Библиотечка «Квант»
Александр Александрович Горовой
Как регистрируют частицы
По следам нейтрино
*** 1981 ***
От нас: 500 радиоспектаклей (и учебники)
на SD‑карте 64(128)GB — ГДЕ?..
Baшa помощь проекту:
занести копеечку — КУДА?..
|
ПРЕДИСЛОВИЕ
Появление этой книги, как ни странно, связано с романом выдающегося польского писателя-фантаста Станислава Лема — «Солярис». Началось с того, что на экранах телевизоров показывали фильм, снятый по этому произведению. Как бывает довольно часто, зрители кинулись читать и перечитывать роман. Три космонавта живут на далекой планете. Они столкнулись со странным и страшным явлением: на станции появляются люди из их воспоминаний. Потом мы узнаем, что планета Солярис представляет собой разумное существо. Она проводит эксперименты с космонавтами, как с подопытными животными, посылая к ним копии людей. Такназываемые существа!? (фантомы). Копии созданыстоль совершенно, что герои могут доказать «подделку» только с помощью специальной аппаратуры. Они исследуют кровь фантома на атомном уровне и доходят до мельчайших частиц, из которых она состоит. Вот трое ученых обмениваются мнениями: — Последним элементом конструкции наших тел являются атомы. — Предполагаю, что существа F построены из частиц, меньших, чем обычные атомы. Гораздо меньших. — Из мезонов? — подсказал Сарториус. Он вовсе не удивился. — Нет, не из мезонов... Пожалуй, скорее, НЕЙТРИНО. Так неосторожно предположил главный герой романа доктор Крис Кельвин. Неосторожно, потому что расплачиваться за эти слова пришлось совсем постороннему человеку. Дело в том, что в Москве, при Институте атомной энергии имени И. В. Курчатова, начиная с 1968 г., работает Школа естественных наук (ШЕН). Ее учащиеся — школьники старших классов — слушают по вечерам лекции и участвуют в семинарах по физике, математике, биологии. Автор читал в ШЕН в течение многих лет курс физики. Наряду с обычными вещами этот курс должен был включать в себя и рассказы о современной физике, о том, как физики работают, ставят эксперименты. И вот, лектора буквально затопили вопросами о нейтрино. Каких человечков можно из них сделать? Какие силы будут удерживать эти частицы? Откуда такое слово, имеющее нежный оттенок? И сотнями других вопросов, так что его положение стало не намного легче, чем у персонажей Лема. Пришлось договориться, что теперь, когда речь пойдет о методах исследования современной физики ядра и элементарных частиц, все будет иллюстрироваться нейтринными экспериментами. Постепенно таким рассказам отводилось все больше места. Ведь принципы регистрации частиц — очень удобная почва для приложения знаний по механике, электричеству, оптике, полученных в курсе общей физики. В ходе занятий вопросы лектора и вопросы аудитории позволили составить нечто вроде тоненького сборника для семинарских занятий. Многие из задач были почерпнуты из истории физики и дополняли то, что не удалось рассказать подробно. Хотя существуют десятки хороших популярных книг на зти же темы, мне кажется, читателям «Кванта» было бы не бесполезно познакомиться с этими лекциями и задачами. Из сказанного очевидно, что предлагаемая книга в первую очередь рассчитана на молодежь, интересующуюся проблемами ядерной физики и физики элементарных частиц. Чтобы свободно ее читать, достаточно знаний в объеме девяти классов средней школы. Самые трудные вещи встретятся в первой и во второй главах. Если же у читателя хватит сил добраться до дня рождения нейтрино, то дальше, как надеется автор, он легко справится с оставшимися главами. А. Боровой ЧАСТИЦЫ ПРОХОДЯТ сквозь ВЕЩЕСТВО Глава 1 ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ «Природа неистощима в своих выдумках». «И это чудо, что несмотря на поразительную сложность мира, мы можем обнаруживать в его явлениях определенную закономерность». Два с половиной века разделяют авторов этих слов. Первый — Исаак Ньютон, второй — один из создателей квантовой механики — Эрвин Шредингер. Действительно, чудо! Как художник, который смешивает несколько основных цветов и создает на палитре сложную гамму красок, так и природа сочетанием небольшого числа основных, фундаментальных сил добивается удивительного многообразия явлений. И ученый должен разобраться в них, отделить важное от второстепенного, пытаться найти первооснову мира. Такие попытки восходят к глубокой древности. За шестьсот лет до нашей эры греческий мудрец Фалес иэ Милета учил, что все во Вселенной образовалось из единой материи — воды. Ему приписывают такие слова: «Вода есть начало всего, все из нее происходит и в нее превращается». Со временем, у древних философов одна первооснова мира сменяется другой: вода — воздухом, воздух — огнем. Появляются догадки, которые опередили не только века — тысячелетия. Так, Демокрит создает учение об атомах — мельчайших неделимых частицах. Из них, как из кирпичиков, сложено все, в том числе и человеческая душа. Он считал Вселенную бесконечной и материальной — в ней довольно пассивная роль отводилась многочисленным греческим богам. Атеизм Демокрита очень не нравился сначала философам-идеалистам, а в более поздние века — церкви. Они оспаривали идеи ученого и самым сильным «аргументом» было уничтожение его трудов и трудов других материалистов, так что огромное большинство из их книг дошло до нас только в пересказе оппонентов. Но не будем последовательно прослеживать попытки классификации сил природы и перенесемся в наши дни, когда прочно сложилось представление о четырех основных видах взаимодействия. Это: 1. Силы тяготения (гравитационное взаимодействие). 2. Электромагнитные силы. 3. Ядерные силы (сильное взаимодействие). 4. Слабое взаимодействие. Больше видов сил пока не найдено, все элементарные частицы обязательно участвуют в гравитационном взаимодействии и еще в одном или нескольких других. Достаточно долго исследователи накапливали факты, которые говорили об отличии фундаментальных сил друг от друга. И отличие это было огромным. Так, если, для наглядности, выразить величину силы в некоторой условной шкале высот и сопоставить ядерным силам высоту Останкинской телебашни, то электромагнитное взаимодействие окажется на уровне одноэтажного дома, слабое — ростом с пуговицу, а гравитационное — намного меньше всех известных в природе расстояний. Действие тяготения и электромагнитных сил падает по мере увеличения расстояния, но постепенно. Говорят, что эти силы — далънодей-ствующие. А вот ядерные взаимодействия резко обрываются, чуть только расстояние между частицами превысит 10-14 м. Еще меньше радиус проникновения слабых сил. И вместе с тем ученые не прекращали попыток отыскать пути к их объединению. Открыть единый источник всех сил в природе, очень далеким прообразом которого служит вода Фалеса Милетского. Долгиегоды думал об этом Альберт Эйнштейн. Известно, что его труды преобразили физику. Но теория броуновского движения, фотоэффекта, специальная и общая теория относительности — были созданы за первые сорок лет жизни ученого (и за двадцать лет его творческой деятельности). А прожил Эйнштейн 76 лет, и последние тридцать, не зная отдыха, боясь потерять даже один день, работал над созданием единой теории тяготения и электромагнетизма. Безуспешно. Титанический труд и горькие слова, сказанные своему верному помощнику— польскому ученому Леопольду Инфельду: «Физики считают меня старым глупцом, но я убежден, что в будущем развитие физики пойдет в другом направлении, чем шло до сих пор». Хотя конкретный путь, выбранный Эйнштейном, не привел к успехам, над идеей объединения работали многие ученые и, в конце концов, дорога была найдена. Пятнадцать-десять лет навал наметились первые сдвиги. Потом пришли «звездные часы» для физиков, когда ни один год не проходил без крупных открытий. В 1979 г. Нобелевская премия была вручена С. Вайнбергу, Ш. Глешоу, А. Саламу за создание единой теории электромагнитных и слабых взаимодействий. Уже разрабатываются планы «великого объединения» трех видов сил: ядерных, электромагнитных и слабых. И «супергравитация», включающая в этот список еще и тяготение. Единая теория всех взаимодействий в природе приобретает все более осязаемые контуры. Но не будем спешить. Мы еще вернемся к вопросу о единстве различных сил, а сейчас чуть поглубже познакомимся с каждым из видов взаимодействий и с элементарными частицами, которые участвуют в них. Глава 2 ТЯГОТЕНИЕ 2.1. Закон всемирного тяготения На фундаменте трудов многих ученых, многолетних астрономических наблюдений, покоятся законы небесной механики, открытые в начале XVII века. Сформулировал их Иоганн Кеплер. «Чтобы философ мог свободно предаваться изучению, для него необходимы, по крайней мере, кров и пища». Даже эти скромные требования удовлетворялись в то время далеко не всегда. Кеплер много странствовал (в поисках крова и пищи), подвергался гонениям церкви, зарабатывал астрологией и умер пятидесяти девяти лет в полнейшей нищете. Законов Кеплера — три: 1. Планеты движутся по эллипсам, в одном из фокусов которого находится Солнце. Эллипс изображен на рис. 1. Его фокусы С (Солнце) и Ф. (Эта фигура обладает тем замечательным свойством, что сумма расстояний любой точки эллипса от С и Ф остается постоянной.) 2. Радиус-вектор, проведенный от Солнца к планете П (тх и г2 на рис. 1), за равные времена (Д?) описывает равные площади (S1 — S2). 3. Квадраты периодов обращения двух планет Txvi Т2 относятся между собой как кубы больших полуосей их эллипсов: (тут2)2 = (W3- Кеплер описал «как» движутся планеты, а объяснил «почему» выполняются законы небесной механики Исаак Ньютон. Его книга «Математические начала натуральной философии», (*в которой Ньютон сформулировал Закон Всемирного тяготения, увидела свет в 1687 г. На обдумывание этого труда и проверку идей, заключенных в нем, Ньютон потратил около двадцати лет. Выражение для силы гравитационного притяжения двух тел с массами mi и тп<г, выглядит внешне просто и, наверное, хорошо известно читателю. Тем не менее мы его приведем: (1) Г12 вдесь г12 — расстояние между телами (сила выглядит так просто, если тела либо точечные, либо шарообразные) и 7 — постоянная, равная 6,672-Ю"11 единиц СИ (Н-м2-кг_2). Хотя Ньютон пользовался довольно приблизительными опытными данными, он вывел соотношение, справедливое с высокой точностью и в космических масштабах, и в микромире. Оно правильно предсказывало движение небесных тел и только одно небольшое несоответствие закону Ньютона при движении Меркурия было обнаружено уже в XX веке. Объяснение этому пришло в 1916 г., когда Эйнштейн создал общую теорию относительности. Последняя включила в себя закон тяготения Ньютона как частный случай — он справедлив для не очень сильных полей тяготения и для тел, движущихся со скоростями, много меньшими скорости света. Мы уже говорили, что все частицы участвуют в гравитационном взаимодействии, оно — универсально. Тем не Рис. 1. Солнце и планета.. движущаяся по эллипсу. менее силы, отвечающие за движение планет, приливы и отливы, не играют по современным представлениям никакой роли в мире элементарных частиц. Причина этому — малость гравитационной константы у. Эта малость может быть скомпенсирована лишь огромными массами тел т1 или т2. А массы элементарных частиц чрезвычайно малы. И если представить себе атом водорода, который связан лишь силами гравитации, то размер его должен превысить размеры Вселенной. Итак, дальше нам встретяться лишь три вида взаимодействия — электромагнитное, сильное и слабое, но прежде чем переходить к их описанию, рассмотрим несколько проблем из классической механики. Она возникла раньше других физических теорий и те часто используют задачи, решенные механикой, или механические модели. В механике впервые были сформулированы и законы сохранения.
|
