами обозначаются физические характеристики, которым как правило невозможно дать макроскопическую интерпретацию. Предполагается, что кварки имеют дробный электрический заряд (-е/3 и +2е/3, где е = 1,6 10-19 Кл - заряд электрона) и взаимодействуют друг с другом с «силой», увеличивающейся с расстоянием. Поэтому кварки нельзя «разорвать», они не могут существовать отдельно друг от друга1. В определенном смысле кварки являются «настоящими», «истинными» элементарными частицами для адронной формы материи. Теория, описывающая поведение и свойства кварков, называется квантовой хромодинамикой.
Частицы - переносчики взаимодействий включают в себя восемь глюонов (от английского слова glue - клей), ответственных за сильные взаимодействия кварков и антикварков, фотон, осуществляющий электромагнитное взаимодействие, промежуточные бозоны, которыми обмениваются слабо-взаимодействующие частицы, и гравитон, принимающий участие в универсальном гравитационном взаимодействии между всеми частицами.
8. 4. На переднем крае физики микромира
Генеральным направлением в физике микромира является установление единой первопричины всех четырех фундаментальных взаимодействий, т.е. создание такой теории, в которой все известные сейчас взаимодействия были бы частными случаями одного фундаментального взаимодействия. Известно, что этим вопросом с 1933 года вплоть до своей смерти в 1955 году занимался А.Эйнштейн, однако его попытки построить единую теорию поля окончились неудачей4. Первый серьезный успех на пути к единому описанию всех взаимодействий был достигнут в конце 60-х годов нашего столетия, когда удалось найти согласующийся с опытом вариант теории, объединяющий электромагнитное и слабое взаимодействия. Авторам этой теории электрослабого взаимодействия А. Саламу, С. Вайнбергу и Ш. Глэшоу в 1979 году была присуждена Нобелевская премия.
Следующим шагом стала попытка физиков-теоретиков объединить электрослабое и сильное взаимодействие. Речь идет о так называемом Великом объединении (Grand Unification), в котором оба названных взаимодействия выступали бы как разные аспекты одного явления. И здесь достигнуты впечатляющие результаты, которые, однако, нуждаются в экспериментальном подтверждении. Например, одним из самых заветных желаний физиков сейчас является экспериментальное обнаружение бозонов Хиггса - частиц, вызывающих спонтанное нарушение симметрии Великого объединения, которое и приводит к наблюдаемым различиям электрослабого и сильного взаимодействия. «Стоимость» удовлетворения этого желания составляет несколько миллиардов долларов, о чем говорилось в начале этой главы.
Другой проблемой на пути экспериментального обоснования теории Великого объединения является наблюдение возможного распада протона, который вне рамок этой теории считается абсолютно устойчивым. Дело в том, что главным следствием теории Великого объединения является необходимость существования наряду с глюонами, фотоном и промежуточными бозонами, ответственными за уже известные взаимодействия, новых элементарных частиц, испускание или поглощение которых должно приводить к прямому превращению кварка в лептон (ведь в теории Великого объединения уже нет принципиальной разницы между этими частицами). А это значит, что протон должен быть нестабильным в связи с возможностью исчезновения одного или нескольких составляющих его кварков. В частности, протон может распасться на 0-мезон (связанное состояние кварк - антикварк) и позитрон е+. Распад протона - чрезвычайно маловероятное событие, так как время жизни протона должно превышать 1031 - 1032 лет. Такое время гораздо больше времени существования Вселенной (~ 1010 лет), хотя это и не означает, что подобный распад принципиально невозможно обнаружить.
Что касается «суперобъединения» всех четырех фундаментальных взаимодействий, то на этом пути делаются только первые шаги. В рамках обычной теории поля, где частицы рассматриваются как точечные, не удается построить ни одной удовлетворительной квантовой теории гравитации. В настоящее время большие надежды возлагаются на теорию суперструн, которая развивается с удивительной скоростью, так как все больше и больше физиков-теоретиков участвуют в ее разработке. Считается, что эта теория позволит решить проблему «расходимости»1 и даст возможность изучать взаимодействия между частицами на расстояниях, меньших «планковской длины»2 10-33 см. В такой теории частица рассматривается не как точечный объект, а как струна (со свободными концами или замкнутая), колеблющаяся определенным образом в десятимерном пространстве-времени.
Итак, универсальная теория, которая появится не скоро, должна будет объединить четыре фундаментальных взаимодействия, их симметрии и нарушение последних, приводящее к существованию различных семейств кварков и лептонов. При этом исключительно актуальной представляется задача экспериментального обнаружения частиц, предсказываемых суперсимметричными теориями. В то же время следует отдавать себе отчет в том, что чрезвычайно малые длины и очень большие энергии взаимодействия делают эту задачу трудновыполнимой. Именно это имелось в виду в начале главы, когда говорилось, что при благоприятных обстоятельствах мы лишь примерно через 200 лет сможем непосредственно работать на «планковских» масштабах.
Вопросы для самопроверки:
1 Следует отметить, что строительство этого ускорителя, который находится в Брукхевенской национальной лаборатории (США), в настоящее время успешно завершается, по-видимому, благодаря частным инвестициям.
1 Названия «адрон» и «лептон» происходят от греческих слов «тяжелый» и «легкий».
1 Сейчас ведутся поиски так называемых реликтовых кварков, которые оказались «неспаренными» с момента Большого Взрыва, когда образовалась наша Вселенная.
4 Несмотря на это, ученые все чаще обращаются к работам Эйнштейна в области единой теории поля, так как эти работы содержат удивительно глубокие мысли, намного опередившие свое время. Например, чрезвычайно плодотворной оказалась идея Эйнштейна о том, что единая теория поля должна формулироваться в терминах многомерного пространства-времени. И действительно, выводы современной теории суперструн, являющейся одним из вариантов суперобъединения всех фундаментальных взаимодействий, формулируются для десятимерного пространства-времени.
1 Проблема расходимости связана с тем, что в квантовой теории поля выражения для некоторых наблюдаемых на опыте физических величин получаются бесконечно большими. Эта проблема является отражением и обобщением трудностей классической электродинамики при описании точечных зарядов (например, бесконечная собственная энергия точечного электрона),
2 «Планковской длиной» называют расстояние L между двумя заряженными частицами, на котором энергия кванта электромагнитного взаимодействия W = h становится равной энергии гравитационного взаимодействия Wg = Gm2/L. Так как = 1/Т=с/L , то из равенства hc/L=Gm2/L легко получается значение так называемой «планковской массы» mp = . С другой стороны, приравнивая энергию кванта h=hc/L энергии покоя «планковской частицы» mpc2, получаем выражение для «планковской длины»: L=h/mc=h/c = . Подставив в эти формулы известные значения мировых констант h, G, c, получим L 1,6 10-33 см, mp2,2 10-5 г 1,2 1019 ГэВ/с2. Для сравнения укажем, что масса протона по порядку величины близка к 1 ГэВ/с2.