home | login | register | DMCA | contacts | help | donate |      

A B C D E F G H I J K L M N O P Q R S T U V W X Y Z
А Б В Г Д Е Ж З И Й К Л М Н О П Р С Т У Ф Х Ц Ч Ш Щ Э Ю Я


my bookshelf | genres | recommend | rating of books | rating of authors | reviews | new | форум | collections | читалки | авторам | add

реклама - advertisement



ГЛАВА ПЯТАЯ,


в которой речь идет о «скульптуре элементарного» — о форме элементарных частиц и ее изменениях. Читатель убеждается в том, что у науки и искусства очень много общего

Кварки, протоны, Вселенная

Когда говорят о свойствах элементарных частиц, обычно представляют их чем-то вроде маленьких шариков. А какую форму они имеют на самом деле? Например, протон и нейтрон — какие они? Круглые, как биллиардные шары, или, может быть, вытянутые наподобие куриного яйца? Остается ли их форма неизменной в любых условиях, или же она меняется под действием внешних сил? А если меняется, то возникают ли у частиц новые свойства и какие?

Простые вопросы, но в физике с ними связана целая эпоха. К их изучению удалось подойти лишь недавно — после того как были построены мощные ускорители, генерирующие пучки электронов и гамма-квантов (жестких фотонов) с энергией, позволившей провести глубинное зондирование элементарных частиц. Лет тридцать назад такие вопросы показались бы просто бессмысленными. «Скульптура элементарного» — в то время это звучало вроде «сухой воды» или «знойного холода»! Физики уверены были тогда, что элементарные частицы — это самые наипростейшие, изначальные физические объекты, а потому уж они никак не могут иметь размеров, а тем более деформироваться. Иначе из них можно выделить еще меньшие и, следовательно, более простые части, а таких частей в опытах никогда не наблюдалось. В представлении физиков частицы были похожи на безразмерные, хотя и материальные точки.

То, что протон и нейтрон — сложные пространственные структуры с плотной центральной сердцевиной-керном и рыхлой, разреженной периферической оболочкой, простирающейся до расстояний, немногим меньших размеров атомных ядер, это выяснилось лишь в середине 60-х годов. Только тогда стало возможно говорить о форме элементарных частиц и даже пытаться как-то воздействовать на свойства этих «наипростейших» объектов именно путем их деформации.

Но разве можно изменить форму частицы? Она ведь так ничтожно мала! А почему бы и нет — ведь и атомы когда-то считались предельно малыми объектами! С течением времени понятия большого и малого изменяются. И с тем же основанием, с каким мы говорим о форме разбросанных по полю каменных валунов, можно говорить о геометрической форме протона и нейтрона.

Может показаться, что все это — чисто академические вопросы. Но как знать... Об элементарных частицах нам известно еще очень мало. А вот деформация атомных ядер, например, оказалась связанной с тонкими внутриядерными эффектами, и ее исследование стало одним из важных разделов ядерной физики. Когда изучаешь глубины материи, никогда нельзя сказать заранее, к каким практическим результатам это приведет.

Первый вопрос, который возникает при изучении формы элементарных частиц: а как вообще увидеть их форму? Ведь частицу нельзя рассмотреть или сфотографировать под микроскопом, как это делают, например, с микробом. Способ один — изучать движение частиц под действием различных полей.

Электрическое поле, создаваемое заряженным телом, зависит от того, какую форму имеет это тело. Поле заряженной горошины отличается от поля, создаваемого заряженным чечевичным зерном, а поле вытянутой сигары не похоже ни на то, ни на другое. Внешнее электрическое поле тоже по-разному действует на тела с различной геометрической формой.

Теория говорит, что в мире элементарных частиц должно быть то же самое. Их взаимодействие также должно зависеть от их формы. Поэтому, наблюдая рассеяние сталкивающихся частиц, когда они сближаются на очень малые расстояния и поле их взаимодействия становится очень сильным, можно заметить различия в их форме.

Особенно удобно изучать взаимодействия частиц с электронами и гамма-квантами. И те, и другие в отличие от мезонов и нуклонов не чувствительны к ядерным силам. Законы, управляющие ядерными силами, известны пока еще не слишком хорошо, поэтому предугадать

их влияние на ход эксперимента трудно. Взаимодействие же электронов и гамма-квантов с частицами целиком обусловлено электромагнитными силами, свойства которых хорошо изучены и очень точно описываются теорией. Все это упрощает эксперимент и позволяет более надежно и однозначно интерпретировать его результаты. Все отклонения экспериментальных данных от теоретических формул, выведенных для безразмерных, точечных частиц, в этом случае можно целиком приписать влиянию формы и размеров частиц.

В последние 20—30 лет в различных физических лабораториях выполнено много опытов с рассеянием электронов и гамма-квантов на протонах. И во всех опытах протоны вели себя как абсолютно круглые, сферически симметричные частицы. То же самое обнаружилось и при рассеянии частиц на нейтронах. Они тоже оказались похожими на шарики — в целом электрически нейтральные, но имеющие внутри себя слои перекрывающихся положительных и отрицательных зарядов. Словом, самые точные эксперименты не обнаружили у протона и нейтрона никаких отклонений от сферической симметрии.

Недавно на самом большом советском ускорителе, в подмосковном городке Протвино, вблизи Серпухова, были закончены опыты с рассеянием пучков пи-мезонов на атомарных электронах. Результат таков: мезон — тоже сферически симметричный шарик.

О других элементарных частицах экспериментальных данных еще нет. Сведения об их форме можно получить лишь на основании теоретических соображений. А из этих соображений, в частности, следует, что форма частиц тесно связана с величиной их спинов. Как уже говорилось, многие частицы похожи на безостановочно вращающиеся волчки. Возможно, это вызвано какими-нибудь круговыми движениями в их недрах, вроде широтных течений в океанах или сейсмических волн в земной коре. Как бы там ни было, квантовые законы, которым подчиняются микропроцессы, разрешают передачу лишь дискретных, прерывистых порций энергии, поэтому вращательное движение внутри частиц происходит не с любыми, а только лишь с некоторыми дискретными угловыми моментами-спинами. Чем массивнее вращающееся тело, тем больше скорость и орбиты движения его частей, тем труднее остановить вращение или изменить направление его оси — тело сопротивляется. Вот эту сопротивляемость и характеризует величина углового момента. Чем она больше, тем движение устойчивее и энергичнее.

Частицы с небольшим спином можно назвать медленно вращающимися. Протон и нейтрон как раз таки частицы. К этой группе принадлежат также гипероны и многие из мезонов. Пи-мезон вообще не вращается, его спин равен нулю. Расчеты теоретиков показывают, что все медленно вращающиеся частицы должны иметь форму, очень близкую к сферической, а вот быстро вращающиеся, «высокоспиновые», как бы деформируются центробежными силами и могут стать вытянутыми, подобно упомянутой сигаре, или сжаться вдоль оси своего вращения, как чечевичное зерно. Такими свойствами должны обладать, например, так называемые резонансы-быстро вращающиеся состояния «слипшихся» мезона и нуклона, а также многие атомные ядра.

Не устаешь удивляться особенностям элементарных частиц! Обладают сложной структурой, разнообразием форм, и вместе с тем это последние, неделимые дальше крупинки вещества. Если верна гипотеза «кварковой тюрьмы» — конфаймента, то расщепить их на более мелкие составные части никогда не удастся.

Частицы могут изменять свою форму — растягиваться или сжиматься. Это когда на них действуют внешние силы. Если частицы расположены далеко друг от друг и действующие между ними силы не очень велики, деформацией частиц можно пренебречь и считать их «жесткими». Но вот как они поведут себя в сильных полях, когда они пролетают близко друг от друга или даже сталкиваются друг с другом?

Чтобы представить себе, что тогда может произойти вспомним, как ведет себя в электрическом поле атом. Он поляризуется: орбиты его электронов смещаются, вытягиваются вдоль силовых линий поля, и он становится электрическим диполем. Если смещения орбит не слишком велики, то величина диполя пропорциональна напряженности электрического поля. Коэффициент пропорциональности называется электрической поляризуемостью. Эта величина хорошо известна; ее значения для разных атомов и молекул указаны в справочниках. Она как раз и характеризует степень жесткости атома. Чем жестче атом, тем меньше его поляризуемость. Для абсолютно жесткого, недеформируемого атома поляризуемость была бы равна нулю.

Так что же произойдет в сильном электрическом поле с протоном? Останется он по-прежнему похожим на заряженный шарик или же, подобно атому, вытянется в направлении поля?

Конечно, величина деформаций частицы зависит не только от того, насколько она жестка. Важное значение имеют также ее размеры. Силы внешнего поля действуют на каждую дольку вещества частицы, поэтому общее усилие, которое деформирует частицу, пропорционально ее объему. Другими словами, при одинаковой жесткости большую частицу легче сжать или растянуть, чем маленькую. И деформируемость протона должна быть во много раз меньше, чем у атома, ведь радиус протона в 100 тысяч раз меньше самого маленького из них — атома водорода.

Но, может быть, свойства внутрипротонного вещества совсем не похожи на свойства других физических тел и протон вообще нельзя деформировать? Когда имеешь дело с элементарными частицами, надо предусмотреть и проверить все. Кто мог бы предсказать заранее, что протон, неделимая и элементарная частица, на самом деле представляет собой сгусток, каплю полурастворившихся в энергии взаимодействия, почти потерявших свою индивидуальность частиц, которые, в свою очередь, состоят из кварков? Неожиданности подстерегают физика здесь на каждом шагу.

Первыми за дело взялись теоретики. Задача, стоявшая перед ними, была очень трудна — ведь строгой теории, которая позволяла бы рассчитать внутреннее строение, элементарных частиц, не существовало. Нет ее и сегодня. Тем не менее группе теоретиков в Дубне и в Москве удалось вывести формулы, которые связывали электромагнитную деформацию протона и нейтрона с другими, уже измеренными на опыте величинами. После этого удалось вычислить и деформацию частиц.

О своей работе теоретики рассказали на международной конференции физиков в Венеции. Недалеко от площади Святого Марка, единственной площади изрезанного каналами города, расположен небольшой городок Сан Джорджио со старинными монастырскими постройками. Туда от площади ходит небольшой пароходик. Там в одном из залов, с желтыми дубовыми скамьями и черным распятием на белой стене, и проходили заседания конференции. Советский доклад был встречен сдержанно. В теоретическом отношении он был безупречен, но с экспериментальной точки зрения большинству участников конференции показался бесперспективным. Из формул следовало, что в сильном электрическом и магнитном полях протон и нейтрон действительно должны поляризоваться — сжиматься и растягиваться, но величина таких деформаций крайне мала — в 100, а может быть, и в 1000 триллионов раз меньше, чем атома водорода.

Чтобы наглядно представить себе величину этих деформаций, вообразим, что протон находится возле границ тяжелого атомного ядра. Здесь действует самое сильное электрическое поле, какое только нам известно в природе. Если бы мы захотели создать такое поле в плоском конденсаторе с расстоянием между пластинами в 1 сантиметр, нам потребовалось бы напряжение в 10 триллионов вольт. Так вот, под действием такого колоссального поля протон изменит свои размеры менее чем на одну-две десятых доли процента. В реальных экспериментах электрическое поле намного слабее, значительно меньшей будет и деформация. Ясное дело, что измерение такой малой величины — дело очень далекого будущего. И есть ли смысл особенно задумываться на ним? Уж очень тонким должен быть эксперимент.

Но что интересно — сама по себе жесткость внутрипротонного вещества сравнительно невелика, она всего лишь раз в 10 превосходит жесткость атомов — больших и рыхлых систем по сравнению с протоном. А что протон деформируется все же очень слабо, объясняется в основном малыми размерами этой частицы.

Нет, эксперимент возможен, и ждать его придется не так уж долго! Идея опыта родилась в физическом институте имени П. Н. Лебедева, в группе, которой руководили теоретик А. М. Балдин и экспериментатор В.И. Гольданский. Теперь и тот и другой уже академики, а тогда они были мало кому известными молодыми научными сотрудниками и, конечно, участниками шумных туристских походов и альпинистских восхождений.

Если протон изменяет свою форму в зависимости от действующего на него поля, то это должно происходить и при рассеянии гамма-квантов на протоне, под действием их электромагнитного поля. Протон в таком поле вытянется, а вытянутый протон должен взаимодействовать с гамма-квантом иначе, чем круглый. Рассеяние пучка гамма-квантов будет отличаться от рассеяния на строго сферическом протоне, появится дополнительная величина, связанная с деформацией. Измеряя ее, можно в принципе определить и величину деформации протона.

Сама по себе идея нехитра, но осуществить ее на практике крайне трудно. Прежде всего потребуется чрезвычайно высокая точность эксперимента, ведь деформация очень мала, и необходимо исключить десятки причин, которые могли бы замаскировать ожидаемый эффект. Кроме того, надо еще тщательно подобрать анергию гамма-квантов. Если она будет слишком мала, кванта не хватит на то, чтобы растянуть протон, а если, наоборот, слишком велика, в игру вступят другие детали структуры протона, которые заслонят собой вклад поляризуемости. Участники дискуссий на острове Сан Джорджио не напрасно сомневались в успехе опытов.

И тем не менее В. И. Гольданскому и его сотрудникам такой эксперимент выполнить удалось. Он был настолько сложен, что в течение целых 15 лет оставался единственным. Лишь недавно другая группа сотрудников ФИАНа сумела повторить его, применив еще более совершенную методику.

Труды не пропали даром — результаты экспериментов определенно свидетельствовали о том, что протон действительно деформируется в поле рассеивающегося гамма-кванта, и величина этой деформации находится в согласии с предсказаниями теоретиков. Более того, в опыте удалось расщепить деформацию протона на две части: на деформацию под действием одного лишь электрического поля и деформацию под действием поля магнитного. Магнитная деформация оказалась еще меньшей, чем электрическая: приблизительно раз в 10. Правда, точное ее значение пока измерить не удалось, но то, что «магнитная жесткость» протона на порядок больше «электрической жесткости», уже не вызывает сомнений.

Результаты экспериментов были очень важными. И не только потому, что удалось получить сведения, необходимые для построения моделей, которые позволили бы еще глубже заглянуть внутрь частиц. Физики суме-ли впервые воздействовать на свойства частицы. Не просто наблюдать эти свойства, а именно воздействовать на них, изменять их! Это был принципиально новый шаг в исследовании субъядерных явлений. Новое обоснование получило также положение о том, что структура окружающего нас мира бесконечно многообразна! Элементарные частицы не только ведут себя как чрезвычайно сложные пространственно-протяженны системы, но и обнаруживают способность изменять свои свойства. А из этого, если вдуматься, следует очень очень многое...

Опыты московских физиков хорошо согласовались с представлением о протоне как о сложной частице, состоящей из крепко сцементированного ядра (керна) и разреженной оболочки периферических мезонов. Такую оболочку, естественно, легче деформировать, чем плотную сердцевину протона. И хотя масса вещества в мезонном облаке сравнительно невелика — в этом физики убедились еще давно, когда «просвечивали» протон пучками быстрых электронов,— расчет показывает, что результаты опытов с гамма-квантами можно целиком объяснить деформацией только этого облака. Деформация керна почти ничтожна.

Кажется, все ясно!

Однако керн и мезонная оболочка — это еще не вся структура протона. Его электрический заряд испускает кванты электромагнитного поля. И хотя время, которое эти кванты живут, покуда протон не поглотит их обратно, очень мало, некоторые из них успевают превратиться в пару частиц, электрон и позитрон, которые затем быстро аннигилируют, снова превращаясь в гамма кванты. В результате наряду с мезонным облаком вокруг протона успевает образоваться облако электрон-позитронных пар. Его плотность мизерна — несравнимо меньше, чем плотность мезонов на периферии протона. Это как бы ультраразреженная стратосфера вокруг планеты-протона. Электроны и позитроны намного легче мезонов, слабее связаны с ядром протона и поэтому могут удаляться на гораздо большее расстояние от его центра. Облако этих частиц почти в 100 раз больше облака мезонов и очень подвижно — оно легко изменяет свою форму под действием внешних полей. И вот расчет показывает, что, несмотря на разреженность электрон-позитронной стратосферы протона, ее поляризуемость в электромагнитных полях должна быть приблизительно в 1000 раз больше, чем у облака мезонов.

Но почему же тогда опыты с рассеянием гамма-квантов показали значительно меньшую величину — только ту, что соответствует деформации мезонной оболочки? Может быть, в наши представления о слоистом строении протона вкралась ошибка?

Нет, дело в другом — в условиях измерении. Чем дальше от центра протона взаимодействует гамма-квант, тем слабее действующие там силы, а следовательно, меньше и угол, на который отклоняется гамма-квант от своего первоначального направления. Поэтому те кванты, которые испытали взаимодействие с удаленной электронно-позитронной оболочкой и несут информацию о ее свойствах, рассеялись на очень малые углы. Но здесь все забивает пучок первичных нерассеявшихся гамма-квантов. Отстроиться от этого пучка чрезвычайно трудно, поэтому измерения удается выполнить лишь для больших углов, а туда попадают только те гамма-кванты, которые взаимодействуют с мезонной оболочкой протона. Сведений об электрон-позитронной стратосфере там нет. Другими словами, в опытах с рассеянием гамма-квантов мы рассматриваем протон под таким углом зрения, что просто не видим его электронных облаков. Рассказать об их свойствах могут пока только теоретики.

Еще труднее изучать деформацию нейтрона. В природе нет мишеней, которые состояли бы из одних нейтронов. Для изучения деформаций нейтрона приходится использовать атомные ядра, куда наряду с нейтронами входят и протоны. А это вносит дополнительные ошибки, так как строение атомных ядер и действующие в них силы мы знаем еще недостаточно. Вот почему зондировать строение нейтрона намного труднее, чем протона.

Первая попытка выяснить, деформируется ли нейтрон электрическим полем, была предпринята в Физико-энергетическом. институте в Обнинске, под Москвой. Два сотрудника этого института, Игорь Бондаренко и Юрий Александров, придумали, как превратить атомное ядро из помехи, из врага, в друга, облегчающего измерения. Они предложили изучать рассеяние пучка нейтронов мишенью из очень тяжелых ядер и на очень малые углы, куда попадают лишь те нейтроны, которые

взаимодействуют с далекой периферией ядра. Ядерные силы там слабы, а электрические, наоборот, велики. Они будут деформировать нейтроны, и это должно привести к дополнительному рассеянию.

Опыты дали удивительный результат: получалось,

что по сравнению с протоном нейтрон — очень мягкая частица. Его способность к деформации в сотни раз превзошла деформацию мезонной оболочки протона ту, что наблюдалась в опытах с гамма-квантами.

Это было совершенно неожиданно и совершенно не понятно. Ведь все экспериментальные и теоретические данные говорили за то, что мезонные облака внутри нейтрона перекрываются таким образом, что происходит почти полная компенсация их зарядов. А электрически нейтральная частица не может испускать электромагнитные кванты, и вокруг нее не может образоваться облако электрон-позитронных пар. Поэтому жесткость нейтрона, казалось бы, должна зависеть только от его внешней мезонной оболочки. Природа сил, стягивающих эту оболочку, та же, что и у протона. Почему же тогда она такая мягкая по сравнению с протоном?

Этот вопрос долго интриговал физиков. Потребовалась целая серия новых опытов и многолетние теоретические расчеты, прежде чем удалось выявить некоторые неизвестные ранее особенности ядерных взаимодействий, проливших свет на мягкость нейтрона.

В науке так иногда бывает: кажется, что открыто новое явление, а потом находятся еще не использованные резервы старой теории, и жар-птица ускользает из рук. Так случилось и в этот раз. Споры о причинах аномального поведения нейтронов в столкновениях с тяжелыми ядрами все еще идут, но все равно уже ясно, что это поведение никак не связано с эффектами деформаций.

В этом убеждают нас, например, опыты по взаимодействию гамма-квантов с ядрами тяжелого водорода дейтерия. Эти ядра состоят из протона и нейтрона, поэтому если известна деформация протона, то можно обнаружить деформацию и у нейтрона. Конечно, для этого опять-таки приходится учитывать ядерные силы, но для простого ядра дейтерия это можно сделать значительно точнее, чем для тяжелых ядер. Так вот, из опытов с дейтерием следует, что по своей жесткости протон и нейтрон не слишком различаются между собой. Их деформации — одного порядка.

Как ни странно, у короткоживущего пи-мезона многие свойства изучены лучше, чем у нейтрона. Правда, мы говорим о заряженных мезонах: время жизни нейтрального пи-мезона в 100 миллионов раз меньше и его внутренние свойства вообще еще не изучались в опыте. А вот заряженные пи-мезоны, хотя и входят в состав протона, имеют размеры почти такие же, как и сам протон. Близкой оказывается и величина жесткости этих частиц. Это объясняется тем, что размеры кварков, из которых «слеплены» элементарные частицы, очень малы. Кварки — почти точки. Поэтому величина системы определяется не размерами кварков, а расстояниями между ними, то есть радиусом действия глюонных сил. А этот радиус — такая же неизменная, универсальная постоянная, как заряд электрона или скорость света.

Но тогда мы вправе ожидать, что жестокость всех сильновзаимодействующих частиц (адронов) приблизительно одинакова, одного порядка. Экспериментальных данных на этот счет пока нет, но некоторые сведения получить все-таки можно, если учесть симметрию в семействах кварков и антикварков. Поскольку адроны — различные комбинации членов этих семейств, между их свойствами также можно установить зеркальные соотношения. Например, получается, что жесткость протона должна быть совершенно такой ж-,

Есть основания думать, что легкие частицы — мю-мезоны, электрон, позитрон — тоже испытывают деформации во внешних полях. Но так как эти частицы по крайней мере в тысячу раз меньше адронов, их деформации, по-видимому, очень малы. Быть может, в миллиард раз меньше, чем у адронов.

Скульптуру элементарного мы только еще начинаем познавать. Дальше шаров, сигар, чечевичных зерен пока не пошли. Но разве не может быть в этом мире тонких и толстых баранок, дисков, гантелей или еще более сложных фигур? Ведь есть же предсказания (и небезосновательные), что ядра некоторых сверхтяжелых элементов имеют форму бублика и даже полого пупыря.

Особенно сложные формы такого рода объекты могут принимать в ультрамалых областях, где возможно изменение самой топологии пространства, например его размерности. В одном месте оно может быть трехмерным, в соседней области — четырех- или пятимерным. По-разному изогнутым и скрученным. А на границах переходы, которые трудно даже выразить словами. Это скорее, образы искусства, нежели науки.

Между прочим, наука и искусство имеют значительно. больше общего, чем это принято думать. Есть два способа приобретения знаний об окружающем мире — логический, связанный с осознаваемой деятельностью нашего рассудка, и в основном выражаемый словами или иными знаками, и интуитивный, зависящий от скрытой работы нашего подсознания, когда происходит как бы непосредственное восприятие, усмотрение факта. Хотя резкой границы между ними нет, можно с уверенностью сказать, что в науке логический способ рассуждения преобладает. Однако без интуиции, путем одной логики, наука развиваться не может. Основанные на строгих законах логики компьютеры успешно доказывают теоремы (бывали даже случаи, когда они открывали еще неизвестные), но все это делается в жестких рамках программ. Изменить их, то есть создать новую теорию, компьютер не может. Одной логики для этого недостаточно. Лежащие в основе науки процессы творчества в значительной степени имеют интуитивный характер.

В искусстве интуитивный, неосознаваемый нами элемент, основанный на ассоциациях, нюансах впечатлений и других невыразимых на логическом языке вещах, является определяющим. Во всяком случае многое начинается с него. Логика играет здесь подчиненную роль: Компьютеры умеют сочинять стихи и музыку, они создают сложные и очень красивые орнаменты. Но это не искусство, ведь они работают, так сказать, машинально — по заданному им логическому рецепту. Это ремесло, которому может обучиться каждый. Истинный художник работает иначе, истоки его искусства иные, но он не чужд логике, научному мышлению и в процессе замысла, и на завершающем этапе.

Наука и искусство дополняют друг друга. Не случайно многие выдающиеся ученые, внесшие большой вклад в самые абстрактные области человеческого знания, были страстными почитателями искусства.


ГЛАВА ЧЕТВЕРТАЯ | Кварки, протоны, Вселенная | ГЛАВА ШЕСТАЯ,