Читать онлайн «Зеркальный мир». Страница 38

Помимо трех уже названных физики нашли свыше 109 других частиц. Столь большое количество элементарных частиц наводит на мысль, что они не являются конечным звеном в природе и что широчайшее разнообразие форм создано из немногих составляющих. Поэтому физики надеются найти такой принцип упорядочения, который даст простое объяснение нынешней неразберихе частиц и античастиц.

Однако мы еще не рассказали, каким образом можно было бы обнаружить античастицу, если она мгновенно аннигилирует при столкновении с частицами. Представим себе сосновое редколесье, где дерево от дерева отстоит на 20 м. Охотник, выстрелив наудачу в таком лесу, может иногда попасть в ствол одного из ближайших деревьев, но в каких-то случаях его пуля пролетит по лесу довольно далеко, не зацепив ни единой сосны. Для элементарной частицы из космоса воздушная оболочка нашей Земли и сама наша планета - то же самое, что редколесье для пули. Но если античастицы так невообразимо малы, как же физикам удается их обнаружить? Разумеется, ученые их не могут видеть, как не видят они и электрического тока. Они лишь наблюдают за их действием, подобно тому как распознают электрический ток по вызванным им эффектам (отклонение магнитной стрелки, накаливание проволоки и т. д.). Примером тому может быть инверсионный (конденсационный) след, оставляемый турбореактивным самолетом, - шлейф, который тянется за ним на 20- или 30-километровой высоте. И хотя мы часто самого самолета не различаем, но узнаем о его присутствии по производимому им действию. Причем мы точно знаем, что это именно турбореактивный самолет, а не самолет с поршневым двигателем.

Именно принцип конденсационного следа используют физики-атомщики. Частицы высоких энергий, пролетая через газ, способный конденсироваться, то есть образовывать капельки, оставляют за собой инверсионный след. Когда заряженная частица пролетает через переохлажденный водяной пар (пар воды в отличие от «тумана» прозрачен!), происходит конденсация пара и вдоль траектории движения частицы образуется след из капелек воды - трек. Эти следы иногда имеют резкие изломы. Каждая такая точка излома траектории фиксирует соударение двух частиц. При этом уже на основе законов отражения в сочетаний с законами сохранения энергии и импульса, с помощью измерения ширины трека и т. п. удается в какой-то мере оценить скорость, массу, заряд и другие параметры частицы. Подчас из такой точки перелома выходят новые треки. Это значит, что при столкновении двух частиц возникли новые частицы. Именно такой случай, когда было отмечено появление пяти новых траекторий, и удалось наблюдать впервые в 1933 г.

Для случая столкновения протона с антипротоном теоретики предсказали рождение пяти новых элементарных частиц.

Между тем на больших ускорителях заряженных частиц были получены самые разнообразные античастицы. Они всегда очень недолговечны, так как вскоре сталкиваются с обычными частицами и аннигилируют. Но мы все же имеем очень точное представление об их массе и величине заряда.

В атоме антиводорода «антиэлектрон» - позитрон обращается вокруг отрицательно заряженного ядра - антипротона. При столкновении с обычным атомом водорода из-за мгновенной аннигиляции высвободилась бы энергия, примерно в 1000 раз превосходящая энергию распада ядра, используемую, например, в атомных электростанциях.

По соображениям симметрии большинство астрофизиков полагают, что во Вселенной имеется ровно столько материи, сколько и антиматерии. К счастью, миры, где атомные ядра имеют положительные заряды, удалены от миров с отрицательно заряженными ядрами атомов на весьма солидные расстояния. Поэтому в течение ближайших 1000 млрд. лет нет оснований опасаться столкновения нашей Галактики с ее антиподом во Вселенной.

ЧТО ТАКОЕ МОДЕЛЬ?

Возможности человеческого чувственного восприятия весьма ограниченны. Пока речь идет об отрезке длиной в 1 мм или 10 км, о трех месячных окладах или о ведре воды, мы представляем себе эти величины вполне конкретно. Но толщину паутинки, или миллион марок, или расстояние между Берлином и Сиднеем зрительно воспринять мы не можем. А уж элементарная частица совершенно не поддается наглядному представлению. Мы можем осмыслить ее только с помощью математических уравнений или моделей. Ученые постоянно пытаются в своих моделях придать наглядность тому, что не поддается наглядному представлению. Лучшими моделями являются те, которые будучи весьма наглядными, позволяют производить на их основе расчеты. С 1910 г. ученые знали, что атом - это не простейший элемент в строении материи и что сам он построен из других элементов. Неизвестно было только, каким образом. Эта неизвестность очень мешала. Ведь строение нашего мира весьма красиво (пусть с мелкими дефектами) объяснялось при помощи маленьких бесструктурных шариков, называемых атомами. В кристаллохимии и общей химии, при расшифровке строения гена такая модель атомов с успехом используется и до сих пор. Но в те времена задача состояла в том, чтобы предложить такую модель строения атома, которая давала бы возможность дальнейшего использования представления об атомах-шариках и вместе с тем учитывала новейшие достижения физики.

В двадцатых годах нашего века физики Нильс Бор (1885-1962) и Вольфганг Паули (1900-1958) создали модель атома, которая объясняла спектры излучения и поглощения атомов и удовлетворяла одновременно требованиям наглядности (Ядерная (планетарная) модель атома была предложена Э. Резерфордом; Н. Бор усовершенствовал ее, введя два постулата (допущения), основанных на квантовой теории. В. Паули сформулировал принцип («запрет Паули»), согласно которому в физической системе не может быть двух электронов, находящихся в одинаковом квантовом состоянии. - Прим, перев). Бор мысленно представил себе, что электроны вращаются вокруг положительно заряженного ядра по вполне определенным орбитам. «Величина» орбит была вычислена с помощью кванта действия Планка. Последнее понятие связывает частоту электромагнитного излучения с энергией кванта, то есть минимальной порцией энергии излучения с заданной частотой. Оказалось, что и параметры электронных орбит связаны с постоянной Планка - коэффициентом пропорциональности между частотой и минимальной порцией энергии. Постоянная, или квант действия, Планка - реальная величина, найденная экспериментально и обозначаемая латинской буквой h.

Электронные орбиты в атоме радия (по Нильсу Бору) - микромир, полный симметрии и красоты

Согласно Бору, на любом разрешенном в его модели энергетическом уровне (находящемся на определенном расстоянии от ядра) допускается одновременное пребывание не более некоторого максимального числа электронов. На основе модели Бора можно предсказать, сколько электронов имеет тот или иной атом и как они распределены вокруг его ядра.

К 1926 г. физики-атомщики выяснили, что каждому электрону и вообще всякой элементарной частице присущ «спин». В упрощенном модельном изображении мы представляем себе частицы как маленькие шарики, вращающиеся вокруг своей оси (подобно Земле!) (По современным представлениям, спин (собственный момент импульса элементарной частицы) имеет квантовую природу, он не связан с движением частицы как целого в пространстве и не поддается описанию с позиций классической динамики, то есть не может быть представлен наглядно. - Прим. перев). Этот спин нельзя ни увеличить, ни уменьшить, он всегда сохраняет постоянную величину. Спин элементарных частиц имеет постоянную величину; для большинства частиц он равен Л/2π, или просто 1/2 , как принято в сокращенной форме записи.

Распад πsup+/sup -мезона. Янг и Ли доказали, что природа в данном случае действует несимметрично! В 'антимире' тоже существует лишь один вариант распада πsup+/sup -мезона

С этих пор нам стало известно, что атомы гораздо сложнее, чем предполагал Нильс Бор. Однако наиболее существенные идеи, положенные в основу модели Бора, - возможность описания строения атома с помощью квантовых чисел, ограничения, наложенные на электронные орбиты, - полностью справедливы и поныне.

ЗАГЛЯНИ В ЭЙНШТЕЙНА!

Неспециалистам в области физики из всей теории относительности знаком по большей части только парадокс времени, часто называемый также «парадоксом близнецов». Космический корабль со скоростью, близкой к световой, несется сквозь просторы Вселенной. Вследствие этого часы на нем должны идти медленнее, чем на Земле. Когда космонавты через два или три года (по их счету) возвратятся на Землю, то окажется, что там протекли столетия. Однако этим вопросом мы здесь заниматься не станем, а обратимся к проблемам симметрии, связанным с теорией относительности.

Математик Герман Вейль (1885-1955) рассмотрел (1929 г.), как будет вести себя элементарная частица, движущаяся в пространстве со скоростью, равной или близкой скорости света, и вместе с тем обладающая спином. Приняв в качестве модели вращающийся шар и следя за одной точкой на его поверхности, Вейль нашел, что эта точка прочертит в пространстве либо право-, либо левостороннюю винтовую линию, то есть спираль.