Это взаимодействие действительно очень слабое, оно значительно уступает по величине всем взаимодействиям, кроме гравитационного, и в системах, где оно присутствует, его эффекты оказываются в тени электромагнитного и сильного взаимодействий.
К мысли о существовании слабого взаимодействия ученые продвигались медленно. Все началось в 1896 г., когда Анри Беккерель, исследуя загадочное почернение фотографической пластинки, оставшейся в ящике письменного стола радом с кристаллами сульфата урана, случайно открыл радиоактивность. Систематическое исследование радиоактивного излучения было предпринято Эрнестом Резерфордом; он установил, что радиоактивные атомы испускают частицы двух различных типов, которые назвал альфа и бета. Тяжелые положительно заряженные альфа-частицы, как выяснилось, представляли собой быстро движущиеся ядра гелия. Бета-частицы оказались летящими с большой скоростью электронами.
В деталях явление бета-радиоактивности оставалось не до конца понятным вплоть до 30-х годов. Бета-распад обладал в высшей степени странной особенностью. На первый взгляд казалось, что в этом распаде нарушается один из фундаментальных законов физики – закон сохранения энергии. Часть энергии куда-то исчезала. Вольфганг Паули “спас” закон сохранения энергии, предположив, что вместе с электроном при бета-распаде вылетает еще одна частица, нейтральная и обладающая необычайно высокой проникающей способностью, вследствие чего ее не удавалось наблюдать. Она-то и уносит с собой недостающую энергию. Энрико Ферми назвал частицу-невидимку “нейтрино”, что означает “маленькая нейтральная частица”. Нейтрино оказались настолько неуловимыми, что достоверно обнаружить их удалось лишь в 50-х годах.
Однако загадочность оставалась. Электроны и нейтрино испускались нестабильными ядрами. Но физики располагали неопровержимыми доказательствами, что внутри ядер таких частиц нет. Откуда же они возникали? Ферми высказал предположение, что электроны и нейтрино до своего вылета не существуют в ядре в “готовом виде”, а каким-то образом мгновенно образуются из энергии, запасенной радиоактивным ядром. К тому времени было показано, что с точки зрения квантовой теории испускание и поглощение света можно интерпретировать как рождение и уничтожение фотонов; гипотеза Ферми означала, что подобное может происходить с электронами и нейтрино.
Свойства свободных нейтронов подтверждали гипотезу Ферми. Предоставленные самим себе, нейтроны через несколько минут распадаются на протон, электрон и нейтрино. Одна частица исчезает, а три новые появляются. Вскоре стало ясно, что известные силы не могут привести к такому распаду. Бета-распад, видимо, вызывался какой-то иной силой. Измерения скорости бета-распадов показали, что соответствующее этой силе взаимодействие чрезвычайно слабое, гораздо слабее электромагнитного (хотя и гораздо сильнее гравитационного).
С открытием нестабильных субъядерных частиц физики обнаружили, что слабое взаимодействие вызывает множество других превращений. Большинство известных частиц участвуют в слабом взаимодействии. Для неуловимого нейтрино слабое взаимодействие (не считая гравитации)–единственный способ проявить себя.
По своему характеру слабое взаимодействие совершенно не похоже как на гравитационное, так и на электромагнитное. Во-первых, если не считать таких явлении, как взрывы сверхновых, оно не создает тянущих или толкающих усилий в том смысле, как это принято понимать в механике. Слабое взаимодействие вызывает превращения одних частиц в другие, часто приводя продукты реакции в движение с высокими скоростями. Во-вторых, слабое взаимодействие ощутимо только в областях пространства чрезвычайно малой протяженности. Радиус действия слабых сил удалось точно измерить только в начале 80-х годов. Долгое время до этого считалось, что слабое взаимодействие по существу точечное и охватывает слишком малую область пространства, чтобы ее размеры можно было оценить. В отличие от “дальнодействующих” гравитации и электромагнетизма слабое взаимодействие прекращается на расстоянии, большем 10-16 см от источника. Следовательно, оно не может влиять на макроскопические объекты, а ограничивается отдельными субатомными частицами.
Хотя разработанная Ферми и другими физиками в 30-е годы теория слабого взаимодействия непрерывно совершенствовалась, некоторые глубокие противоречия в ней все же не удалось устранить, и стало очевидно, что она не обеспечивает подлинного понимания слабого взаимодействия. Новая теория, заимствовавшая основные идеи Ферми, но дополненная рядом принципиально новых соображений, была создана в конце 60-х годов Стивеном Вайнбергом, работавшим тогда в Гарвардском университете (США), и Абдусом Саламом из “Империал колледжа” (Лондон). Создание новой теории слабого взаимодействия явилось самым крупным шагом (с момента создания Максвеллом теории электромагнитного поля) на пути к суперсиле; о ней мы подробно расскажем в гл. 8.

Сильное взаимодействие

Представление о существовании сильного взаимодействия постепенно складывалось по мере того, как прояснялась структура атомного ядра. Что-то должно было удерживать протоны в ядре, не позволяя им разлетаться под действием электростатического отталкивания. Гравитация для этого слишком слаба; очевидно, необходимо какое-то новое взаимодействие, более сильное, чем электромагнитное. Но за пределами ядра сильное ядерное притяжение не ощущается, поэтому радиус действия новой силы должен быть очень мал. Действительно, сильное взаимодействие резко падает на расстоянии от протона или нейтрона, превышающем примерно 10-13 см. Следовательно, хотя по своей величине сильное взаимодействие существенно превосходит все остальные фундаментальные взаимодействия, оно не может непосредственно проявляться в макроскопических телах.
Сильное взаимодействие испытывают протоны и нейтроны, но не электроны. Нейтрино и фотоны также не подвластны ему. Вообще в сильном взаимодействии участвуют только более тяжелые частицы. Оно проявляется и как обычное притяжение, не позволяющее разваливаться ядру, но вместе с тем и как слабая сила, вызывая распад некоторых нестабильных частиц. Вследствие своей большой величины сильное взаимодействие является источником огромной энергии. По-видимому, наиболее важный пример энергии, высвобождаемой сильным взаимодействием, – это свечение Солнца. В недрах Солнца и звезд непрерывно протекают термоядерные реакции, вызываемые сильным взаимодействием. Именно в результате этого взаимодействия высвобождается энергия водородной бомбы.
Первые попытки объяснить природу сильного взаимодействия не принесли особого успеха. Ни одно из простых математических описаний процесса не было вполне удовлетворительным. Сильное взаимодействие, по-видимому, довольно сложным образом зависит от расстояния, и тем, кто старался моделировать его свойства, приходилось вводить в расчеты много произвольных параметров. Создавалось впечатление, что сильное взаимодействие представляет собой сплав взаимодействий с самыми различными свойствами.
А пока физики-ядерщики пытались преодолеть эти трудности, в начале 60-х годов была предложена кварковая модель. В этой теории нейтроны и протоны рассматриваются не как элементарные частицы, а как составные системы, построенные из трех кварков. Чтобы это “трио” кварков не распадалось, необходима удерживающая их сила, некий “клей”; оказалось, что результирующее взаимодействие между нейтронами и протонами представляет собой просто остаточный эффект более мощного взаимодействия между кварками. Это объяснило, почему сильное взаимодействие кажется столь сложным. Когда протон “прилипает” к нейтрону или другому протону, во взаимодействии участвуют шесть кварков, каждый из которых взаимодействует со всеми остальными. Значительная часть сил тратится на прочное склеивание трио кварков, а небольшая – на скрепление двух трио кварков друг с другом.
Как только природу сильного взаимодействия удалось объяснить на основе взаимодействия кварков, стало легче моделировать его математически. В дальнейшем мы увидим, как подобное описание выявило аналогии между сильным и другими взаимодействиями, указав тем самым на существование объединяющей все взаимодействия суперсилы.

6. Мир субатомных частиц


Расщепление атома

Часто говорят, что существуют два вида наук – большие науки и малые. Расщепление атома – большая наука. Она располагает гигантскими экспериментальными установками, колоссальными бюджетами и получает львиную долю Нобелевских премий.
Зачем физикам понадобилось расщеплять атом? Простой ответ – чтобы понять, как устроен атом, – содержит лишь долю истины, но есть и более общая причина. Говорить буквально о расщеплении атома не вполне правильно. В действительности речь идет о столкновении частиц высокой энергии. При столкновении субатомных частиц, движущихся с большими скоростями, происходит рождение нового мира взаимодействий и полей. Несущие огромную анергию осколки материи, разлетающиеся после столкновений, таят в себе секреты природы, которые от “сотворения мира” оставались погребенными в недрах атома.
Установки, на которых осуществляется столкновение частиц высоких энергий, – ускорители частиц – поражают своими размерами и стоимостью. Они достигают нескольких километров в поперечнике, и по сравнению с ними даже лаборатории, в которых изучаются столкновения частиц, кажутся крошечными. В других областях научных исследований оборудование размещается в лаборатории, в физике высоких энергий лаборатории пристраиваются к ускорителю. Недавно Европейский центр ядерных исследований (ЦЕРН), расположенный недалеко от Женевы, выделил несколько сотен миллионов долларов на строительство кольцевого ускорителя. Длина окружности сооружаемого для этой цели туннеля достигает 27 км. Ускоритель, получивший название ЛЭП (LEP, Large Electron-Positron ring–большое электрон– позитронное кольцо), предназначен для ускорения электронов и их античастиц (позитронов) до скоростей, всего лишь “на волосок” отличающихся от скорости света. Чтобы иметь представление о масштабах энергии, вообразим, что вместо электронов до таких скоростей разгоняется монетка достоинством в один пенни. В конце цикла ускорения она обладала бы энергией, достаточной для производства электроэнергии на сумму 1000 млн. долл.! Неудивительно, что подобные эксперименты принято относить к физике “высоких энергий”. Двигаясь внутри кольца навстречу друг другу, пучки электронов и позитронов испытывают лобовые столкновения, при которых электроны и позитроны аннигилируют, высвобождая энергию, достаточную для рождения десятков других частиц.
Что это за частицы? Некоторые из них – те самые “кирпичики”, из которых построены мы с вами: протоны и нейтроны, составляющие атомные ядра, и обращающиеся вокруг ядер электроны. Другие частицы обычно в окружающем нас веществе не встречаются: их век чрезвычайно короток, и по истечении его они распадаются на обычные частицы. Число разновидностей таких нестабильных короткоживущих частиц поразительно: их известно уже несколько сотен. Подобно звездам, нестабильные частицы слишком многочисленны, чтобы их различать “по именам”. Многие из них обозначены только греческими буквами, а некоторые – просто числами.
Важно иметь в виду, что все эти многочисленные и разнообразные нестабильные частицы отнюдь не являются в прямом смысле составными частями протонов, нейтронов или электронов. Сталкиваясь, электроны и позитроны высоких энергий вовсе не разлетаются на множество субатомных осколков. Даже при столкновениях протонов высоких энергий, заведомо состоящих из других объектов (кварков), они, как правило, не расщепляются на составные части в обычном смысле. То, что происходит при таких столкновениях, лучше рассматривать как непосредственное рождение новых частиц из энергии столкновения.
Лет двадцать назад физики были совершенно сбиты с толку многочисленностью и разнообразием новых субатомных частиц, которым, казалось, не будет конца. Невозможно было понять, для чего столько частиц. Может быть, элементарные частицы подобны обитателям зоопарка с их неявно выраженной принадлежностью к семействам, но без какой-либо четкой систематики. Или, возможно, как полагали некоторые оптимисты, элементарные частицы таят в себе ключ к Вселенной? Что такое наблюдаемые физиками частицы: малозначительные и случайные осколки материи или возникающие на наших глазах очертания смутно ощущаемого порядка, указывающего на существование богатой и сложной структуры субъядерного мира? Ныне в существовании такой структуры нет никаких сомнений. Микромиру присущ глубокий и рациональный порядок, и мы начинаем понимать, каково значение всех этих частиц.
Первый шаг к пониманию микромира был сделан в результате систематизации всех известных частиц, подобно тому как в XVIII в. биологи составляли подробнейшие каталоги видов растений и животных. К числу наиболее важных характеристик субатомных частиц относятся масса, электрический заряд и спин.
Поскольку масса и вес связаны между собой, частицы с большой массой часто называют “тяжелыми”. Соотношение Эйнштейна Е =mc^ 2 указывает, что масса частицы зависит от ее энергии и, следовательно, от скорости. Движущаяся частица тяжелее покоящейся. Когда говорят о массе частицы, имеют в виду ее массу покоя, поскольку эта масса не зависит от состояния движения. Частица, имеющая нулевую массу покоя, движется со скоростью света. Наиболее очевидный пример частицы с нулевой массой покоя – фотон. Считается, что электрон – самая легкая из частиц с ненулевой массой покоя. Протон и нейтрон почти в 2000 раз тяжелее, тогда как масса самой тяжелой частицы, которую удалось создать в лаборатории (Z-частицы), примерно в 200 000 раз больше массы электрона.
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47