На первой из двух картинок, спроецированных на экран, вы видите оригинал снимка позитрона, обнаруженного Андерсоном в космическом излучении. Замечу, что это самый первый из когда-либо сделанных снимков позитрона. Широкая горизонтальная полоса, идущая через весь снимок, — след толстой свинцовой пластины, положенной поперек камеры Вильсона, а трек позитрона выглядит, как тонкая искривленная царапина, идущая через снимок. Трек искривлен потому, что во время эксперимента камера Вильсона была помещена в сильное магнитное поле, влиявшее на движение позитрона. Свинцовая пластина и магнитное поле понадобились Андерсону для того, чтобы определить знак электрического заряда, переносимого частицей. Сделать это можно на основе следующих соображений. Известно, что производимое магнитным полем изгибание траектории зависит от знака заряда движущейся частицы. В эксперименте Андерсона магнит расположен так, что отрицательно заряженные электроны отклоняются от первоначального направления движения влево, а положительно заряженные электроны — вправо. Следовательно, если частица на снимке двигалась вверх, то она должна была нести отрицательный заряд. Но как узнать, в какую сторону двигалась частица? Для этого и понадобилась Андерсону свинцовая пластина. Пройдя сквозь свинцовую пластину, частица неизбежно теряет некую часть своей первоначальной энергии, и поэтому изгибающее действие магнитного поля усиливается. На снимке, который вы видите на слайде, трек изогнут сильнее под свинцовой пластиной (различие в изгибах не слишком видно на глаз, но отчетливо заметно при измерении). Следовательно, частица двигалась сверху вниз и несла положительный заряд.
На правом снимке (с. 206), полученном Джеймсом Чедвиком из Кембриджского университета, вы видите рождение пары в камере Вильсона. Сильное гамма-излучение поступает в камеру снизу и, не оставляя на снимке видимых следов, порождает в центре камеры пару частиц, которые разлетаются в сильном магнитном поле в разные стороны. Глядя на этот снимок, вы можете гадать, почему позитрон (на снимке он слева) не аннигилирует на своем пути через газ. Ответ на этот вопрос также дает теория Дирака, и этот ответ понятен каждому, кто играет в гольф. Если, поставив шар на травяное поле, вы ударите по нему слишком сильно, то шар не попадет в лунку, даже если вы точно прицелились. Произойдет нечто иное: быстро движущийся шар просто перепрыгнет через лунку и покатится дальше. Точно так же быстро движущийся позитрон не попадет в дырку Дирака, покуда его скорость существенно не уменьшится. Поэтому позитрон имеет большую вероятность аннигилировать в конце траектории, когда столкновения с другими частицами по дороге основательно замедлят его. И, как показывают тщательные наблюдения, излучение, сопровождающее любой процесс аннигиляции, действительно обнаруживается в конце траектории позитрона. В этом — еще одно подтверждение теории Дирака.
Нам остается еще обсудить два общих вопроса. До сих пор я рассматривал отрицательно заряженные электроны как лишние брызги переполненного океана Дирака, а позитроны — как дырки в нем. Но вполне допустима и противоположная точка зрения, согласно которой обычные электроны надлежит рассматривать как дырки, а позитроны — как выброшенные частицы. Для этого нам необходимо лишь предположить, что океан Дирака не переполняется, а, наоборот, всегда испытывает недостаток частиц. В этом случае распределение Дирака можно наглядно представить как нечто напоминающее кусок швейцарского сыра с множеством дыр в нем. Из-за общей нехватки частиц дырки будут существовать всегда, и даже если какая-нибудь частица окажется выброшенной из распределения, она вскоре снова упадет в одну из дырок. Следует сказать, однако, что как с физической, так и с математической точки зрения обе картины абсолютно эквивалентны, и поэтому совершенно безразлично, какой из картин мы отдадим предпочтение.
Второе замечание можно сформулировать в виде следующего вопроса: «Если в той части Вселенной, где мы обитаем, существует явное численное преобладание отрицательно заряженных электронов, то можно ли предположить, что где-то в другой части Вселенной численное преимущество наблюдается за положительно заряженными электронами?» Иначе говоря, компенсируется ли переполнение океана Дирака в нашей окрестности недостатком отрицательно заряженных электронов где-то в другом месте?
Ответить на этот чрезвычайно интересный вопрос очень трудно. Действительно, так как атомы, состоящие из положительно заряженных электронов, которые обращаются вокруг отрицательно заряженного ядра, давали бы такие же оптические картины, как и обычные атомы, не существует способа ответить на этот вопрос с помощью спектроскопических наблюдений. Судя по всему, что мы знаем, вполне возможно, что образование вещества где-нибудь в Туманности Андромеды происходит «наоборот» по отношению к привычной для нас схеме, но единственный способ подтвердить или опровергнуть подобную догадку состоит в том, чтобы раздобыть кусочек того вещества и проверить, не аннигилирует ли оно при соприкосновении с земным веществом. Разумеется, в случае аннигиляции последует ужасный взрыв! В последнее время стали поговаривать о том, что некоторые метеориты, взорвавшиеся при вхождении в земную атмосферу, возможно, состояли из такого «перевернутого» вещества, но я не думаю, чтобы подобные разговоры следовало принимать всерьез. Не исключено, что вопрос о переполнении океана Дирака в одних частях Вселенной и нехватке частиц в других ее частях навсегда останется без ответа.
Глава 15
Мистер Томпкинс знакомится с японской кухней
Однажды Мод отправилась на выходной навестить тетушку в Йоркшире, и мистер Томпкинс пригласил профессора отобедать с ним в знаменитом японском ресторане. Расположившись на мягких подушках за низким столиком, они пробовали деликатесы японской кухни и потягивали из чашечек сакэ.
— Скажите, пожалуйста, — обратился к профессору мистер Томпкинс, — доктор Таллеркин упомянул в своей лекции, что протоны и нейтроны удерживаются в ядре особыми силами сцепления. Это те самые силы, которые удерживают электроны в атоме?
— О, нет! — возразил профессор. — Ядерные силы представляют собой нечто совершенно другое. Атомные электроны притягиваются к ядру обычными электростатическими силами, впервые подробно исследованными французским физиком Шарлем Опостеном де Кулоном в конце XVIII века. Это сравнительно слабые силы, убывающие обратно пропорционально квадрату расстояния от центра. Ядерные силы имеют совершенно иную природу. Когда протон и нейтрон сближаются вплотную, но не соприкасаются, то между ними ядерные силы практически не действуют. Но как только частицы входят в прямой контакт, между ними возникает необычайно мощная сила, которая удерживает их вместе. В этом смысле протон и нейтрон напоминают два кусочка липкой ленты, которые не притягивают друг друга даже на малых расстояниях, но становятся неразлучными, как братья, стоит лишь им соприкоснуться. Физики назвали силы, удерживающие протоны и нейтроны в ядре, сильным взаимодействием . Эти силы не зависят от электрического заряда двух частиц и с одинаковой интенсивностью действуют и между двумя нейтронами, и между протоном и нейтроном, и между двумя протонами.
— Существуют ли какие-нибудь теории, объясняющие сильное взаимодействие? — спросил мистер Томпкинс.
— Существуют. В начале 30-х годов японский физик Хидеки Юкава высказал гипотезу о том, что сильное взаимодействие обусловлено обменом какой-то неизвестной частицей между двумя нуклонами (нуклон — это собирательное название протона и нейтрона). Когда два нуклона сближаются, между ними туда и обратно начинают прыгать какие-то загадочные частицы, что и приводит к возникновению сильной связи, удерживающей нуклоны вместе. Юкаве удалось теоретически оценить массу гипотетических частиц. Оказалось, что она примерно в 200 раз больше массы электрона, или примерно в 10 раз меньше массы протона или нейтрона. Такие частицы получили название мезатронов. Но отец Вернера Гейзенберга, бывший профессором классических языков, возразил против столь грубого нарушения древнегреческого языка. Дело в том, что название электрон происходит от греческого ???????? (янтарь), а название протон происходит от греческого ?????? (первый). Название же частицы Юкавы было образовано от греческого ????? (середина), в котором нет буквы ?. Выступив на Международной конференции физиков, Гейзенберг-отец предложил заменить название мезатрон на мезон. Некоторые французские физики возражали потому, что несмотря на другое написание новое название звучит, как французское слово maison (дом, домашний очаг). Однако их доводы не были приняты во внимание коллегами из других стран, и новый термин прочно укоренился в ядерной физике. Но взгляните на сцену. Сейчас нам покажут мезонное представление!
Действительно, на сцене появились шесть гейш, которые начали играть в бильбоке: в каждой руке у гейш было по чашке и они ловко перебрасывали шарик из одной чашки в другую и обратно. Между тем на заднем плане появился мужчина и запел:

For a meson I received the Nobel Prize,
An achievement I prefer to minimize.
Lambda zero, Yokohama,
Eta keon, Fujiyama —
For a meson I received the Nobel Prize.
They proposed to call it Yukon in Japan,
I demurred, for I'm a very modest man.
Lambda zero, Yokohama,
Eta keon, Fujiyama —
They proposed to call it Yukon in Japan.
(За мезон я получил Нобелевскую премию,
Но хотел бы, чтобы об этом поменьше шумели.
Лямбда ноль, Иокогама,
Эта каон, Фудзияма —
За мезон я получил Нобелевскую премию.
В Японии мезон предпочитают называть юконом,
Я противлюсь этому, так как человек я очень скромный.
Лямбда ноль, Иокогама,
Эта каон, Фудзияма —
В Японии мезон предпочитают называть юконом.)
— А почему выступают три пары гейш? — спросил мистер Томпкинс.
— Они изображают три возможных варианта обмена мезонами, — пояснил профессор. — Мезоны бывают трех типов: положительно заряженные, отрицательно заряженные и электрически нейтральные. Возможно, что ядерные силы порождены мезонами всех трех типов.
— Итак, ныне существуют восемь элементарных частиц, — подвел итог своим размышлениям мистер Томпкинс и принялся считать на пальцах, — нейтроны, протоны (положительно и отрицательно заряженные), положительно и отрицательно заряженные электроны и мезоны трех сортов.
— Нет! — воскликнул профессор. — Элементарных частиц сейчас известно не восемь, а ближе к восьмидесяти. Сначала выяснилось, что существуют две разновидности мезонов, тяжелые и легкие. Тяжелые мезоны физики обозначили греческой буквой пи и назвали пионами , а легкие — греческой буквой мю и назвали мюонами . Пионы рождаются на границе атмосферы при столкновении протонов очень высокой энергии с ядрами газов, образующих воздух. Но пионы очень нестабильны и распадаются, прежде чем достигнут поверхности Земли, на мюоны и нейтрино (самые загадочные из всех частиц), которые не обладают ни массой, ни зарядом, а только переносят энергию. Мюоны живут несколько дольше, около нескольких микросекунд, поэтому они успевают достигнуть поверхности Земли и распадаются на наших глазах на обычный электрон и два нейтрино. Существуют также частицы, обозначаемые греческой буквой ка и называемые каонами .
— А какие из частиц используют эти гейши в своей игре? — поинтересовался мистер Томпкинс.
— По-видимому, пионы, скорее всего нейтральные (они играют наиболее важную роль), но я не вполне уверен. Большинство новых частиц, открываемых ныне почти каждый месяц, настолько короткоживущие, даже если они движутся со скоростью света, что распадаются на расстоянии нескольких сантиметров от места рождения, и поэтому даже чувствительные приборы, запускаемые в атмосферу на шарах, «не замечают» их.
Но теперь у нас есть мощные ускорители частиц, способные разгонять протоны до столь же высоких энергий, какие те достигают в космическом излучении, т. е. до многих тысяч миллионов электрон-вольт. Одна из этих машин под названием лоуренстрон расположена здесь неподалеку, ближе к вершине холма, и я буду рад показать ее вам.

После непродолжительной поездки на автомашине профессор и мистер Томпкинс подъехали к огромному зданию, внутри которого находился ускоритель. Войдя в здание, мистер Томпкинс был потрясен сложностью гигантского сооружения. Но по заверению профессора, ускоритель в принципе был не более сложен, чем праща, из которой Давид убил Голиафа. Заряженные частицы инжектировались (поступали) в центре гигантского барабана и, двигаясь по раскручивающимся спиралям, ускорялись переменными электрическими импульсами. Движением частиц управляет сильное магнитное поле.
— Мне кажется, я уже видел нечто подобное, — сказал мистер Томпкинс, — когда несколько лет назад посетил циклотрон, который назывался «атомной дробилкой».
— Вы совершенно правы, — подтвердил профессор. — Циклотрон, который вы тогда видели, был изобретен доктором Лоуренсом. Ускоритель, который вы видите здесь, основан на том же принципе, но он может разгонять частицы уже не до нескольких миллионов электрон-вольт, а до многих тысяч миллионов электрон-вольт. Два таких ускорителя были недавно сооружены в Соединенных Штатах. Один из них находится в Беркли (штат Калифорния) и называется бэватрон , поскольку разгоняет частицы до энергий в миллиарды электрон-вольт. Это чисто американское название, так как только в Америке тысячу миллионов принято называть биллионом. В Великобритании биллионом называется миллион миллионов, и никто в доброй старой Англии еще не пытался достичь столь высоких энергий. Другой американский ускоритель частиц находится в Брукхейвене, Лонг-Айленд, и называется космотрон . Это название несколько претенциозно, так как энергии, достижимые в космическом излучении, часто намного превышают те, до которых разгоняет частицы космотрон. В Европе, в Европейском центре ядерных исследований (ЦЕРН) близ Женевы, построены ускорители, сравнимые с двумя американскими ускорителями. В России, недалеко от Москвы, построен еще один ускоритель такого же типа, общеизвестный под названием хрущевтрон . Возможно, что теперь он будет переименован в брежневтрон .
Оглядевшись по сторонам, мистер Томпкинс обратил внимание на дверь, на которой красовалась надпись:
ЖИДКИЙ ВОДОРОД АЛЬВАРЕСА
ВАННОЕ ОТДЕЛЕНИЕ
— А что за этой дверью? — спросил он.
— О! — ответил профессор. — Видите ли, лоуренстрон производит все больше и больше различных элементарных частиц все большей и большей энергии. Их приходится анализировать, наблюдая траектории и вычисляя массы, времена жизни, взаимодействия и многие другие свойства, такие как странность, четность и т. д. В давние времена для наблюдения траекторий использовалась так называемая камера Вильсона, за создание которой Ч. Т. Р. Вильсон в 1927 г. получил Нобелевскую премию. В то время быстрые электрически заряженные частицы с энергией в несколько миллионов электрон-вольт, исследуемые физиками, пропускались через камеру со стеклянной крышкой, наполненную воздухом, почти до предела насыщенным водяными парами. Когда дно камеры резко опускалось, воздух вследствие расширения охлаждался и водяной пар становился перенасыщенным . В результате некоторая доля пара конденсировалась в крохотные водяные капельки. Вильсон обнаружил, что такая конденсация паров в воду происходит гораздо быстрее вокруг ионов, т. е. электрически заряженных частиц газа. Но вдоль траекторий электрически заряженных частиц, пролетающих сквозь камеру, газ ионизируется. В результате непрозрачные полоски тумана, освещаемые источником света, расположенным на стенке камеры, становятся видимыми на выкрашенном в черный цвет дне камеры. Вспомните снимки, которые я показывал вам на прошлой лекции.

В случае частиц из космических лучей с энергиями, тысячекратно превосходящими энергии частиц, которые мы изучали до сих пор, ситуация иная потому, что треки частиц становятся очень длинными и камеры Вильсона, заполненные воздухом, слишком малы для того, чтобы можно было проследить весь трек частицы от начала до конца, поэтому наблюдению доступна лишь небольшая часть траектории.
Большой шаг вперед был недавно сделан американским физиком Дональдом А. Глезером, которому в 1960 г. была присуждена за это Нобелевская премия. Как рассказывает сам Глезер, однажды он сидел в баре и угрюмо наблюдал за пузырьками, поднимавшимися в стоявшем перед ним бокале пива. Внезапно ему пришла в голову идея: «Если Ч. Т. Р. Вильсон мог изучать капельки жидкости в газе, то почему бы мне не заняться изучением пузырьков газа в жидкости?»
— Не стану вдаваться в технические детали, — продолжал профессор, — и касаться трудностей, возникших на пути к техническому воплощению идеи Глезера.
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21