ФОРМУЛЫ ПРОПУЩЕНЫ, BOЗМOЖНЫ OШИБКИ, СВЕРЯЙТЕ С ОРИГИНАЛОМ
ПРЕДИСЛОВИЕ
Прежде всего — несколько слов о названии книги.
Начало современным исследованиям фундаментальных сил между частицами положило в 1896 г. открытие радиоактивности и последовавшее затем изучение а-, 0=- и у-лучей. Завершением большого периода исследований было долгожданное и тем не менее сенсационное открытие в 1983 г. W- и Z-бозонов. Отсюда заглавие книги: afty. . .Z. Но книга эта не об истории физики, а о ее современном состоянии н перспективах. Ведь открытие W- н Z-бозонов — это одновременно н начало нового многообещающего этапа. Физика — не алфавит, и на Z ее развитие не кончается. В некотором смысле название указывает на то, что книга является, так сказать, букварем, введением в азы современной фундаментальной фнзикн.
В основу книги легли научно-популярные лекции, которые мне приходилось время от времени читать людям, далеким от фнзикн элементарных частиц, а иногда далеким и от физики вообще. Последняя из этих лекций состоялась летом 1983 г., сразу после открытия Z-бозона. Обдумывая заданные во время лекции вопросы, я н наметил план этой книги.
Я старался написать книгу так, чтобы ее мог понять человек, окончивший или оканчивающий среднюю школу и активно интересующийся фнзнкой. Я рассчитывал на то, что мой будущий читатель более или менее регулярно заглядывает в очередные выпуски журнала «Квант» и уже прочитал по крайней мере некоторые из книг серии «Библиотечка «Квант». (Заметьте, что рисунок на обложке этой книги включает в себя символическое изображение а-, р- н у-лучей с обложки первой книги, открывшей эту серию, — книги М. П. Бронштейна «Атомы н электроны».)
Основная опасность, которая меня подстерегала на каждой странице, — это непроизвольное желание сообщить читателю не только самое главное, ио и различные второстепенные детали, которые доставляют такое удовольствие специалистам и так мешают начинающим. Боюсь, что в некоторых случаях я недостаточно «прополол» текст, а в некоторых — переусердствовал.
Мне самому было интересно отобрать наиболее важные сведения, безжалостно отбросив всё менее существенное. Сначала я хотел ограничиться минимумом терминов и понятий. Но по мере написания книги обнаруживалось, что без некоторых терминов, без которых я вначале надеялся обойтись, нельзя объяснить, суть тех или иных явлений; поэтому к концу книга усложняется. Ведь одна из основных трудностей при знакомстве с новой областью науки — это обилие новых терминов. В помощь читателю после предисловия приведена «шпаргалка» — сводка основных понятий физики элементарных частиц.
Физику элементарных частиц часто называют физикой высоких энергий. Процессы, которые изучает физика высоких энергий на первый взгляд очень необычны, их экзотические свойства поражают воображение. Вместе с тем, если вдуматься, то окажется, что в ряде отношений эти процессы отличаются от такою обыденного явления, как, скажем, горение дров, не качественно, а только количественно — величиной энерговыделения. Поэтому я начинаю книгу с элементарных вещей и, в частности, с краткого обсуждения таких, казалось бы. хорошо известных понятий, как масса энергия и импульс. Правильное обращение с ними поможет читателю понять последующие страницы книги.
Узловым понятием всей фундаментальней физики является понятие поля. Я начинаю его обсуждение с хорошо известных школьных примеров н постепенно знакомлю читателя с тем богатством удивительных свойств, которыми обладают квантованные поля. Я старался объяснить попроще то, что можно объяснить более нли менее просто. Но должен подчеркнуть, что далеко не все в современной физике можно объяснить просто и что для понимания целого ряда вопросов необходима дальнейшая углубленная работа читателя уже над другими, более сложными книгами.
Предварительный текст книги был закончен в октябре 1983 г. Его прочитали Л. Г. Асламазов, Я- Б- Зельдович, В. И. Киснн, А. В. Коган, В. И. Коган, А. Б. Мнгдал, Б. Л. Окунь н Я. А. Смородинский. Они сделали очень полезные замечания, которые позволили мне упростить первоначальный текст, опустив ряд сравнительно сложных мест и более подробно разъяснить ряд других. Я глубоко благодарен им за это. Я благодарен Э. Г. Гуляевой и И. А. Тереховой за помощь при подготовке рукописи. Я признателен Карло Руббна за разрешение воспроизвести в книге рисунки установки, па которой были открыты промежуточные бозоны.
С особой теплотой и благодарностью я хотел бы сказать здесь о моем учителе — академике Исааке. Яковлевиче Померанчуке, который ввел меня в мир элементарных частиц и научил меня моей профессии. И. Я. Померанчук прожил короткую жнзнь (1913--1966), но сделал необычайно много. Его работы сыграли фундаментальную роль в целом ряде разделов физики: в теории диэлектриков н металлов, в теории квантовых жидкостей, в теории ускорителей, в теории ядерных реакторов, в теории элементарных частиц.
Его образ — образ человека фанатически н бескорыстно преданного науке, человека, работавшего без устали, с острейшим интересом ко всему новому, беспощадно критичного и самокритичного, от всей душн радовавшегося чужому успеху — этот образ жив в памяти всех, кто знал его. Светлой памяти Исаака Яковлевича Померанчука я посвящаю эту книгу.
Москва. Сентябрь 1984 г.
Атомы состоят из электронов с, образующих -оболочки, и ядер. Ядра состоят из гротонов р и нейтронов п. Протоны и нейтроны состоят из кварков двух типов, и и d: p=uud, n=ddu. Свободный нейтрон испытывает бета-распад: п--ре\е, где — электронное антинейтрино. В основе раепада нейтрогю лежит распад d-кварка.
Притяжение электрона к ядру — пример электромагнитного взаимодействия. Взаимное притяжение кварков — пример сильного взаимодействия. Бета распад — пример проявления слабого взаимодействия. Кроме этих трех фундаментальных взаимодействий важную роль в природе играет четвертое фундаментальное взаимодействие — гравитационное, притягивающее все чаетшш друг к другу.
Фундаментальные взаимодействия описываются соответствующими силовыми полями. Возбуждения этих полей представляют собой частицы, которые называют фундаментальными бозонами. Электромагнитному полю отвечает фотон у, сильному — восемь глюонов, слабому — три промежуточных бозоьа W 4 , W~, 7(\ j равитаннонному — гравитон.
У большинства частиц есть двойники — античастицы, имеющие те же массы, по противоположные по знаку заряды (например, электрический, слабый). Частицы, совпадающие со своими античастицами, т. с, не имеющие пикш их зарядов, как, например, фотон, называют истинно нейтральными.
Наряду с е и ve известны еще две нары похожих на них частиц: [г, v и т, v . Все они называются лептонами. Наряду с и и d-кварками г т
известны еще две пары более массивных кварков: с, s и t, b. Лептоны и кварки называют фундаментальными фермионами.
Частицы, состоящие из трех кварков, называют барионами, из кварка и антикварна — мезонами. Барионы и мезоны обфазуют семейство взаимодейстпуюЩих частиц — адронов.
ОСНОВНЫЕ ЧАСТИЦЫ: ЭЛЕКТРОН, ПРОТОН, НЕЙТРОН, ФОТОН
Физика элементарных частиц изучает мельчайшие частицы, из которых построен окружающий нас мнр и мы сами. Цель этого изучения — определить внутреннюю структуру этих частиц, исследовать ироцессы, в которых они участвуют, и установить законы, которые управляют течением этих процессов.
Основным {но не единственным!) экспериментальным методом физики элементарных частиц является проведение опытов, в которых пучки частиц высоких энергий сталкиваются с неподвижными мишенями или друг с другом. Чем выше энергия столкновения, тем богаче процессы взаимодействия между частицами и тем больше мы можем узнать о них. Именно поэтому сегодня физика элементарных частиц и физика высокцх энергий — это почти синонимы. Но мы начнем наше знакомство с частиками не с высокоэнергичных столкновений, а с обычных атомов.
Хорошо известно, что вещество сосюит из атомов и что атомы имеют размеры порядка 10-8ем. Размеры атомов определяются размерами их оболочек, состоящих из электронов. Однако практически вся масса атома сосредоточена.в его ядре. Ядро легчайшего водородного атома содержит один протон, а оболочка — один электрон. (В одном грамме водорода содержится 6-1023 атомов. Следовательно, масса протона составляет примерно 1,7-10-24 г. Масса электрона примерно в 2000 раз меньше.) Ядра более тяжелых атомов содержат не только протоны, ио и нейтроны. Электрон обозначается буквой е, протеи — буквой р, а нейтрон — буквой гг.
В любом атоме число протонов равно числу электронов. Протон обладает положительным электрическим зарядом, электрон — отрицательным, а атом в целом электрически нейтрален. Атомы, ядра которых имеют одно и то же
йисло протонов, но различаются числом нейтронов, называются изотопами данного химического элемента. Так, например, наряду с обычным водородом, существуют тяжелые изотопы водорода — дейтерий н tpimui, ядра которых содержат один и два нейтрона соогветственно. Эти изотопы обозначаются соответственно JH, -Н, !Н, здесь верхний индекс указывает суммарное число протонов и нейтронов в ядре. (Заметим, что ядро дейтерия называют дейтроном, а ядро трития — тритоном. Мы будем обозначать дейтрон буквой Ь; иногда его обозначают d.)
Обычный водород 43 является самым распространенным элементом во Вселенной. Второе место занимает изотоп гелия 4Не, электронная оболочка которого содержит два электрона, а ядро — два протона н два нейтрона. Еще со времени открытия радиоактивности ядро изотопа 4Ие получило специальное название: а-частица. Менее распространен изотоп гелия :iHe, в ядре которого два протона и только один нейтрон.
Радиусы протона и нейтрона примерно равны друг другу, они порядка 10-13 см. Примерно равны друг другу и массы этих частиц: нейтрон всего на десятую процента тяжелее протона. Нейтроны и протоны довольно плотно упакованы в атомных ядрах, так что объем ядра примерно равен сумме объемов составляющих его нуклонов. (Термин «нуклон» в равной степени обозначает и иротон, и нейтрон и используется в тех случаях, когда различия между этими частицами несущественны. Слово «нуклон» происходит от латинского nucleus — ядро.)
Что касается размеров электрона, то они до сих пор не поддаются измерению. Известно только, что радиус электрона заведомо меньше 10-16 см. Поэтому обычно об электронах говорят как о точечных частицах.
Иногда электроны в атомах сравнивают с планетами Солнечнойсистемы. Это сравнение — очень неточное в целом ряде отношений. Прежде всего, движение электрона качественно отличается от движения планеты в том отношении, что для электрона определяющими являются не законы классической механики, а законы квантовой механики, о которых мы будем говорить ниже. Пока же заметим, что в результате квантовости электрона «при мгновенной фотосъемке» атома электрон с немалой вероятностью может «быть сфотографирован» в любой данный момент в любой точке внутри своей орбиты и даже вне ее, в то время как положение планеты на ее орбите, согласно законам классической механики, предвычисляется однозначно и с огромной точностью. Если планету сравнить с идущим по рельсам трамваем, то электрон будет похож иа такси.
Уместно отметить здесь и ряд чисто количественных различий, разрушающих подобие между атомными электронами и планетами. Так, например, отношение радиуса электронной орбиты атома к радиусу электрона гораздо больше, чем отношение радиуса земной орбиты к собственному радиусу Земли. Электрон в атоме водорода движется со скоростью порядка одной сотой скорости света ) и за одну секунду успевает совершить около 101в оборотов. Это примерно в миллион раз больше, чем число оборотов, которое успела совершить Земля вокруг Солнца за все время своего существования. Электроньв на внутренних оболочках тяже лых атомов движутся еще быстрее: их скорости достигают двух третей скорости света.
Скорость света в пустоте обозначается обычно буквой с. Эта фундаментальная физическая константа измерена с очень высокой точностью:
Приближенно: с 300 000 км/с.
Заговорив о скорости света, естественно сказать и о частицах света — фотонах. Фотон не является такой же составной частью атомов, как электроны и нуклоны. По-этомуобычно о фотонах говорят не как о частицах вещества, акак о частицах излучения. Но роль фотонов в механизме Вселенной не менее значительна,"чем роль электронов и нуклонов.
В зависимости от того, какова энергия фотона, он выступает вразличных видах: радиоволн, инфракрасного излучения, видимого света, ультрафиолетового излучения, рентгеновского излучения, так называемых ядерных у-квантов. Чем выше энергия квантов, тем более проникающими, или, как говорят, «жесткими» они являются, проходя даже через довольно толстые металлические экраны-. В физике элементарных частиц фотоны обозначаются буквой у независимо от их энергии.
Основным отличием световых фотонов от всех других частиц является то, что они очень легко рождаюгея н легко уничтожаются. Достаточно чиркнуть спичкой, чтобы родить миллиарды фотонов, поставить на пути видимого света листок черной бумаги — и фотоны поглотятся в нем. Эффективность, с которой тот или иной экран поглощает, трансформирует и переизлучает падающие на него фотоны, конечно, зависит от конкретных свойств экрана и от энергии фотоиов. Защититься от рентгеновских лучей и жестких у-квантов не так просто, как от видимого света. При очень высоких энергиях различие между фотонами и другими частицами, пожалуй, не больше, чем различие этих частиц между собой. Во всяком случае, и родить и поглотить фотоны высоких энергий совсем не просто. Но чем меньшей энергией обладает фотон, чем он «мягче», тем легче его родить и уничтожить.
Одной из замечательных особенностей фотонов, определяющей в значительной степени их удивительные свойства, является то, что их масса равна нулю. Для массивной частицы известно: чем меньше ее энергия, тем медленнее ©на движется. Массивная частица может вообще не двигаться, находиться в покое. Фотон же, как бы ни была мала его энергия, все равно движется со скоростью с.
МАССА, ЭНЕРГИЯ, ИМПУЛЬС, УГЛОВОЙ МОМЕНТ В МЕХАНИКЕ НЬЮТОНА
Мы уже несколько раз использовали термины «энергия» и «масса». Пришла пора более подробно разъяснить их смысл. Заодно мы поговорим о том, что такое импульс и момент импульса. Все этн физические величины — масса, энергия, импульс и момент импульса (иначе называемый угловым моментом) — играют фундаментальную роль в физике. Фундаментальная роль этих физических величин обусловлена тем, что для изолированной системы частиц, сколь бы сложными ни были их взаимодействия друг с другом, суммарная энергия и импульс системы, ее полный угловой момент и е-е масса являются сохраняющимися величинами, г. е. не изменяются со временем.
KOHEЦ ФPAГMEHTA КНИГИ
|
